CN101737060B - 土质下穿隧道超大直径管幕施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土质下穿隧道超大直径管幕施工方法。包括如下施工步骤：准备工作、测量定位、导向孔钻进、过程纠偏、扩孔及拉管、清孔、管幕注浆。通过先在土层内施工导向孔，再采用边扩孔边拉管的方式把超大直径的钢管拉入导向孔内，可以有效的避免施工中对土层的扰动，采用带导向板的楔型钻头对导向孔施工进行过程纠偏，有力的保证钻孔精度和成孔质量。施工中上部土体沉降满足既有线的安全要求。开挖后钢管基本达到平、直，没有发生平交、立交现象，为隧道防水和衬砌施工创造条件。

Description

土质下穿隧道超大直径管幕施工方法

技术领域

本发明涉及一种土质下穿隧道超大直径管幕施工方法，尤其是一种钢管直径大于108mm以上的超大直径管幕施工方法。

背景技术

随着高速铁路建设的飞速发展和工程设计、施工技术的进步，铁路等级的不断提高，施工条件也越来越受到限制。在进行土质下穿隧道施工中，为了确保施工质量，会采用隧道超前支护工程，目前隧道一般采用Φ108mm的管幕进行超前支护，但施工中如果所处地段地质情况复杂，采用现有的超前支护方法难以有效的对临近的建筑、道路进行保护。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种土质下穿隧道的超大直径管幕的施工方法，为下穿工程或地下结构物的施工创造条件。

为了解决以上技术问题，本发明包括如下步骤：

(1)准备工作

(a)围护桩施工

(b)洞口开挖及锚索施工

(c)围护桩截断

(d)钻机、钻具准备：钻具包括钻杆、安装在钻杆前端的钻头，所述钻头前部有一斜面，斜面与钻杆交角≤20°，斜面上设置有向外延伸的导向板，导向板旋转直径小于下穿隧道钢管的直径，导向板上固连有耐磨合金；钻头内设置有无线导向探头，所述探头与两台定向仪无线连接，一台定向仪与钻机的显示屏连接，一台定向仪可手持移动；

(2)测量定位：确定钻机的钻入孔的位置，确保钻头与钻入孔的理论中心位置对中；

(3)导向孔钻进

启动钻机，将连接钻头的钻杆从土层一侧的掌子面钻入，通过显示屏监测钻头的倾角和导向板的方向，手持移动定向仪随钻头移动，监测钻头的高度和偏位情况；根据监测情况，进行过程纠偏，调整钻进的方向，使其到达土层另一侧的掌子面预定位置，在土层两侧的掌子面之间形成一个导向孔；

(4)钢管准备，根据导向孔的长度连接相应长度的钢管；

(5)扩孔及拉管

(a)将穿过土层另一侧掌子面的钻杆上的钻头取下，通过万向节、扩孔器把连接好的钢管与钻杆固连，扩孔器的外径与钢管直径相适配；对钢管管头进行支撑确保与隧道路线平行；

(b)开启钻机，利用钻机的后拖力将钢管拉入导向孔中，在拉管的过程中，钢管前端的扩孔器将导向孔扩大到钢管孔径，确保钢管顺利进入，并就位土层一侧的掌子面预定位置；

(c)扩孔过程中要随时记录拉力及扭力的变化，如有特殊情况，须加以标注；拉管到位后，要准确记录出口位置偏移情况，并分析总结，为后续施工提供参考。

(6)清孔，清除钢管内的浮渣及泥浆；

(7)重复上述步骤(2)-(6)，在土层隧道外围形成一圈钢管围成的管幕；

(8)管内注浆

上述步骤(3)中，过程纠偏采用如下方法：

角度偏下，把钻头上的导向板调到其圆形运动轨迹的最高点，再启动钻机继续顶进，此时由于导向板与钻杆呈一个斜面，土层对导向板的阻力形成一个向上的分力，促使钻头朝上运动；

