管棚超前支护施工工艺

1.   工艺概 述

在隧道预支护作用中主要是提高拱部以上土体的承载力，加固隧道围岩和控制地表沉降，   确 保隧道施工安全 。 明确隧洞特殊地段管棚施工作业工艺流程 、 操作要点和相应的工艺 、 质量标准 ， 指导 、 规范管棚施工作业 。

2 .   适用范围

管棚主要适用于较大、大跨度隧道地 质破碎 、 覆盖浅的出入口 ， 地质破碎的浅埋段 ， 地面有 重要建筑物地段以及下穿河床 、 湖底或海底地段等 。

3 .   作业内容

本工艺主要作业内容为 ：   测量放样 、 平整场地 、 浇筑混凝土套拱 、 设备就位 、 钻孔 、 清孔 、 顶入管棚 、 安止浆阀 、 注浆 、 注浆效果分析 。

4.   质量 标准及检验方法

（ 1 ）    《公路工程质量检验评定标准》

（ 2 ）    《 施工专用技术规范》

（ 3 ）    《公路隧道施工技术规范》

（ 4 ）    《高速公路施工标准化技术指南》

5 .   施工工艺流程

图   5-1    施工工艺流程图

6 .   工艺步骤及质量控制

6.1   技术准备

（ 1 ） 会同设计 、 监理完成现场施工技术交底工作 。 组织测量部门进行管棚中心线进行复测 ， 对施工人员进行专项培训等 。

（ 2 ） 熟悉和分析施工现场的水文 、 地质等资料 ， 熟悉设计图纸并编制隧道进洞施工方案 ， 向 作业队施工人员进行技术 、 安全、质量、环保交底，确保施工过程中的工程质量和人身安全。

（ 3 ） 熟悉施工现场环境情况 。

（ 4 ） 施工前按设计要求选定各种原材料并进行配合比试配 、 选定 。

（ 5 ） 根据现场的地质情况进行实验确定注浆液的各种参数 ， 满足注浆要求 。

6 .2   施工准备

（ 1 ） 根据工程进展情况 ， 提前加工好棚管及相关配件 ；

（ 2 ） 检查机具设备和风 、 水 、 电等管线路 ， 并试运转 ， 确保各项作业正常运行 ；

（ 3 ） 洞口边仰坡以上的山坡危石应全部清除 ，   按设计做好边仰坡防护工程 。 开挖掌子面应喷 射混凝土封闭 ，   确保钻孔安全 。

6 .3   棚管加工

棚管常采用直径为 φ89mm 、 φ   108mm 、 φ 159mm 的无缝钢管制作 ， 管棚壁厚一般为 6 ～ 8mm 。 管 身钻孔 ， 孔眼直径 8～10mm ， 间距为 0.5m ， 梅花形交错布置 ， 最后 2m 不钻孔 ； 第一节棚管头加工 成锥形 ， 长度为 30cm ； 棚管间连接采用丝扣连接 ，   每节棚管前端加工成外丝扣 ，   后端加工成内丝 扣 ， 丝扣长度为 20cm；为防止浆液倒流，最后一节棚管尾部与止浆器连接，   止浆器采用长 30cm 棚管和   2cm   厚钢板制作而成 ，   中间有两个 Φ20 的圆孔 ，   以备注浆时和排气排水用 。 具体制作见图

6.3-1 。

图   6.3-1   棚管 注浆孔及螺纹制作图

棚管进场必须按批抽取试件作力学性能和工艺性能试 验 ， 其必须符合国家有关规定及设计要 求 ；

6 .4   地材

（ 1 ） 水泥   一般采用   42.5 级硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥 ， 对其安定性 、 凝结时间 、 强度及 其他必要的性能指标进行检验 ，   符合规定 。

（ 2 ） 砂子   宜采用中细砂 ， 砂的含泥量不大于 3% ，；

（ 3）水玻璃和外加剂。水 玻璃一般浓度 ：  25-40   波美度时 ； 水泥浆与水玻璃的体积比宜为1:1.1 ～ 1:0.3 。

6 .5   施工方法

6.5.1   管棚设计

根据隧道断面不同 ，   每环的根数也不同 ，   每环约   43   根 ，   环向间距一般为 40cm ， 根据特殊要 求 ，   间距可适当调小 ， 管棚断面布置示意图见图   5 ； 管棚的长度为 30m ， 管棚外插角 1° ，   管内注 浆多为水泥砂浆 ， 也有水玻璃 —水泥双液浆，根据地质情况，适当控制浆液的配合比和黏稠度；

