CN116591693A - 一种隧道管棚施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种隧道管棚施工方法；属于隧道施工技术领域，包括以下步骤：步骤1，在隧道前端开挖管棚工作室；步骤2，在管棚工作室后侧壁上设立导墙；步骤3，在管棚工作室地面上设置有垂直于管棚工作室长度延伸方向的滑动轨道，滑动轨道上设置有具有高度调节结构的承载平台，承载平台上设有钻机；步骤4，将钻机的钻头上伸入管棚导向结构内进行钻孔，并通过调整承载平台的高度打设对应高度的孔，打孔的范围围绕隧道周向大于120°；步骤5，钻孔完成后向孔内安装钢管并在钢管内安装钢筋笼；步骤6，向安装好钢筋笼的钢管内进行注浆；通过上述步骤以扩大管棚支护的施工范围，增加管棚支护的支撑能力；并提高了施工效率。

Description

一种隧道管棚施工方法

技术领域

本发明属于隧道施工技术领域，具体涉及一种隧道管棚施工方法。

背景技术

管棚支护是为防止隧道或地下硐室开挖引起的地表下沉和围岩松动，开挖掘进前沿开挖工作面的上半断面周边打入厚壁钢管，形成临时承载棚,在临时承载棚防护下进行开挖的预支护方法。为增加钢管的刚度，可向钢管内压入混凝土或设置钢筋笼，注入水泥浆。在既有隧道或建筑物下修建隧道、海底隧道、浅埋隧道及突破断裂破碎带等困难条件下，可采用此法。钢管壁厚以10～30毫米、管径以80～180毫米为宜。

因此，在隧道施工中，如遇到极破碎围岩或下穿某些既有构筑物的情况，为防止不可控沉降造成地表塌陷，造成人员伤亡事故或经济损失，通常需要设计洞内管棚支护，通过钢管加钢筋笼注浆的形式，形成一个拱形的安全支撑受力结构，为后续开挖隧道提供安全保证。

现有的洞内管棚支护的施工面临以下问题亟需解决：

现有钻孔方式通常采用履带式管棚钻机，但是常规的履带式管棚钻机受限于其自身重量，单根管棚钻孔的最大长度有限，一般为30～40m，如继续加长钻杆，钻杆及管棚形成的杠杆结构会以钻入点为支点撬动履带式管棚钻机，存在施工安全隐患。

现有的管棚支护打设钢管的范围为围绕隧道周向120°范围内即可，在这个范围内履带式管棚钻机可以满足要求，但是在遇到极破碎围岩或下穿某些既有构筑物的情况下，围绕隧道周向120°内布置钢管以形成管棚不能再满足支护强度，如果加大管棚的布置范围，履带式管棚钻机受摆臂的影响，无法满足施工要求。

履带式管棚钻机摆臂高度有限，当需要打设高度超过摆臂伸展高度的管棚时，需要给履带式管棚钻机铺设施工平台，打设完成之后还需要将施工平台拆除，增加了施工的复杂性。

履带式管棚钻机打设过程中，钻杆无法对管棚角度进行精准导向，目前行业内存在导向仪可以对管棚机进行加装，但此设备单价较高，同时现场作业过程中需要随钻杆跟进进行数据线接通，耗时久，损坏概率大，在无法保证质量标准的情况下对工期不利。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种隧道管棚施工方法，以解决现有技术中的管棚施工过程中单根管棚打设深度短，施工效率低及履带式管棚钻机打设孔的范围受限导致不能满足施工要求的技术问题。

为了实现上述目的，本发明隧道管棚施工方法提供如下技术方案：

一种隧道管棚施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在隧道前端开挖出管棚工作室，管棚工作室的轮廓尺寸相对于隧道的轮廓向外偏移。

步骤2，在管棚工作室的后侧壁上设立导墙，并在导墙内埋设管棚导向结构。

步骤3，在管棚工作室地面上设置有垂直于管棚工作室长度延伸方向的滑动轨道，所述滑动轨道上设置有承载平台，承载平台具有高度调节结构，用于调节承载平台的高度，承载平台上设置有钻机。

