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1、黄土隧道管棚施工调研黄土隧道管棚施工调研中铁十九局集团公司 郑云雷 摘要：摘要：胡麻岭隧道弱富水黄土隧道，隧道开挖后出现大面积渗水，局部有水流，底板有冒水，暴露时间超过两个小时后裸露岩面出现松动，底板出现严重反弹，掌子面裸露后围岩不断松动最终变为散装砂土混合物，与渗水后形成流沙流泥。关键词：关键词：黄土 隧道 管棚 施工 引言引言黄土隧道掌子面出现渗水每天水量超过 50m3后，积水位置围岩受水浸泡会出现大面积淤泥，裸露底面受渗水影响造成底板出现严重反弹无法行车，初支背后水位升高造成围岩松动对初支产生挤压，从而导致初支变形以致局部开裂甚至发生坍塌。 掌子面受地质影响，一般小导管超前支护由于超前长
2、度较小不能满足施工需要，必须进行大管棚施工。目前歇地山斜井和东古路斜井均出现不同程度的渗水，现场量测每天出水量超过 20 方，并根据设计数据以后渗水会逐渐加大。1 1 工程概况工程概况胡麻岭隧道为弱富水黄土隧道，隧道围岩为成岩极差的老三系砂岩夹泥岩（NMs+Ss）：砂岩棕红色，成分以石英、长石为主，泥质胶结，局部夹有砾岩薄层，成岩作用差；泥岩棕红色为主，泥质结构，泥质胶结，节理裂隙发育，成岩作用差，属极软岩，具膨胀性；老三系砂岩夹泥岩岩层产状近似水平。围岩设计正常涌水量292.1m3/dkm，斜井设计总长666.05米和766米，设计坡度8.4和7.5，斜井入口至正洞高差为50.34米和57.
3、45米，进洞300米后斜井底面出现渗水，此后随隧道向前推进掌子面渗水量逐渐增大，出现水囊受地下水影响围岩开挖后稳定性很差，不断有水从裸露岩面大面积渗出，局部有水流，底板有冒水，暴露时间超过两个小时后裸露岩面出现松动，底板出现严重反弹。受围岩地质影响，超前支护与锚喷支护结合的支护形式自稳性很差，必须与二次衬砌结合才能达到隧道的稳定。如采用小导管超前支护后形成的初期支护由于小导管一般只有4米或6米，整体性较差，不能与二次衬砌直接搭接。形成的初期支护稳定性较差，下沉较大并且容易出现坍塌。目前所出设计管棚为外径90mm，深度20米，但由于是变更内容无法估算实际需要施工延米数。但根据设计文件，有3000
4、米左右设计围岩与目前揭示围岩相同。2 2 管棚施工管棚施工2.12.1 管棚施工机械选型管棚施工机械选型2.1.12.1.1 日本矿研全液压旋转冲击式钻。日本矿研全液压旋转冲击式钻。日本矿研目前提供三种机型，分别为RPD-180CBR、RPD-150C和RPD-75SL-H2型。其中RPD-180CBR为电动和柴油双动力机型，并配有悬臂机构，机身定位一次可完成较其它机型更大的作业范围；RPD-150C为柴油动力机型；RPD-75SL-H2为电动机型，无履带，但可步履式行走。以上三种机型具备以几种功能：MWD快速超前地质预报（RPD-75SL-H2未配MWD系统） 、钢丝绳取芯、钻杆孔底注浆、套
5、管和跟管管棚施工。MWD超前地质预报系统即利用机身上安装的十余种传感器采集施工数据，并通过数据处理中心将数据及数据曲线显示在操作手前方的显示屏上并存储于记忆卡上，根据这些数据的变化即可判知前所钻区域的地质性质、位置和规模，为规避地质灾害提供直观的依据；钢丝绳取芯的特点是不需拔出钻杆，通过取芯器取得岩芯后由打捞器实现循环往复的取芯过程，保障了现场快速取芯特别是难以成孔区域的取芯需要；钻杆孔底注浆即在钻进到预定位置后利用钻杆直接注浆，改良孔底地质情况，防止涌水、固化围岩；套管施工即内外钻杆和内外钻头同时钻进后，撤出内钻杆和内钻头，插入管棚管后再撤出外钻杆和外钻头的施工工艺，适合于难以成孔的软弱地层
6、施工。2.1.22.1.2 国内外潜孔钻机国内外潜孔钻机。国内潜孔钻机主要有高风压低风压两种，主要以宣化名达正宇钻孔机械及设备公司HTYM808多功能全液压钻机，中铁一局设备制造Z-GP150管棚钻机等，价值在17万元以下，如需配备高压风动则需另购买高压空压机，一般在40万元左右。CM351履带式高风压潜孔钻机。属自行式气动凿岩设备，它装有大功率气动马达。它主要用于露天矿山开采，建筑基础 开挖，水利、电站、交通及国防建设等多种工程中的凿岩钻孔作业，还可以钻锚固孔、地质压力测 孔和排水孔等特殊用途的岩石孔。钻机关键部件采用原装进口，有可靠的质量保证。当进野外施工 时，钻机拖带空压机，机动灵活，爬