角度偏上，把钻头上的导向板调到其圆形运动轨迹的最低点，再启动钻机继续顶进，此时土层对导向板的阻力形成一个向下的分力，促使钻头朝下运动；

同理，角度偏左，把钻头上的导向板调到其圆形运动轨迹的最左边，角度偏右，把钻头上的导向板调到其圆形运动轨迹的最右边。

上述步骤(7)中，所围成的管幕其相邻的钢管接头错开布置，相邻钢管的接头位置距离不得小于2米；且每根钢管壁上均匀布置若干浆液扩散孔，且相邻的浆液扩散孔错位布置

采用本发明工艺，先钻导向孔，再采用边扩孔边拉管的方式把超大直径的钢管拉入导向孔内，可以有效的避免施工中对土层的扰动，采用带导向板的楔型钻头对导向孔施工进行过程纠偏，有力的保证钻孔精度和成孔质量。

附图说明

图1是本发明工艺流程示意图。

图2是洞口端面示意图。

图3是维护桩截断示意图。

图4是钻具结构示意图。

图5是扩孔及拉管施工示意图。

具体实施方式

为了更进一步的说明本发明，通过下述实施例对本发明的各步骤进行详细说明，但本发明的保护范围并不限于下述实施例的说明。

位于辽宁省鞍山市的哈大铁路客运专线鞍山隧道为双线下穿隧道，隧道全长2440m，净空面积100m²。下穿部队铁路专用线的50m为暗挖段，该处地层为粉质黏土和粉土，隧道顶覆土厚度4～5m，最大开挖深度约18.2m。为了控制隧道施工期间地面尤其是部队专用线的沉降，暗挖段开挖轮廓外最大跨以上采用Φ300(壁厚10mm)管幕超前注浆保护，单根钢管长度为50m。管幕直径为国内铁路隧道领域内之最。

一施工设备

管幕施工机具由水平钻机、楔形钻头、定向钻进导向仪、扩孔器、夯锤以及辅助设备等组成。

名称	型号	数量	备注
				水平钻机	HTG-300	1台	功率110KW
夯管机	H260	1台
				空压机	TWES-1	1台	20立方
吊车	20t	1台
				定向钻进导向仪	SE-1型	2套
泥浆泵(含注浆)	BW-250	1台	功率为15KW
				搅拌箱	立式离心泵循环搅拌	1个
电焊机	BX1500	2台

二施工工艺：具体流程如图1所示，流程中所涉及的下穿隧道结构、设备装置结构如图2-5。

1准备工作

(1)围护桩施工

对铺设铁路专用线下部的隧道施工现场进行平整，合理布置水电管线。进行钻孔桩14、冠梁13、旋喷桩9施工，严格控制旋喷桩加固土体的底标高，不得侵占管幕位置以免给管幕打设增加难度。

(2)洞口开挖及锚索施工

开挖前先施工洞顶截水沟，将水沟引入旁边的自然沟渠。边开挖土体边挂网喷射混凝土进行防护；同时施工预应力锚索。洞口开挖后及时架设第一道支撑，支撑体系为桩头钢筋混凝土冠梁21加Φ600δ12mm钢管22斜撑；挖至衬砌顶面外轮廓线以下1.5m，待拱顶管幕施工完后再架设第二道支撑，支撑体系为2I45b工字钢腰梁23加Φ600δ16mm钢管22，再向下开挖以施工拱顶侧面的52根超大直径钢管3围成的管幕。具体参加图2所示。

(3)围护桩截断

如图3，采用空压机和风镐进行钻孔桩4凿除施工，凿除时隧道暗挖段的进口和出口要对应进行。为保证安全每根桩截断时只能先凿断桩身截面积的2/3，留三分之一的桩身1作支撑