步骤4，将所述钻机的钻头伸入所述管棚导向结构内进行钻孔，并通过调整承载平台的高度打设对应高度的孔，打孔的范围围绕隧道周向大于120°。

步骤5，钻孔完成后向孔内安装钢管并在钢管内安装钢筋笼。

步骤6，向安装好钢筋笼的钢管内进行注浆。

作为进一步优化的技术方案：所述高度调节结构包括支撑立柱，所述支撑立柱为伸缩构件，所述承载平台设置在支撑立柱顶部。

作为进一步优化的技术方案：所述承载平台上设置有滑动结构，所述钻机通过滑动结构与承载平台滑动配合。

作为进一步优化的技术方案：所述钻机的钻头包括钻头本体，钻头本体上沿轴向方向设置有至少三层刀具，每层刀具具有绕钻头本体周向方向均匀设置的多个切削体，每层所述刀具的切削体与相邻层刀具的切削体间错设置。

作为进一步优化的技术方案：所述刀具由钻头本体远端至近端依次设置有第一层刀具、第二层刀具与第三层刀具，所述第一层刀具设置在钻头本体远端的端面上，所述第二层刀具与第三层刀具设置在钻头本体的侧壁上。

作为进一步优化的技术方案：所述第二层刀具与所述第三层刀具的切削体的侧壁上均设置有切削齿。

作为进一步优化的技术方案：所述第二层刀具的切削体底壁与所述钻头本体径向具有第一夹角，所述第三层刀具的切削体底壁与所述钻头本体径向具有第二夹角；所述第一夹角小于第二夹角。

作为进一步优化的技术方案：所述第二层刀具的切削体的径向尺寸小于第三层刀具的切削体的径向尺寸。

作为进一步优化的技术方案：在步骤4中，打孔的范围围绕隧道周向180°。

作为进一步优化的技术方案：在步骤4中，钻孔的过程中孔的轴向与隧道轴向设置有夹角，所述夹角为1～3°。

有益效果：通过将管棚支护中钢管的布置沿隧道周向大于120°，扩大管棚支护的施工范围，增加管棚支护的支撑能力；通过采用承载平台支撑钻机，同时承载平台具有高度调节结构，钻机结合承载平台沿滑动轨道在管棚工作室内滑动，从而可以钻取不同高度及不同范围的孔，增加了钻孔的打设范围，满足了施工要求；且通过钻机工作时固定在承载平台上，增加了钻机的稳定性，进而可以在打孔时增加钻杆的长度，可以满足一次性打设80m长大管棚，提高了施工效率。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为本发明实施例1的承载平台与管棚工作室结构示意图；

图2为本发明实施例1的管棚工作室与隧道的部分轴向剖视示意图；

图3为本发明实施例1的钻机的钻头结构示意图其一；

图4为本发明实施例1的钻机的钻头结构示意图其二；

图5为本发明另一实施例的承载平台结构示意图。

图中：1、隧道；2、管棚工作室；3、导墙；4、滑动轨道；5、承载平台；501、支撑立柱；502、导轨；503、底座；504、剪刀撑升降架；6、钻机；7、钢管；8、钻头本体；901、第一层刀具；902、第二层刀具；903、第三层刀具；904a、第一切削体；904b、第二切削体；904c、第三切削体；9041、切削齿。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1：

一种隧道管棚施工方法，包括以下步骤：

步骤1，如图2所示，在隧道1前端开挖出管棚工作室2，管棚工作室2纵向长度为10m，管棚工作室2的轮廓尺寸相对于隧道1的轮廓向外偏移1m，即管棚工作室2的截面尺寸超出隧道1外轮廓线1m。管棚工作室2的初支钢架采用I22a工字钢，钢架间距0.6m，钢架间采用M22螺纹钢筋焊接连接，初支混凝土为C25喷射混凝土，初支钢架内保护层不小于3cm。