注浆压力一般在 0.5 ～ 1.0MPa ， 终压为 2.0MPa 。 达到结束标准后 ，   停止注浆 。

图   6.5- 1   管棚断面布置示意图

6.5.2   管棚套拱施工

洞外套拱导向系统套拱部位开挖应现场地质条 件确定 ， 宜采用预留核心土开挖 ； 当地质条件 允许时 ， 可一次落到底 ， 要及时做好开挖面的防护工作 。 混凝土套拱作为施做长管棚的导向墙 拱在隧洞外轮廓线以外施做 ； 先架设 4榀@50cmI20b的工字钢钢架支撑 ， 钢支撑与管棚孔口管 焊连成整体 ； 孔口管作为管棚的导向管， 它安设的平面位置、倾角、外插角的准确程度将直接影 响管棚的施工质量 。 因此采用全站仪定出其平面位置 ； 用水准尺配合坡度板设定孔口管的倾角 ； 设定孔口管的外倾角 ； 孔口管须牢固的焊连在工字钢钢架上 ， 以防浇注套拱混凝土时发生位移 。 套拱施工工艺流程 、 孔口管纵向布置示意图和洞外管棚施工示意图见图 6.5-2图 6.5-3 。 混凝土浇筑后按要求进行养护 ， 待混凝土养护强度达到设计强度的   85%时开始管棚施工 。

6. 5.3   搭钻孔平台安装钻机

（ 1 ） 钻机平台用钢管脚手架搭设 ， 平台要支撑于稳固的地基上 ， 防止钻机在钻孔时产生不均 匀下沉 、 摆动 、 位移而影响钻孔质量 。

（ 2 ） 脚手架平台应一次搭好 ， 连接要牢固 、 稳定 ，   以保证工作平台的稳定性 。

（ 3 ） 开钻前首先对导管统一进行编号 ， 并用红油漆写在套拱上 。

（ 4 ） 钻机要求与已设定好的孔口管方向平行 。 用经纬仪 、 挂线 、 钻杆导向相结合的方法对钻 机进行定位 ， 反复调整 ，   确保钻机钻杆轴线与孔口管轴线相吻合 。

6.5.4   钻孔

（ 1 ） 钻孔选用比棚管直径大 20～30mm 合金钻头 。

（ 2 ） 打试验孔 ： 为保证长管棚施工质量 ， 在拱脚部位 ， 选 2个孔作为试验孔 ，   探明地层结构 ， 并进行注浆和砂浆充填试验 。

（ 3 ） 钻孔时按编号施工顺序从低孔开始 ，   由两侧往中间方向对称进行施工 ，   隔孔施钻 ，   钻孔 时钻机距工作面的距离一般情况下应不小于 2m ， 以方便接杆 、 退杆 。

（ 4 ） 钻机开钻时 ，   应低速低压 ，   待成孔   1m   后可根据地质情况逐渐调整钻速及风压 。 若钻进 过程阻力较大 ，   可退回   1m 左右 ，   多次反复 ， 阻力减小后继续钻进 。

（ 5 ） 钻进过程中经常用测斜仪测定其位置 ， 并根据钻机钻进的状态判断成孔质量 ，   及时处理 钻进过程中出现的事故 。

（ 6 ） 岩质较好的可以一次成孔 。 如果钻进时产生坍孔 、 卡钻时 ， 需补注浆后再钻进 。

（ 7 ） 认真作好钻进过程的原始记录 ， 及时对孔口岩屑进行地质判断 、 描述 ，   作为洞身开挖时 的地质预测预报参考资料 ， 以便指导洞身开挖 。

6.5.5   清孔验孔

（ 1 ） 用地质岩芯钻杆配合钻头进行反复扫孔 ， 清除浮渣 ， 确保孔径 、 孔深符合要求 ， 防止堵 孔 。

（ 2 ） 用高压风从孔底向孔口清理钻渣 。

（ 3 ） 用全站仪 、 测斜仪等检测孔深 、 倾角 、 外插角 。

6.5.6   安装管棚钢管

（ 1 ） 接长钢管应满足受力要求 ，   相邻钢管的接头应前后错开 。 同一横断面内的接头数不大于 50% ， 相邻钢管接头至少错开   1m 。 加工钢管时将钢管进行配管和编号 ， 管棚单序孔第一节长   6m ， 双序孔第一节长 3m ， 其余管节长度均为 6m 。

