大断面软弱围岩大管棚施工方案

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  中图分类号:TU74 文献标识码:A 文章编号:
  1引言
  随着经济发展,为缓解经济社会发展带来的巨大交通压力,近几年来,我国大力发展公路、铁路和城市地铁等基础交通设施,其间修建了大量的隧道。在隧道的施工过程中,经常会遇到一些软弱、破碎地层,地质条件较差,围岩稳定和结构变形控制很难满足隧道施工和环境安全,为了确保隧道施工能够安全通过软弱地层,需要选取一些辅助施工方法对地层进行预加固,以保持隧道掌子面和地表稳定。本文就软弱围岩的大管棚施工做了研究,以便今后洞内大管棚施工或洞口大管棚进洞施工提供技术参考。
  2工程概况
  成昆铁路广通至昆明段扩能改造工程秀宁隧道位于禄丰南站与双湄村站之间,设计为时速200km/h双线隧道。进口里程为DK993+173,出口里程为DK1006+360,全长13187m。出口段位于半径为5000m的左偏曲线上,其余位于直线上。洞内设计为单面上坡,其中进口端11727m为11‰的上坡、出口端1460m为9‰的上坡。隧道主要地质为古老的昆阳群变质岩地层,隧道最大埋深约550m。隧道出口DK1005+850~DK1006+360(510m)段通过罗次~易门大断裂。
  2.1工程地质条件
  出口DK1005+850~DK1006+360(510m)段通过罗次~易门区域性大断裂,断层破碎带宽度约800~1000m。自施工以来揭示围岩均为断层角砾,富水,呈饱和状。岩体由糜棱化的炭质板岩、变质砂岩、白云岩角砾碎石及黏性土挤压组成,粒径小于4cm。秀宁出口段隧道拱顶最大埋深约为70m,隧道周边围岩均为断层角砾,极破碎,由糜棱化的炭质板岩、变质砂岩、白云岩角砾碎石及黏性土挤压组成,而且富水呈饱和状,其中有不规则的泥囊分布,围岩等级为VI级,
  2.2出口段水文条件
  秀宁隧道出口段下穿龙潭水库的库尾部分。龙潭水库库顶位置相对正线里程为DK1006+226,位于线路左侧,距隧道中线158.5m,库尾位置相对正线里程DK1005+866,位于线路右侧,距隧道中线94.7m,龙潭水库与隧道斜交,交点里程为DK1005+975,龙潭水库对隧道影响范围投影长度为366m。该水库库容约9.4104m3,最大水深10.8m,最小水深2.5m,隧道下穿水库处水深5.4m,拱顶以上埋深9.8m(含淤泥层2.5m),实际隧道埋深约6.8m,龙潭水库与隧道的纵断面位置如图1所示。
  
  
  图1 隧顶龙潭水库
  2.3 工程难点
  秀宁隧道出口段开挖揭露,掌子面及侧壁围岩层理、片理清晰,层厚小于2cm,压碎严重,扭曲,松散易自滑,岩体呈角砾碎石夹土状镶嵌。该断层角砾对水的敏感性很强,洞身开挖时地下水迅速下渗导致掌子面及侧面岩体溜坍呈泥石流状缓慢移动,开挖后20~60min左右,频繁出现剥落掉块和溜坍等失稳现象,自稳性极差,施工困难。
  秀宁隧道出口段施工断面大,地质条件差且需下穿水库,围岩为VI级糜棱岩,极不稳定,易松弛变形,开挖困难,导致隧道工期严重滞后,这些情况是在以往的山岭隧道建设中极少遇见的,如何安全快速施工,穿越不良地层,这是目前在秀宁隧道出口段建设中所遇到的难题。
  3管棚施工方案
  参照,秀宁隧道出口工程施工设计图大管棚的施工要求进行编制。管棚每个循环纵向长度为25米,开挖20米搭接5米,每个循环40根。环向间距40cm
  3.1管棚设计
  大管棚加固范围为DK1006+152~DK1005+850,管棚单根长20米,管棚环向间距为40cm。管棚采用外径φ108mm、壁厚10mm热扎无缝钢管,两段车丝,丝口深度为2cm,丝口长10cm。沿隧道周边以3°外插角设置。管棚布置如图2所示。
  3.2施工工艺
  管棚施工工序流程图如图3所示:
  