步骤2，在管棚工作室2的后侧壁上设立导墙3，此处需要说明的是，管棚工作室2的后侧壁是指管棚工作室2沿长度延伸方向内端的侧壁，即，需要开挖隧道1的侧壁；导墙3的钢架采用I22a工字钢，设置2榀。现场技术员使用全站仪准确定位，保证钢架安装位置正确；钢架间采用M22螺纹钢筋连接，并在导墙3内埋设管棚导向结构。管棚导向结构采用圆管，优选使用钢制管，管棚导向结构的尺寸为Φ200×6mm（直径200mm，管壁厚6mm），长度1m，围绕隧道环向间距0.4m。安装前用全站仪在导墙3上准确定出平面位置、外插角，确保埋设精度。管棚导向结构依托工字钢拱架定位，焊接牢固，防止浇筑混凝土时产生位移；然后采用九合重工湿喷机械手对导墙3进行喷射，喷射具体要求与初支混凝土要求一致。

步骤3，如图1所示，在管棚工作室2地面上设置有垂直于管棚工作室2长度延伸方向的滑动轨道4，对于滑动轨道4的安装，需要采用枕木搭设承重，枕木上固定安装滑动轨道4，滑动轨道4上设置有承载平台5，承载平台5具有高度调节结构，方便根据管棚钻孔的位置，逐层降低承载平台5。承载平台5上设置有钻机6，钻机6采用GP-28定向管棚钻机，该钻机6自重28吨，钻机6配合承载平台5进行工作，使得承载平台5稳固，钻机6安装牢固，防止在施钻时钻机产生不均匀下沉、摆动、位移而影响钻孔质量。为了方便钻机在承载平台5上进行位置调动，在承载平台5上固定连接有导轨502作为滑动结构，在钻机6底部安装有配合导轨502移动的滑动件，同时在滑动件上可以安装固定结构，即当钻机6移动到合适位置后通过固定结构将钻机6固定在该位置，从而避免钻机6在工作过程中发生位移，固定结构已经属于成熟的现有技术，最简单的可以是紧定螺钉，将紧定螺钉沿竖直方向穿过并与滑动件螺纹连接，当需要钻机6移动时将紧定螺钉向上移动，使得紧定螺钉与承载平台5具有间距，从而方便钻机6沿导轨502移动，当需要固定钻机6时，将紧定螺钉向下移动并压紧承载平台5，从而使得钻机6固定在承载平台5上，当然也可以使用其他现有的固定结构，在此不进行一一列举。这样钻机6工作时可固定在承载平台5上，相比现有技术使用的履带式管棚钻机，本发明采用的承载平台5加钻机6的方式相当于将钻机6的重心上升至钻孔位置，在钻孔过程中钻孔机构对钻杆的弯矩降低，从而使得钻孔过程更加稳定，进而方便钻取更长距离的孔。

为了使得钻机6上的钻杆对钻孔角度进行精准导向，在钻机6钻进过程中经采用月蚀导向仪进行导向，将月蚀导向仪的激光导向头安装至钻机6的钻头端部，其导向过程可以在手持显示器中完整显示，精确判断管棚孔打设前方围岩状况以及钻机6角度及偏位，逐节进行方位修正。通过采用月蚀导向仪进行测量放样，保证起钻位置与孔位放样位置相一致，使用方便，可以在保证钻孔质量的同时降低对工期的不利影响。

步骤4，将钻机6的钻头伸入导向结构内进行钻孔，并通过调整承载平台5的高度打设对应高度的孔，打孔的范围围绕隧道1周向大于120°，在本实施例中，打孔的范围围绕隧道1周向180°，同时，钻孔的过程中孔的轴向与隧道1轴向设置有夹角，夹角取值范围为1～3°，在本实施例中，夹角为1.58°；钻孔过程中确保动力器、扶正器、钻机6的钻头按同心圆钻进。做好钻孔过程的原始记录，及时对孔口土块进行地质判断、描述，作为隧道的洞身开挖时的地质预测预报参考资料，从而指导隧道洞身开挖。

步骤5，钻孔完成后需要首先进行验孔，采用全站仪等检测孔深、倾角、外插角向。之后向孔内安装钢管7并在钢管7内安装钢筋笼；钢管7采用钢花管（管体上具有注浆孔），钢花管在专用的管床上加工好丝扣，方便延长对接，钢花管四周钻设孔径10～16mm注浆孔（钢花管尾部留2m不钻孔的止浆段），孔间距200—300mm，呈梅花形布置。钢管7的管头焊成圆锥形，便于入孔。为了提高钢花管的抗弯能力，在钢花管内设置钢筋笼、钢筋笼由5根主筋和固定环组成，主筋直径为22mm，固定环采用Φ89×5mm短管节，每节长度10cm，将其与主筋焊接，间距按净距0.5m布置。

