T76L自进式管棚施工技术在浅埋破碎围岩隧道中的应用

T76L 自进式管棚施工技术在浅埋破碎围岩隧道中的应用

作者：王鹏云

（中铁二十局集团第六工程有限公司，陕西省西安市， 710016）

摘 要：为解决隧道浅埋破碎围岩段易出现塌孔、顶管困难等一系列难题，提高隧道施工安全及经济效益，满足隧道施工进度要求。以阜川隧道DgK272+335~DgK272+380浅埋段施工为实例，施工中运用数据实时监测、信息汇集整合、精准深度分析及结果全面反馈等控制手段，得出T76自进式管棚在浅埋破碎围岩的超前支护中，可提高支护强度、增加施工安全，提升施工效率、降低劳动强度的结论。

关键词：T76L自进式管棚；破碎围岩；隧道；超前支护

引言：隧道施工在通过浅埋、破碎、断层等地段时，塌方事故时有发生，造成项目工期及效益目标难以实现。而传统的管棚支护主要采用钻孔插入无缝钢管的施工方法，施工效率低、成本高、质量无法保证。T76L自进式管棚采用钻孔顶管同步进行的施工方式，能有效提高施工效率、减小劳动强度、降低施工成本，最终达到项目的工期及效益目标。本文以T76L自进式管棚施工工艺在阜川隧道DgK272+335~DgK272+380浅埋破碎段施工为实例，通过对施工参数、施工要点、施工效果及传统管棚对比等多方面分析，体现出T76L自进式管棚的优越性，为类似工程提供参考。

1、工程概况

西成客运专线陕西境内北起西安市，南至宁强陕川界，是我国“八纵八横”高速铁路主通道之一，也是首条穿越秦岭的高速铁路，桥隧占比高达90%以上。阜川隧道属一级高风险隧道，地质结构复杂多变，易出现突泥突水、断层破碎带等地质情况。隧道进口DgK272+335~DgK272+380浅埋破碎段，地表呈“V”字型冲沟，汇水量大，最小埋深为26m。洞内特殊岩土主要为页岩夹砂岩，局部夹灰岩条带，青灰色，泥质结构，层状构造，围岩节理页理较发育，岩体破碎，裂隙水发育。

2、自进式管棚施工技术

2.1施工参数

（1）T76L自进式管棚性能：抗拉力极限极限值1200KN，管棚延长率8%，壁厚大于等于9.5mm，施工中由3根4m+1根3m自进式管棚组合连接。

（2）管距：环向间距60cm

（3）管棚倾角：外插角控制在6-8°范围内，实际情况发生变化时可适当调整。

（4）施作范围：拱顶１４４°范围内。

（5）注浆：注浆由水泥1:1水泥浆及水泥砂浆组合而成，围岩加固采用水泥浆，管内采用水泥砂浆填充。具体布置详见图1、图2

图1 T76L自进式管棚布置图 图2 T76L自进式管棚超前支护纵向布置图

2.2T76L自进式管棚施工方法

2.2.1施工流程

T76L自进式管棚施工主要包括设备安装、钻孔、终孔、注浆等工作，具体施工流程如图3所示。

图
3 自进式管棚自进式管棚图

2.2.2施工方法

2. 作业平台开挖平整：首先进行管棚钻孔(施工超前小导管时不用扩挖)作业空间的扩挖，其扩挖长度为管棚施工里程往后7～10m长度范围，扩挖宽度为0.5～0.7m。利用开挖台阶作为管棚钻机施工平台。详见图4

图4作业平台搭建

3. 设备安装就位：T76L自进式管棚施工采用MGY-90型钻机。依据管棚设计中心线、高程及角度，精准安装钻孔导轨。转机平台要安装在坚硬稳固基础上，能够承受钻机反推力及向下压力，钻孔时钻头不发生倾斜、下沉、偏移等现象。

4. 管棚及钻头安装：钻机安装完成正式进入管棚施工，将T76D115EXX合金钻头安装至第一节管棚端头，手动扭转砖头，确保钻头不松动即可，检查钻机上的风水管畅通。

5. 管棚定位钻进：在钻孔前，测量人员对钻孔导轨进行复测，进一步精确导轨及管棚位置，喷射混凝土增加导轨稳定性。最后调整钻机角度开始钻进，保证管棚的方向、坡度和精度，详见图4

图4管棚钻进施工

（5）管棚连接：管棚由3节4米钢管和1节3米钢管共计15米连接而成，采用Φ92X150mm连接套连接，连接套选择正反丝套筒，每完成1节管棚钻进，及时清理管内杂物，以此循环钻进。

（6）撤掉钻机：管棚钻进到设计深度后，手动锁紧卡钎器，缓慢反向转动钻杆，将管棚从钻机上卸下，管棚钻孔结束。移开钻机。继续钻进安装下根管棚。

（7）注浆：钻孔结束后，在管棚尾部安装注浆接头，连接注浆管及注浆设备，先配制1：1水泥浆，水灰比在0.38~0.45之间，注浆压力在1～2MPa，终压控制在5MPa左右；待达到终压后及时更换浆液，采用M10水泥砂浆将管棚填充饱满，增强管棚自身强度。

2.3施工注意事项

钻孔机要安装在稳固台阶上，可采用枕木铺垫，防止钻孔时产生不均匀下沉，造成钻机位移，影响管棚施工质量。管棚需按设计位置施工，采用全站仪、挂线、导轨等多种方式，调整管棚钻头位置及钻机角度，减小定位偏差。

开始钻进时，先保持低速钻进，减少空位偏差，待钻进1m后，根据地质情况逐渐调整钻速，最终保持在120转/min 左右。钻进过程中严格控制管棚打设方向及钻进速度，并做好每个钻孔地质记录。