  
  图2 管棚布置断面图
  
  图3管棚施工工艺流程图
  3.2.1管棚施工准备
  秀宁隧道出口由于采用全断面超前注浆,已经有注浆施工的平台和止浆墙,全断面的止浆墙作为导向墙,做好现场清理,准备管棚的孔口管(带法兰盘),以及做好相应的引水和排水设施。
  3.2.2平整施工场地
  管棚施作采用意大卡萨C6钻机施工,需预留一操作平台(即全断面超前注浆钻机工作平台),要求操作平台平整、密实,否则会影响钻机的性能,引起机械故障。操作平台示意图如图4所示。
  
  
  图4 操作平台示意图
  3.2.3施作管棚导向墙和导向管
  导向墙施工(止浆墙施工):导向墙采用C20混凝土,上口厚2.5米,下口厚为3.5高6.5米,止浆墙砼嵌入围岩底部1.5米,即净高为5米,管棚施工的高度为4米,待全断面注浆完毕,采用废渣将平台垫高至4米后再施工管棚。环向长度可根据具体工点实际情况确定,但要保证其基础稳定性,导向墙数量一般按拱部140°计算。为保证长管棚施工精度,导向墙内设2榀I18工字钢架。
  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。用经纬仪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;用前后差距法设定孔口管的外插角。孔口管应牢固焊接在工字钢上,防止浇筑混凝土时产生位移。导向管的安设在钢架外缘设Ф140mm壁厚10mm导向钢管,钢管与钢架焊接。
  3.2.4钻机风动成孔
  管棚在钻孔时如采用水钻成孔,对地层扰动比较大会造成塌孔,为此采用风动成孔方法,对钻孔周围土体具有挤密作用。采用Φ120mm的潜孔钻头沿预埋的管棚导向管风动钻孔,直至钻进到设计深度,然后将钻杆全部退出。
  3.2.5安装管棚
  将带有钻头的管棚安装到钻机上作为钻杆直接钻进,管棚通过丝扣进行连接,为确保连接质量,可在管棚连接处的外壁上绑焊几根φ6mm的钢筋,直至钻进到设计深度。管棚采用外径为φ108mm×8mm的热轧无缝钢管,每节长3.1或2.1米,两端设有丝扣,公丝和母丝长度均为10cm,其中除最后一节管棚预留1.5米不设溢浆孔外,其余每节管棚上沿管棚2两条垂直直径布设四排对称溢浆孔。溢浆孔由内孔、外孔和贴片组成,加工时首先采用冲击钻钻设孔径为φ4.5mm的内孔,孔深8mm,然后采用铣刀进行铣孔形成外孔,外孔孔径为φ10mm,且外孔与内孔同心,外孔深2~3mm,使外孔和内孔呈“凹”形,将φ10mm贴片(可用易拉罐)的一半涂抹哥俩好胶水,然后粘貼在外孔台阶上即可。同一排的注浆孔间距为50mm,相邻两排注浆孔呈梅花型布置,管棚加工示意图如图5所示。
  管棚有效加固长度为20米,止浆墙的厚度,管棚的实际施工长度应为21。在管棚施工时若管棚编号为奇数,安装管棚时最里面一节长2.1米,其余各节长3.1米。安装管棚时将2.1米和3.1米交差布置,这样可以使相邻2根管棚上的连接头交错开,不在同一断面上,可以提高管棚的整体支护性能。
  
  
  图5 管棚加工示意图
  3.2.6管棚孔口端锚固
  为避免注浆时浆液从管棚外壁与钻孔之间的缝隙冒出,在钻进到最后一节管棚时,在管棚端头外壁上缠绕麻丝并涂抹锚固剂,将管棚锚固好。
  3.2.7清孔
  在安装管棚的过程中,由于塌孔等原因,使得管棚内不可避免淤积一定量的渣土,需对管棚进行清孔后方可注浆。待锚固剂达到一定强度以后可采用φ63.5mm的钻头在管棚内部钻进,边钻进边用水冲洗,将渣土冲出孔外,直至钻进到管棚底部,待管棚内渣土基本清除干净后退出全部钻杆。
  3.2.8注浆
  管棚注浆采取分段后退式,分段长度为3~5米,直至整根管棚注浆结束。管棚注浆采用普通硅酸盐水泥(加膨胀剂)~水玻璃双液浆,水灰比为0.8~1,水玻璃浓度为35Be’,水泥浆与水玻璃的体积比为1:1。
  3.3管棚施工顺序
  管棚施工采取间隔跳孔的方式进行,2个同时施工的管棚环向间距应大于等于1.4m,以避免相邻孔注浆时发生串浆。
  3.4技术参数
  表1 技术参数表
  