（ 2 ） 钢管在专用的管床上加工好丝扣 ， 丝扣一般长不少于 15cm ； 导管四周钻设孔径 8 ～ 10mm 注浆孔 ， 尾部 2m 不钻孔 ； 孔间距 50cm 呈梅花型布置 ； 管头焊成圆锥形 ，   便于入孔 。 为增强钢管

的刚度 ， 可在钢管内安装钢筋笼 。 如图   6.5-7 。

（ 3 ） 钢筋笼由四根 Φ18 主筋和固定环组成 ，   固定环采用短管节 ，   将其与主筋焊接 ， 按 1m 间 距设置 。

（ 4 ） 钻孔检查合格后 ，   将钢管连续接长 ：   当前一根钢管推进孔内 ，   孔外剩余 30 ～ 40cm 时 ， 开动钻机反转 ，   使顶进联接套与钢管脱离 ， 钻机退回原位 ， 人工装上后一节钢管 ， 大臂重新对正 ， 钻机缓慢低速前进对准前一节钢管端部（严格控制 角度 ）， 人工持链钳进行钢管联接 ， 使两节钢 管在联接处联成一体。钻机再以冲击压力和推进 压力低速顶进钢管 。 棚管顶入完成后人工顶入钢 筋笼 。

（ 5 ） 钢筋笼顶进后即在棚管端头焊接止浆板 ， 中间焊有注浆管 ， 管口拉丝   2cm ， 以备连接止 浆阀 。 棚管端头大样见图   6.5-8 。

6.5.7   注浆

（ 1 ） 安装好棚管后使用锚固剂将孔口管及棚管间缝隙封闭住 ，   喷混凝土封闭工作面 ， 达到强 度后方可对孔内注浆 ， 注浆前备足止浆阀 。

注浆材料可采用单液或水泥 -水玻璃双液 ，   水泥砂浆等 。 注浆参数 ：   水泥浆与水玻璃体积的比 例为   1 ： 0.5 ； 水泥浆水灰比   1 ： 1 ； 水玻璃浓度   35 波美度 ； 水玻璃模数 2.4 。

（ 2 ） 采用注浆机将浆液注入管棚钢管内 ，   注浆压力初压宜控制在 0.5～1.0MPa 为宜 ， 终压宜 控制在   2.0MPa   为宜 ， 持压 15min 后停止注浆 ， 拧紧止浆阀 。

（ 3 ） 止浆阀待砂浆凝固后卸下 ，   清洗后循环使用 。

（ 4 ） 注浆时先灌注 “单”号孔 ，   待 1～2 天固结后 ， 再灌注 “双”号孔 。

（ 5 ） 注浆量一般为钻孔圆柱体的   1.5   倍 。 若注浆量超限 ， 未达到压力要求 ，   应调整浆液浓度 继续注浆，直到符合注浆质量标准，确保钻孔周围岩体 与钢管周围孔隙均为浆液充填 ， 方可终止 注浆 。

（ 6 ） 注浆过程中压力突然升高 ， 可能发生堵管 ， 应停机检查 ； 注浆进浆量很大 ，   压力长时间 不升高 ， 则应调整浆液浓度及配合比，缩短凝胶时间，进行小量低压力注浆或间歇式注浆，   使浆 液在裂隙中有相对停留时间 ， 以便凝结，   但停留时间不能超过混合浆的凝胶时间，才能避免产生注浆不饱满 。