钻孔结束后，在管棚内注入M10水泥砂浆至充填饱满，以提高管棚强度，增强管棚的抗压能力。

3、自进式管棚效果分析

3.1钢拱架变形监测

选取DgK272+340 和DgK272+370断面进行钢拱架应力监测，测试结果如表1、表2 所示。

根据表1和表2可以得出， 隧道在开挖时，钢拱架所受应力逐步增大，待钢棚、钢拱架等支护体系逐步发挥作用，应力达到最大值，围岩逐步趋于稳定，应力值逐步减小。通过应力监控数据，拱顶、弓腰处钢拱架应力偏大，但钢拱架受力均未超过规定要求。

3.2围岩变形情况

同样选取DgK272+340 和DgK272+370断面进行拱顶下沉及洞内周边收敛监测，拱顶下沉测点布置在拱顶，每个断面上设一个测点，隧道净空周边位移测点每个断面上布置4个测点。测试结果如图5、图6所示。

图5 DgK272+340围岩监测变化趋势 图6 DgK272+370围岩监测变化趋势

由上图可以判断，拱顶沉降和周边收敛在开挖上台阶和中台阶时增加较快，开挖下台阶时增加较为缓慢，拱顶下沉和周边收敛无急剧增长现象，增长趋势符合三台阶七步开挖法的情况，隧道沉降和收敛值在安全范围内。由此可以看出，T76L自进式螺旋注浆管棚的支护效果较好。

4.1自进式管技术与传统管棚施工对比分析

安全、质量、进度、效益四要素决定着项目的成败，本文主要从此四要素方面对自进式管施工技术与传统管棚施工技术进行分析，具体分析情况如下：

2. 安全对比分析

T76L自进式管棚抗拉力不小于1200KN，屈服力达到1000 kN，传统无缝无缝钢管抗拉力800KN，屈服力400KN，相比较T76L自身支护刚度较大。DgK272+340 和DgK272+370断面围岩量测变化最大为拱顶，最大下沉量50mm，而洞口传统管棚围岩量测数据最大下沉量为95mm，远远大于T76L自进式管棚。通过以上对比分析，T76L管棚更能有效抑制外部岩体变形，减少隧道浅埋破碎地段小规模塌方现象，为开挖支护提供有效的施工空间，争取足够的施工时间为隧洞施工安全提供强有力的保障。

3. 质量对比

T76L管棚除对周边岩体进行注水泥浆外，在管内填充水泥砂浆，进一步提高围岩整体性和自身抗压强度。更能清晰展现开挖界限，有效的抑制浅埋破碎地段超挖现象及局部小规模坍塌问题，为隧道整体施工质量提供保障。

4. 进度对比

传统管棚施工一般采用一次性转孔、一次性插管的施工方法，此工艺受地质情况干扰较大，在浅埋破碎地或一次性钻孔深度较大时容易造成塌孔，对插管造成不利影响。塌孔较轻时需反复清空，较严重时需重新转孔，直接影响管棚及开挖进度。同时在插管过程中，顶进压力多为人工经验所得，控制稍有不当，易损坏管体。自进式长大管棚优化了钻孔施工工艺，以管棚作为钻杆，钻孔顶进同时进行，管棚一次到位，解决了塌孔造成的返工及管提易受损问题。阜川隧道DgK272+335~DgK272+380段总开挖长度45m，2014年5月13日开始施工，于2020年6月27日完成，施工用时共计45d，其中管棚施工时间7d，开挖施工时间38d，每天平均掘进长度1m，与按常规方法开挖Ⅴ类围岩每天掘进长度0.8m相比，施工进度明显提升。

5. 效益对比

Ⅴ级围岩段T76L自进式管棚与 ϕ 89×5钢花管管棚施工情况对比见表3。

通过以上数据对比分析，与传统管棚相比自进式管棚管棚的钻机使用率提高55%，施工效率高出40%，工期由原计划56天缩短至45天；施工人员由8人减少至2人，人工费节约13200元，机械费节约27000元，材料费高出约27000元，喷生混凝土节约90956元，综合评估材料、机械设备和施工效率等各方面因素，自进式管棚施工整体节约104156元，工期缩短11天，有利于项目隧道施工管理。

4、结论

综上所述，通过阜川隧道浅埋破碎地段采用T76L自进式管棚施工经验，得出以下结论

2. T76L自进式管棚施工成功解决了传统管棚在浅埋破碎围岩施作时堵孔、顶管困难等问题，保证了施工的连续性。

（2）T76L自进式管棚施工有效的提高了施工效率、减小了劳动强度，缩短了施工周期及初期支护闭合时间，隧道围岩稳定得以保障，施工安全大大提高。

（3）T76L自进式管棚支护通过管内注浆及掌子围岩高压注浆，浆液使管棚和围岩胶结成一体，既提高了塑性区围岩的强度，也提高了管棚支护体系刚度，进而使塑性区内围岩体的承载能力得以提高，有效控制了围岩变形。

（4）从隧道浅埋破碎地段洞内位移收敛情况、钢拱架监测结果来看，该工艺支护效果较好，内力和变形没有发生明显的增大，隧道初期支护结构受力稳定。

综合来看，T76L自进式管棚有效的提高了施工效率、缩短了工期、降低了施工成本，增大了施工安全，为后续同类工程预支护提供了参考。

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作者简介：王鹏云（1987年6月出生），男，中铁二十局集团第六工程有限公司，研究方向：隧道工程。18109222985，1987999899@qq.com，陕西省西安市未央区广安路3619号。