基于浅埋暗挖施工的新型大管棚预加固技术研究

基于浅埋暗挖施工的 新型大管棚预加固技术研究

张雪兰 郭新梅

商丘工学院 476000

摘要：本文研究新型大管棚预加固技术是通过在隧道的拱顶部位钻入优化设计的大管棚，并调整注浆工艺对拱部位置区域围岩加固并施工改良袖阀管联同受力的预加固技术。通过优化传统大管棚的设计有效克服了现行的管棚施工工艺存在管棚精度较差、一次施工的长度过短，施工效率较低，容易发生塌孔现象等缺陷，有效保证浅埋暗挖开挖、支护、衬砌施工的安全进行。

关键词：浅埋暗挖；施工；加固技术

1新型大管棚预加固设计研究

1. 1新型大管棚设计

传统大管棚设计通常采用直径108mm无缝钢管，环向间距300~400mm，钢管上设注浆孔，孔间距20cm左右，梅花型布置。

传统大管棚施工时通常采用先成孔再安放管棚的方法，遇砂层容易塌孔。管棚与管棚之间有200~300mm的间距，开挖时容易出现漏水及涌沙的现象。同时，在砂层安放钢管时，钢管上的注浆孔容易在安放管棚的时候被沙粒堵塞，影响注浆的均匀性。通过将管棚改造成自进式钻进并在钻头增加止回阀的方式，有效克服了传统大管棚施工的缺点。改良后的大管棚采用跟管钻进，钻头采用直径220mm钻头，钻头与直径108钢管牢固连接。改良后的钻进方式使管棚周围形成较大的空间，管棚与管棚之间基本能形成紧密结合。同时，管身不设注浆孔，采用端头止回阀，从端头重复注浆，能将管棚周围的泥浆从里到外排出孔外，从而使管棚周围220mm的空间填充满水泥固结体。重复注浆更能提高注浆效果。

1. 2新型大管棚钻头设计及加工

本课题研究的大管棚钻头设计成“扇页”形，管棚的钻头钻进的直径大小为直径220，大管棚钢管采用的是直径 108管棚，大管棚按照2.0m~3.5m短节进行加工拼接，采用丝扣进行短节的连结，钻头与大管棚之间采用套筒连接，管棚与钻头连结紧密。

在设计时，考虑到了钻头直径要比管棚直径大，所以通过钻头钻取的孔洞比管棚要大，这样就避免的管棚需要钻进才能打入。从而减少管棚钻孔的施工成本及时间，同时，施工的时候加强钻头前端护壁效果。

设计“扇形”钻头的另外一个优势是在扩孔钻进过程中，可以大程度上降低发生塞钻、卡钻的机率，同时还可以加快切碎泥层的速率，达到彻底搅拌成泥浆的效果。因为钻孔的钻头直径比大管棚直径大，这样在施工中，钻孔形成泥浆护壁，从而降低了坍孔的几率。

大管棚是与钻头直接连接的，这样在施工过程中就避免了先钻孔再施工管棚的工序，而是一次性钻孔放置管棚。达到了缩短施工时间的效果，同时避免了时空效应，降低了由于钻孔后未能及时注浆充填而导致坍孔的机率。

同时，在设计大管棚时，考虑到了大管棚的注浆严密性，设计在距离钻头50mm的位置加装了止回阀，这样在大管棚注浆的时候，浆液就可以顺畅注入，避免了管棚堵塞。同时在管棚的钻进过程中还减少了水土的流失，控制了施工部位的地表面沉降，确保路面安全。在大管棚上设置止回阀，在注浆的时候可以充当自动阻止注浆时候发生的阀门。具体的工作过程如下:当进口侧泥浆浆液的压力大于泥浆出口侧时，止回阀开启，开启之后泥浆就从管棚的测孔中流出，当口侧泥浆浆液的压力小于泥浆出口侧时，止回阀的阀瓣因为注浆浆液的压差以及自身重力的作用下，止回阀自动关闭，此时泥浆就停止了倒流。

2新型大管棚施工工艺研究

2. 1管棚成孔工艺研究

大管棚成孔前，首先在洞口位置设置管棚的固定端，一般选择套拱，接着在混凝土围护桩内预埋孔口管。

成孔前，洞口需设混凝土套拱作为管棚的固定端，同时，在NT围护桩内预埋孔口管；孔口管采用直径220 X 5mm热轧钢管，每节长1. 0m，环距30cm布置，孔口管与混凝土套拱钢筋焊为整体，注意焊接前检查和校正角度，钢管沿隧道周边以1°外插角打入围岩。安装孔口管时必须测量准确及安装稳固，保证孔口管的方向、角度符合设计要求。因为孔口管在开孔阶段具有导向作用，所以孔口管安装的好坏，对成孔质量有直接的影响。孔口管安装位置偏差不大于1cm，方向偏差簇1%。但是在钻孔及注浆过程中，机械运转时产生的振动会使孔口产生偏移，因此，在孔口位设置定位板，有效固定管棚钢管位置，将产生的位置偏差控制在允许范围内。同时，在施工过程中，测量方向后视点，在钻进过程中多次复核方向和角度，钻孔每隔5m测定孔斜，若钻孔偏斜过大时，用特殊钻头修正；若钻孔向下偏斜，可在偏斜部位充填水泥砂浆，待其凝固后再作导向钻进。