步骤6，向安装好钢筋笼的钢管7内进行注浆，浆液由高速制浆机拌制，注浆材料为水泥浆，采用双液注浆泵将水泥浆注入钢管7内，初压0.5～1.0MPa，终压2MPa，持压一定时间至注满后停止注浆，具体时间根据钢管7长度确定。

其中，在上述工艺过程中，高度调节结构包括竖向设置的支撑立柱501，支撑立柱501通过底座503连接为一个整体，支撑立柱501为伸缩构件，具体如图1所示，伸缩构件包括多个相互套设的套筒，伸缩构件外部连接驱动结构以顺利驱动支撑立柱501伸缩，驱动结构可以是设置在承载平台5底部的剪刀撑升降架，也可是其他驱动结构，只要可以实现支撑立柱501伸缩即可，承载平台5设置在支撑立柱501顶部，从而方便跟随支撑立柱501的伸缩进行高度调整。

为了提高钻机6的钻头的钻孔效率，同时增加钻头强度，更能适合围岩强度＞100MPa时使用并降低钻头的损坏率，如图3、图4所示，钻机6的钻头包括钻头本体8，钻头本体8上沿轴向方向设置有三层刀具，刀具由钻头本体8远端至近端依次设置有第一层刀具901、第二层刀具902与第三层刀具903，此处需要说明的是，在本发明中，定义远离操作者的一端为远端，靠近操作者的一端为近端，第一层刀具901设置在钻头本体8远端的端面上，第二层刀具902与第三层刀具903设置在钻头本体8的侧壁上。每层刀具绕本体钻头本体8周向方向均匀设置有三个切削体，具体地，第一层刀具绕钻头本体8周向方向均匀设置有三个第一切削体904a，第二层刀具绕钻头本体8周向方向均匀设置有三个第二切削体904b，第三层刀具绕钻头本体8周向方向均匀设置有三个第三切削体904c，其中，每层刀具绕本体钻头本体8轴向方向均匀设置有三个切削体，第一切削体904a与第二切削体904b、第二切削体904b与第三切削体904c间错设置。其中，第一层刀具903的第一切削体904a可以直接用于切削，第二切削体904b与第三切削体904c的侧壁上均设置有切削齿9041，第二层刀具902与第三层刀具903通过切削齿9041进行切削。另外，为了方便进行逐次切削，钻孔过程中逐渐扩孔，第二切削体904b的径向尺寸小于第三切削体904c的径向尺寸，需要说明的是，此处的径向尺寸是指沿钻头本体8径向方向延伸的尺寸，即切削体外轮廓的直径尺寸。

第二切削体904b底壁与钻头本体8径向具有第一夹角，第三切削体904c底壁与钻头本体8径向具有第二夹角；第一夹角小于第二夹角，这样，第二层刀具902的切削量小于第三层刀具903的切削量。因此设置在远端的刀具进行小切削量的钻进，设置在近端的刀具再进逐渐增加切削量，相比现有的钻头直接面临大切削量的冲击更容易保护钻头，延长钻头的使用寿命。

钻头在使用过程中，通过多层刀具的结构从而方便在钻孔过程中对比较坚硬的围岩进行分段式逐渐多层次钻进，多层刀具共同分担钻孔过程中的冲击力，从而降低钻头的损坏率，更符合硬岩掘进的受力特点。

本发明提供的隧道管棚施工方法通过将管棚支护中钢管的布置沿隧道周向180°，扩大管棚支护的施工范围，增加管棚支护的支撑能力；通过采用承载平台支撑钻机，同时承载平台具有高度调节结构，钻机结合承载平台沿滑动轨道在管棚工作室内滑动，从而可以钻取不同高度及不同范围的孔，增加了钻孔的打设范围，满足了施工要求；且通过钻机工作时固定在承载平台上，增加了钻机的稳定性，进而可以在打孔时增加钻杆的长度，可以满足一次性打设80m长大管棚，提高了施工效率。