7.   施工机械设备及工艺准备

主要施工机具设备见表 7-1 。

表   7- 1   施工机具设备表

8.   作业组织

表   8 -1   劳动力组织表

9.   生产效率

Ⅴ级围岩单孔   (30m)   钻孔时间 2-4 个小时 ，

10.   质量 标准

质量控制标准 及检验方法

（ 1 ） 管棚所用钢管的质量 、 规格和数量必须符合国家有关规定及设计要求 。 检验数量 ：   全部检查

检验方法 ：   检查每批质量证明文件并进行相关性能试验 ，   观察 ， 尺量 。

（ 2 ） 管棚搭接长度应符合设计要求 。

检验数量 ：   全部检查 ；

检验方法 ：   观察 ， 尺量 。

（ 3 ） 钻孔的孔位 、 外插角 、 孔径施工允许偏差和检验方法应符合表   10-1   的规定 。

表   10-1   管棚施工允许偏差（ mm ） 和检验方法表

（ 4 ） 注浆浆液强度和配合比应符合设计要求 ，   且浆液应充满钢管及周围的空隙 。 检验数量 ：   全部检查 。

检验方法 ：   查施工记录的注浆量和注浆压力 ，   观察 。

11.   质 量保证措施

（ 1 ） 钻孔前 ，   准确测定孔的平面位置 、 倾角 、 外插角 。 并对每个孔进行编号 。

（ 2 ） 严格控制钻孔断面位置 ， 管棚不得侵入隧道开挖线内 ， 相邻的钢管不得相撞和立交 。

（ 3 ） 孔口管作为管棚的导向管 ， 它安设的平面位置 、 倾角 、 外插角的准确度直接影响管棚的 质量。在安装前用测量仪器以坐标法在工字钢架上定出 其平面位置 ； 用水准尺配合坡度板设定孔 口管的倾角 ； 并与工字钢架焊牢 。

（ 4 ） 配备专职量测人员 ， 随时监测钻孔的方向及仰角 ，   做到勤测勤纠 ，   确保精度控制在允许 误差内 。 若发现偏差超限时及时纠正 ， 至终孔仍超限者应封孔 ， 原位重钻 。

（ 5 ） 清孔时做到管内清洁 ， 注浆孔无堵塞 ， 安置集料斗收集渣土 ，   保持工作面的整洁 。

（ 6 ） 管棚注浆压力和注浆量双控标准 ， 注浆中如发生与其他孔串浆应将串浆孔堵住 ， 轮到注 该孔时 ， 拨出堵塞物，用高压风或水冲洗，如拨出堵塞物时，仍有浆液外流，则可不冲洗，   立即 接管注浆。压力突升则可能发生堵管，应立即停机检查 处理 。 如果压力长时间上不去 ， 应检查是 否窝浆或流往别处 ， 否则将应调整浆液配比，缩短胶凝时间，进行小泵量低压或间歇注浆，   但间 歇时间不能超过浆液胶凝时间 ，   以保证管棚刚度并填充钢管与管周土体间空隙为要。

（ 7 ） 选用钻机首先应适合钻孔深度及孔径的要求 ， 钻机要求平稳灵活 ， 能在水平 360°范围 内钻孔 ， 施钻时应有导向架 。

12.   常见问题及处理方法

钻进中发现孔斜明显超限，须查明原因，   采取有效纠偏措施，   例如：调整角度或补打等。

13.   安 全及环保要求

13. 1   安全控制要点及措施

（ 1 ） 施工前对机械设备进行全面的检查保养 ，   保证设备的正常运转 。

（ 2 ） 施工设备定位稳定 ， 固定牢固 ，   防止钻进时发生位移 。

（ 3 ） 钻孔平台上做好栏杆 ， 防止高空坠落 。

（ 4 ） 注意电器的接地以及电缆的防护工作 ， 杜绝漏电事故的发生 。

（ 5 ） 注浆前必须牢固封闭钢管端部与孔口管间的空隙 ，   采用锚固剂封闭 ，   达到强度后方可进 行压浆施工 ， 压浆过程中管口正面杜绝人员逗留 ，   防止浆液喷出伤人 。

（ 6 ） 施工过程中随时处理掌子面的渣土和撒漏浆液 ， 保持掌子面干燥 。

（ 7 ） 注浆人员必须佩带防护用品 ， 防止浆液对皮肤的损害 。

（ 8 ） 施工过程中人员设备较多 ，   派专人现场协调指挥 ， 杜绝混乱场面造成安全质量事故 。

13.2   环 境保护

（ 1 ）    洞内作业，设置和维护好通风和排水设施，   防止粉尘含量超标和施工场地污染。

（ 2 ） 洞外 ， 维护好工地范围内的排水系统 ， 确保排水通畅 ， 防止水泥泞 ， 防止因排水不畅而 导致的水土流失 。

（ 3 ） 施工机械维修产生的含油废水 、 须经生化处理达到排放标准后方能排放 ， 施工废水按有 关要求进行处理达标后排放 ， 不得污染周围水环境 。

（ 4 ） 废碴和施工弃碴要运往指定的弃土场 。

14.   质量记 录表

（ 1 ） 钻孔工序卡片

（ 2 ） 注浆工序卡片

（ 3 ） 钻孔施工记录

（ 4 ） 注浆施工记录