(4)钻机、钻具

钻机采用全液压水平钻机一台，型号HTG-300，钻机推进回拖力50t，扭矩13500Nm，可打设φ108～φ300的钢管。钻机设有轨道，安装后利用油缸沿轨道可以自由平移和升降，对位方便；钻机操作平台地面采用C20混凝土进行硬化，并设置好纵横向排水，合理布置泥浆泵、搅拌箱、管路和电线。钻机平台用钢轨、型钢和钢管脚手架等搭设，平台在暗挖段出口侧一次性搭设完毕，且安装牢固。

如图4所示，钻具包括钻杆17、安装在钻杆前端的钻头19，用Φ89δ8mm长4.5m的钢管作为钻杆，钻头前部有一斜面，斜面与钻杆交角α≤20°，斜面上设置有向外延伸的导向板21，导向板旋转直径(2R)Φ159mm，水眼20直径为16mm。导向板上焊接有硬质合金圆柱齿等耐磨合金，也可以采用喷焊硬质合金粉，可破除一般回填砖石；钻头内设置有无线导向探头18，探头与图5所示的两台定向仪10无线连接，一台定向仪10与钻机15的显示屏连接，一台定向仪10放置在地面上可手持移动。

2测量定位，测量钻机定位、方位、倾角以及钻头对中情况；

3导向孔钻进

(1)对冲洗液流通及导向仪显示情况等进行检查，确认正常后进行试钻。采用泥浆护壁，钻进前先开泵，待冲洗液流通正常后，方可钻进。

(2)启动钻机，将连接钻头的钻杆从图5所示的土层12一侧的掌子面围护桩截断部分钻入。通过显示屏监测钻头的倾角和导向板的方向，手持移动定向仪随钻头移动，监测钻头的高度和偏位情况；根据监测情况，进行过程纠偏，调整钻进的方向，使钻杆轨迹保持平直，到达土层另一侧的掌子面预定位置，在土层两侧的掌子面之间形成一个导向孔。

钻导向孔是管幕施工的关键环节，钻进过程中准确的测定钻头的位置和方向，过程纠偏时利用楔形钻头调整钻进的方向，保证钻孔精度和成孔质量。通过钻头内装的特制的探头，在钻机的显示屏显示钻头的倾角和导向板的方向，具体方法如下：

如果角度合适，钻机匀速旋转钻进，此时钻杆轨迹是平直的。

如果角度偏下，把钻头上的导向板调到其圆形运动轨迹的最高点，如把导向板的圆形运动轨迹看成是一个钟面，即把导向板旋转到12点，再启动钻机继续顶进，此时由于导向板与钻杆呈一个斜面，土层对导向板的阻力形成一个向上的分力，促使钻头朝上运动；

如果角度偏上，把钻头上的导向板调到其圆形运动轨迹的最低点，即钟面的6点。再启动钻机继续顶进，此时土层对导向板的阻力形成一个向下的分力，促使钻头朝下运动；

同理，角度偏左，把钻头上的导向板调到其圆形运动轨迹的最左边，即钟面的9点；角度偏右，把钻头上的导向板调到其圆形运动轨迹的最右边，即钟面的3点。

角度偏差大于0.2°时，应及时纠偏。当纠正无效，或偏差大于0.3°时，应停止钻进，研究对策后再施工。现场须及时进行导向数据记录和钻具前端长度及每次加管长度详细记录

(3)钻进时泵压控制在0.6～1.0MPa，泵量为10～30L/min为宜，保持中低压力，匀速中速前进；为防止水土流失，控制沉降，必要时采用孔内保压措施。要始终注意出土量不能超过设计孔的理论出土量，要始终保持回水量小于或等于进水量；要密切注意扭力及顶进力的变化，如出现突然增大，要停止钻进，分析原因再试钻，防止抱钻；冲洗液不正常时，立即停止钻进，注意观察冲洗液变化情况，进行调整。如因故停钻时须将管内土清除干净防止抱钻。