成孔质量是本研究项目的关键所在，因为开孔直径大于管棚直径，必须采取有效措施防止钻进过程坍孔或卡钻，研究小组根据实验，最后采取的措施是采用混合浆液护壁，混合浆液由水泥、膨润土经试钻确定护壁浆液配比。

钻进时由管棚直接压入混合护壁浆液，止回阀可有效防止浆液倒流，加强了钻进过程的护壁效果。

2. 2管棚注浆工艺的研究

距离钻头50 mm的位置设置止回阀，止回阀是能自动阻止注浆时发生泥浆倒流的阀门，止回阀的阀瓣在浆液压力作用下开启，泥浆从管棚侧流出。当进口侧压力低于出口侧时，阀瓣在浆液压差、本身重力等因素作用下自动关闭以防止泥浆倒流。这种设计使泥浆能充分充填孔洞，减少加快完成回填注浆工作，减少坍孔的可能性。先用直径22小管布置在直径108管棚外侧孔口段3. 5 m范围注入双液浆(水泥+水玻璃)，起到封口作用。

采用分次注浆，先用双液浆(水泥+水玻璃)注入，利用注浆压力将泥浆从管棚侧预留孔压出，使管棚四周充满浆液。然后，第二次注浆为对管棚充填采用标号42. 5水泥，按水灰比1:1~1:0. 8配制水泥浆。当管棚充填注浆至孔满后，采用棉布和木塞封堵孔口进行压浆。最好，在定位板预留的注浆孔内进行补偿注浆。由于定位板同时起到“封口板”的作用，在注浆注满孔时，有效阻隔泥浆流失，使浆液充分充填于孔内，提高浆液充填质量，同时，减少了管棚与管棚间的间隙。

2. 3管棚施工质量保证措施

2.3.1安装孔口管

必须测量准确及安装稳固，保证孔口管的方向、角度符合设计要求。因为孔口管具有开孔阶段的导向作用，所以孔口管安装的好坏，对成孔质量有直接的影响。孔口管安装位置偏差不大于1cm，方向偏差簇1%。

2.3.2成孔偏斜修正

钻孔每隔5m测定孔斜，若钻孔偏斜过大时，用特殊钻头修正；若钻孔向下偏斜，可在偏斜部位充填水泥砂浆，待其凝固后再作导向钻进。

2.3.3防偏措施

(1)钻机安装要牢固、平稳；精确测量，准确对中，瞄准方向；

(2)测量方向后视点，在钻进过程中多次复核方向和角度；

(3)采用加长导向管钻具钻进；

(4)采用小压力慢转速钻进参数，控制进尺速度；

(5)钻头穿过软、硬层界面处时，应把钻具往复多次穿越界面扫孔。

2.3.4成孔深度

钻孔深度应较管长或设计孔深多0. 5~1. 0m。

2.3.5管棚安装

钢管按编号依次安装入孔，丝扣联接应拧紧并设置专人检查。

2.3.6材料质检

工程所用主要材料如水泥、钢管、砂等须抽样送检，检测合格后才能使用。

2.3.7管棚施工前应先进行编号，先进行奇数号管棚的施工，管棚注浆完成后再施工偶数号管棚，以检查管棚施工质量。

2.3.8注浆采用分次注浆，并保证注浆压力达到1. 5~2.0Mpa。

3小结

本文主要阐述了新型大管棚采用自进式钻头进行扩孔钻进，成孔直径达220 mm；设计的钻头直径比钢管大，在钻进施工中，就形成了泥浆护壁，从而可以防止钻孔塌陷。因孔径更大，大管棚施工的时候，不会或者较少接触孔壁，同时减少了钻孔的成本与时间。大管棚与钻头同时进入，避免了传统工艺中两个工序分开，缩短了大管棚钻入的时间，避免了因时空效应而发生塌孔的现象。减少由于注浆充填不够及时而导致坍孔。新型大管棚的设计有效克服了现行的管棚施工存在的缺点，有效保证浅埋暗挖开挖、支护、衬砌施工的安全进行。

参考文献：

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