  
  3.5注浆结束标准
  注浆采取定量和限压相结合的方法进行控制控制。
  (1)单孔单段注浆结束标准
  ①浆液达到预定注入量,可以结束本段注浆;
  ②浆液注入量未能达到预定注入量,但注浆压力超出规定值,可稳压2~5min后结束本段注浆;
  ③在规定的注浆压力下,如果吸漿量不大于0.5L/min,持续注浆5min,或吸浆量不大于1L/min,持续注浆10min,注浆工作方可结束。
  (2)单孔注浆结束标准
  ①单孔注浆浆量达到预定注入量,可以结束本孔注浆;
  ②浆液注入量未能达到预定注入量,但注浆压力超出规定值,可稳压5~8min,结束本孔注浆。
  ③浆液注入量未能达到预定注入量,发生串浆时,可结束本孔注浆。
  ④分析注浆数据,如果浆液注入量基本达到预定值,可以结束本孔注浆。
  4人员配置
  表2 人员配置表
  
  
  5主要机械设备及材料
  表3主要机械设备和材料
  
  
  6质量保证措施
  (1)一定要按设计角度预埋管棚导向管,以免管棚施工时,引起偏差。
  (2)管棚丝扣应尽量采用梯形丝扣或地质丝扣,管棚连接处绑焊φ8mm的钢筋,确保管棚在钻进过程中不至于滑丝脱节。
  (3)管棚必须按照设计加工,钻设溢浆孔并粘贴贴片。切片在粘贴时只能粘贴一半。
  (4)清孔时水压不宜过大,以免使水大量流入地层当中。
  (5)拌浆时应严格按照设计水灰比配置浆液,不得随意改变水灰比。
  (6)浆液制拌好以后在放入储浆桶以前需经过过滤网,以免浆液中存在硬块堵塞管路。
  (7)水泥浆搅拌好放入储浆桶后,在吸浆过程中要不停地搅动,防止浆液沉淀,影响注浆效果。
  (8)注浆过程中遇到突然停电时,要立即拆卸下注浆胶管,用高压水冲洗干净管内的浆液;
  (9)注浆过程中,若地层吸浆量很大时,注浆压力长时间不上升,可通过调整浆液配比,缩短浆液凝胶时间,以达到控制注浆范围的目的。
  (10)现场值班工程师要做好钻进记录,确保管棚长度满足设计要求。此外要做好注浆记录,以便对每根管棚的注浆量和加固效果进行分析。
  7安全保证措施
  (1)施工时项目部应安设有一定排水能力的排水系统,及时将施工中产生的废水排除洞外,避免污水淤积影响机械和施工人员安全。
  (2)管棚施工操作平台必须平整密实,以确保钻机正常运转,避免钻机发生事故。
  (3)注意用电安全,高空作业应有防坠落措施,采用合格电线,并安装漏电保护装置,防止漏电,布线、接头时要做到安全无障;
  (4)安装管棚时,钻机下方禁止站人,以防管棚掉落伤人。
  (5)每一孔注浆完成后,先泄压,再拆管,防止注浆管内高压伤人;
  (6)钻孔、注浆人员熟练掌握有关作业规程;禁止在不停机械的情况下进行任何修理;注浆泵及管路内压力未降至零时,不拆除管路或松开管路接头,以免浆液喷出伤人;钻机和注浆泵由专人负责操作,未经同意其他人不得操作;注浆人员在拆管路、操作注浆泵时戴防护眼镜,以防浆液溅入眼睛;
  8 文明施工
  (1)掌子面的废水应及时排除干净,保证工作面附近清洁。
  (2)在水泥搅拌过程中,水泥添加作业规范,搅拌设施保持密闭,防止添加、搅拌过程中大量水泥扬尘外逸。
  (3)施工机械防止漏油,机械运转过程中产生的油污水或维修施工机械时产生的油污水未经处理不得直接排放。
  9结束语
  根据现场实对大管棚方案的实施,得出以下结论:
  (1)采用丝扣连接管棚,解决了传统管棚采用焊接的连接方式,大大提高了管棚的搭接质量,
  (2)采用了进口钻注一体机C6节约了工作时间,提高了工作效率.
  (3)根据现场施工针对隧道的围岩特征得出结论为:由于围岩地质较为松散,加上管棚自重较大,所以现场实施是应将管棚立角适当提到1~2°,已解决管棚下垂现象。
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