4超大直径钢管接长

管幕采用Φ300mm(壁厚10mm)的无缝超大直径钢管，共50根，每节长10～12m；超大直径钢管之间采用直接对焊连接；对焊时要加内接管箍，管箍长400mm、直径Φ275mm、壁厚8mm；要求超大直径钢管之间对准、对直，并加以满焊。超大直径钢管在进口侧基坑内加工接长，每根钢管在下坑前必须进行质量检查。管材不得有弯曲，管口四周壁厚均匀，管材内的铁屑、脏物及锈皮等必须清除干净。吊装下坑时避免与硬物相碰，以免损伤管口。在超大直径钢管壁上每2m交叉割一个直径20mm的浆液扩散孔，以利于浆液扩散到土体中。

5扩孔及拉管，如图5所示：

(1)将连接好的超大直径钢管3的管头与万向结6和扩孔器8连接牢固，且超大直径钢管的管头是敞口的；将超大直径钢管的管头用简易支架5吊起，并且基本平行于隧道路线。

(2)导向孔钻通进口侧掌子面后，取下钻杆17前端固连的钻头，将扩孔器通过连接卡7安装在钻杆上，通过钻机的后拖力将超大直径钢管3拉入导向孔中，在拉管的过程中利用钻杆顶端的扩孔器将孔扩大到设计孔径，至将超大直径钢管拉出出口掌子面从而将超大直径钢管安装到位。

(3)扩孔作业要采用挤扩的方法，不能采用通常水循环方法，防止引起地层扰动，导致地面沉降，采取边扩孔边拉管。扩孔过程中要随时记录拉力及扭力的变化，如有特殊情况，须加以标注。拉管采用前拉后夯法将Φ300超大直径钢管拉入，在拉入时，可能会遇到不均匀的硬地层(旋喷桩加固区)引起卡钻现象，局部用夯锤夯击，在钢管后部施以夯力使钢管顺利通过，直至将钢管拉出出口掌子面。拉管到位后，要准确记录出口位置偏移情况，并分析总结，为后续施工提供参考。

6清孔

超大直径钢管安装好后，拆除扩孔器和万向结，用水平钻机钻杆配合专用钻头在已安装好的超大直径钢管内来回扫孔，清除管内浮渣及泥浆。

如图3所示，在围护桩截断部分施工的钢管3周围回填C30砼2对围护桩残桩桩身1底进行支撑后才能凿除剩余部分的桩，保证每根桩均有支撑点支撑。

7重复上述步骤2-6，在土层隧道外围形成一圈超大直径钢管围成的管幕；所围成的管幕其相邻的超大直径钢管接头错开布置，相邻超大直径钢管的接头位置距离不得小于2米；

8管幕注浆填充

(1)在管口焊接钢板进行封堵，在隧道进口和出口的超大直径钢管上分别安装出气管和进浆管，由阀门来控制开关，然后连接注浆管管路，用锚固剂封闭掌子面与管幕之间的空隙，防止漏浆。

(2)注浆材料采用水泥浆液，浆液水灰比1∶1，水泥采用42.5级普通硅酸盐水泥。

(3)注浆采用压力式注浆，注浆初压为0.4～0.6MPa，注浆前先检查管路和设备状况，关闭孔口阀门，开启注浆泵进行管路压水试验，若有泄漏及时修补。

(4)注浆由一端进行，注浆口设在一端，出浆口位于另一端，设在超大直径钢管顶部；当出浆口流出浆液后，关上阀门，然后采取低压力、中流注入，注浆过程中压力逐步上升，流量逐渐减少，当压力升至0.8Mp，继续压注持压10min，才能结束注浆确保管内外填充质量。

(5)待浆液固结后，进行二次注浆，即将一端超大直径钢管端头部位割开，使管内水流出或抽出，然后进行填充注浆，填充注浆时，可加入适量的膨胀剂，注浆效果通过割开管头部位进行检验。