在隧道管棚施工方法的其他实施例中：本实施例与实施例1的不同之处在于，在本实施例中，调节承载平台5的具体结构如图5所示，调节承载平台5的高度调节结构为剪刀撑升降架504。

在隧道管棚施工方法的其他实施例中：本实施例与实施例1的不同之处在于，在本实施例中，钻头本体上沿周向方向设置有四层刀具，在其他实施例中，还可以设置五层刀具。

在隧道管棚施工方法的其他实施例中：本实施例与实施例1的不同之处在于，在本实施例中，每层刀具具有绕钻头本体轴向方向均匀设置的四个切削体。

在隧道管棚施工方法的其他实施例中：本实施例与实施例1的不同之处在于，在本实施例中，钻孔的过程中孔的轴向与隧道轴向设置有夹角，夹角为3°。

可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种隧道管棚施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在隧道（1）前端开挖出管棚工作室（2），管棚工作室（2）的轮廓尺寸相对于隧道（1）的轮廓向外偏移；

步骤2，在管棚工作室（2）的后侧壁上设立导墙（3），并在导墙（3）内埋设管棚导向结构；

步骤3，在管棚工作室（2）地面上设置有垂直于管棚工作室（2）长度延伸方向的滑动轨道（4），所述滑动轨道（4）上设置有承载平台（5），承载平台（5）具有高度调节结构，用于调节承载平台（5）的高度，承载平台（5）上设置有钻机（6）；

步骤4，将所述钻机（6）的钻头伸入所述管棚导向结构内进行钻孔，并通过调整承载平台（5）的高度打设对应高度的孔，打孔的范围围绕隧道（1）周向大于120°；

步骤5，钻孔完成后向孔内安装钢管（7）并在钢管（7）内安装钢筋笼；

步骤6，向安装好钢筋笼的钢管（7）内进行注浆。

2.根据权利要求1所述的隧道管棚施工方法，其特征在于，所述高度调节结构包括支撑立柱（501），所述支撑立柱（501）为伸缩构件，所述承载平台（5）设置在支撑立柱（501）顶部。

3.根据权利要求2所述的隧道管棚施工方法，其特征在于，所述承载平台（5）上设置有滑动结构，所述钻机（6）通过滑动结构与承载平台（5）滑动配合。

4.根据权利要求1所述的隧道管棚施工方法，其特征在于，所述钻机（6）的钻头包括钻头本体（8），钻头本体（8）上沿轴向方向设置有至少三层刀具，每层刀具具有绕钻头本体（8）周向方向均匀设置的多个切削体，每层所述刀具的切削体与相邻层刀具的切削体间错设置。

5.根据权利要求4所述的隧道管棚施工方法，其特征在于，所述刀具由钻头本体（8）远端至近端依次设置有第一层刀具（901）、第二层刀具（902）与第三层刀具（903），所述第一层刀具（901）设置在钻头本体（8）远端的端面上，所述第二层刀具（902）与第三层刀具（903）设置在钻头本体（8）的侧壁上。

6.根据权利要求5所述的隧道管棚施工方法，其特征在于，所述第二层刀具（902）与所述第三层刀具（903）的切削体的侧壁上均设置有切削齿（9041）。

7.根据权利要求5或6所述的隧道管棚施工方法，其特征在于，所述第二层刀具（902）的切削体底壁与所述钻头本体（8）径向具有第一夹角，所述第三层刀具（903）的切削体底壁与所述钻头本体（8）径向具有第二夹角；所述第一夹角小于第二夹角。

8.根据权利要求7所述的隧道管棚施工方法，其特征在于，所述第二层刀具（902）的切削体的径向尺寸小于第三层刀具（903）的切削体的径向尺寸。

9.根据权利要求1-6任意一项所述的隧道管棚施工方法，其特征在于，在步骤4中，打孔的范围围绕隧道（1）周向180°。

10.根据权利要求1-6任意一项所述的隧道管棚施工方法，其特征在于，在步骤4中，钻孔的过程中孔的轴向与隧道（1）轴向设置有夹角，所述夹角为1～3°。