7、坡能力强，适于崎岖场地作业，转场移机方便。参考价格：286000,国外主要有阿特拉斯ROC.D7.RRC等。2.22.2 施工工艺与施工要点施工工艺与施工要点由于胡麻岭隧道围岩地质较差，钻孔时非常容易塌孔，成孔难度较大，以下就不容易成孔的围岩情况进行分析。2.2.12.2.1 日本矿研全液压旋转冲击式钻机施工工艺。日本矿研全液压旋转冲击式钻机施工工艺。当围岩软弱、破碎不易成孔时，该钻机可采用套管施工。套管施工的核心是采用双钻杆和双钻头施工，排碴采用内钻杆喷高压水，由高压水将钻碴从内外钻杆之间冲出，内外钻头之间的间距、间隙可调，一般将内钻头低于外钻头，估计存在由于内外钻杆间隙问题造成高压水在外观
8、壁流出从而量管壁之间排碴空难最后形成外观壁堆碴形成夹钻。在钻孔完成后将内钻杆拔出并利用外钻杆作为护壁，管棚插入后再拔出外钻杆和外钻头。当然该钻机也可以采用跟管工艺。2.2.22.2.2 国内外潜孔钻机跟管式施工工艺国内外潜孔钻机跟管式施工工艺。当围岩软弱、破碎不易成孔时一般潜孔钻机都采用跟管工艺，跟管施工工艺的核心是采用潜孔冲击器和偏心钻具外接靴套在钻杆的前方将管棚与钻杆连接成一个整体，在钻孔的同时将管棚同时带入，管棚采用厚壁钢管用数控车床车出丝扣并在钻孔换钻杆的过程中利用丝扣将管棚连接。钻孔完成后利用偏心钻具自带导正器将偏心钻头导正，最后从靴套中退出钻头。但由于采用风动冲击器，钻碴从管棚外侧
9、用风吹出，容易造成钻碴堆积形成夹钻，并且由于用风吹钻碴灰尘较大对操作人员形成危害。根据目前四工区施做管棚情况，该工区采用宣化生产钻机行走以及就为为液压控制，钻孔动力为风动，现场使用后钻孔深度为8米左右，如过需加深后断管和夹钻机率加大，每天只能钻8米孔6个左右。2.2.32.2.3 一般分包施工工艺。一般分包施工工艺。当围岩软弱、破碎不易成孔时一般分包施工采用自带小型潜孔钻或只提供劳力服务两种，自带小型钻机比较简易但由于逐渐形成的专业化操作技能钻孔效率也基本满足现场需要，采用的施工工艺同潜孔钻机跟管施工工艺。3 3 经济对比分析经济对比分析3.13.1 套管法施工套管法施工套管施工由于管棚最终是
10、在外管壁形成后插入管棚，对管棚的材质以及壁厚没有特殊要求，并且由于管棚所用钢管为整体钢管没有经过加工，整体强度较好。所以就整体效果而言未必套管工艺采用壁厚4mm钢管没有跟管工艺采用8mm钢管强度好。计算管棚施工成本，按89mm壁厚4mm钢管计算每米需用钢管8.38kg，根据目前市场价每吨4000元， 计算每米用钢材34元。3.23.2 跟管法施工跟管法施工跟管施工每成一个孔需靴套一个，300元左右，数控车床车丝每个50元左右，并且钢管由于车丝需要壁厚必须8mm以上，在丝扣搭接过程中搭接10%。按89mm壁厚8mm钢管计算每米需用钢管1.116.4=18kg，由于该钢材为特殊地质钻机用，根据目前
11、市场价每吨9000元，计算每米用钢材162元。并且每米车一次丝扣每米50元。每20米用一个靴套折合每米15元。合每米227元。潜孔冲击器，约7500/套，偏心钻具，约6500/套，折合每米10元消耗，国产低压设备17万元左右，但经四工区使用后发现由于钻机的扭矩和低风压冲击器排风问题，钻碴排出效果碴造成夹钻以及套管扭断等状况，并且只钻进8米，超过8米后钻孔变得非常困难。如采用国外按特拉斯高风压钻机，并配属高压风空压机设备原值140万元左右，但由于没有在目前甘肃境内使用的先例，没有具体使用实际经验数据。 3.33.3 分包施工分包施工分包施工一般带机械跟管作业单价每米 100 元左右，不带机械每米
12、 20 到 40 元不等。3.43.4 各工艺经济对比各工艺经济对比按管棚数量40根计算套管法施工材料费以及易损件费用预估每延米1760元，人工费需两名司机，两名配属人员，月工资平均3000元，折旧费每月20万元，跟管法施工材料费以及易损件费用预估每延米9480元，人工费需两名司机，两名配属人员，月工资平均3000元，折旧费每月1-3万元，4 4 结束语结束语黄土隧道管棚施工是必不可少的施工工艺，但在设备选型以及使用过程中的消耗不同的施工工艺造成的成本将不同，由于设计隧道过程中，不可能对围岩的实际性状做出很精确的描述，同样需要进行多少管棚施工只有围岩揭示出后才能决定，于是在进行决策的时候无法对各种施工工艺进行实际的经济对比分析，但作为长期施工隧道的施工企业来讲，具有能及时解决各种不断变化的围岩地质以及各种突发情况是企业的实力体现，是企业不断发展的根本。一般来讲选用设备不需要太高端的只要使用就好。