本方法在哈大铁路客运专线鞍山隧道得到了成功的应用，下穿军用铁路线暗挖段80根50m长Φ300mm超大直径管幕钢管均采用先钻导向孔、扩孔拉管的工艺进行施工，施工进展顺利。施工过程中通过监控量测，上部土体沉降满足既有线的安全要求。开挖后钢管基本达到平、直，没有发生平交、立交现象，施工精度达到预期要求，为隧道防水和衬砌施工创造条件。为以后类似工程的施工提供了借鉴和参考。本发明适用于下穿隧道超大直径管幕，也适用于其它下穿工程，具有推广价值。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (3)

1.一种土质下穿隧道超大直径管幕施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）准备工作

（a）围护桩施工

（b）洞口开挖及锚索施工

（c）围护桩截断

（d）钻机、钻具准备：钻具包括钻杆、安装在钻杆前端的钻头，所述钻头前部有一斜面，斜面与钻杆交角≤20°，斜面上设置有向外延伸的导向板，导向板旋转直径小于下穿隧道钢管的直径，导向板上固连有耐磨合金；钻头内设置有无线导向探头，所述探头与两台定向仪无线连接，一台定向仪与钻机的显示屏连接，另一台定向仪可手持移动；

（2）测量定位：确定钻机的钻入孔的位置，确保钻头对中；

（3）导向孔钻进

启动钻机，将连接钻头的钻杆从土层一侧的掌子面钻入，通过显示屏监测钻头的倾角和导向板的方向，手持移动定向仪随钻头移动，监测钻头的高度和偏位情况；根据监测情况，进行过程纠偏，调整钻进的方向，使钻杆轨迹保持平直，到达土层另一侧的掌子面预定位置，在土层两侧的掌子面之间形成一个导向孔；

（4）超大直径钢管准备，根据导向孔的长度连接相应长度的超大直径钢管；

（5）扩孔及拉管

（a）将穿过土层另一侧掌子面的钻杆上的钻头取下，通过万向节、扩孔器把连接好的超大直径钢管与钻杆固连，扩孔器的外径与超大直径钢管直径相适配；对超大直径钢管管头进行支撑，使管头平行于隧道路线；

（b）开启钻机，利用钻机的后拖力将超大直径钢管拉入导向孔中，在拉管的过程中，钢管前端的扩孔器将导向孔扩大到超大直径钢管孔径，确保超大直径钢管顺利进入，并就位于土层一侧的掌子面预定位置；

（c）扩孔过程中要随时记录拉力及扭力的变化，如有特殊情况，须加以标注；拉管到位后，要准确记录出口位置偏移情况，并分析总结，为后续施工提供参考；

（6）清孔，清除超大直径钢管内的浮渣及泥浆；

（7）重复上述步骤（2）-（6），在土层隧道外围形成一圈超大直径钢管围成的管幕；

（8）管幕注浆填充。

2.如权利要求1所述的土质下穿隧道超大直径管幕施工方法，其特征在于，

所述步骤（3）中，过程纠偏采用如下方法：

角度偏下，把钻头上的导向板调到其圆形运动轨迹的最高点，再启动钻机继续顶进，此时由于导向板与钻杆呈一个斜面，土层对导向板的阻力形成一个向上的分力，促使钻头朝上运动；

角度偏上，把钻头上的导向板调到其圆形运动轨迹的最低点，再启动钻机继续顶进，此时土层对导向板的阻力形成一个向下的分力，促使钻头朝下运动；

同理，角度偏左，把钻头上的导向板调到其圆形运动轨迹的最左边，角度偏右，把钻头上的导向板调到其圆形运动轨迹的最右边。

3.如权利要求1所述的土质下穿隧道超大直径管幕施工方法，其特征在于，所述步骤（7）中，所围成的管幕其相邻的超大直径钢管接头错开布置，相邻超大直径钢管的接头位置距离不得小于2米；且每根超大直径钢管壁上均匀布置若干浆液扩散孔，且相邻的浆液扩散孔错位布置。

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