施工技术:YG50钻机在大管棚施工中的应用

陈明

　　1隧道概况
　　蛤蟆岭隧道(DK24+975～DK25+775)位于铜陵县天门镇与青阳县新河镇的交界处，进口位于西垅村兆岭(移民新村)的南侧，属越岭隧道，进口傍山，出口位于方家村东北侧，全长800m。隧道进口位于R=2500m的曲线上，隧道内坡度为3‰的下坡。隧道最大埋深46m，最小埋深10.77m。本隧道为单线隧道，按照新奥法原理施工，采用复合式衬砌，进出口洞门采用翼墙式隧道门。
　　2隧道地质情况
$ W3 Y1 O3 T4 W9 o) a. j　　蛤蟆岭隧道区属风化剥蚀丘陵地貌，坡度一般为10°～30°，植被茂密。隧道区地层较为简单，上覆第四系上更新统残坡积角砾土，下伏志留系下统粉沙岩。
( T+ {5 {1 u' [/ {0 w4 t　　隧道围岩为V级，在进口25m、出口75m设加强段。DK24+975～DK25+042为角砾土，DK25+042～DK25+670为断层泥，DK25+670～DK25+775为角砾土。其中断层泥为泥土和石夹层，节理发育，岩体较破碎，存有基岩裂隙水，稳定涌水量为107m3/d，破碎带局部水量集中。
　　隧道偏压严重，围岩类别较差，开挖难度大。
　　3隧道塌方情况
" \1 n, U+ H( N: T  S　　2006年4月3日下午13:10分，DK25+245、DK25+249处线路右侧拱腰出现裂缝，随即线路左侧大避车洞发现掉块现象,缝隙发展迅速，13:20分裂缝已达20mm，洞内工作人员迅速撤出洞外，13:30分DK25+240～DK25+245段出现大面积坍塌。2006年4月5日上午隧道上方地表形成长约8.5m、宽约7m、深约9m的椭圆形深坑。
' F* f) G( F+ X9 d　　4塌方段加固方案
　　(1)采用回填方式加固变形段初期支护防止事故扩大：回填高度为仰拱面以上5.5m,宽度8m,平台顶面长度10m，坡道为1:4。
  |- z( k" \1 V　　(2)采用60cm、厚C20喷射混凝土封堵拱部掌子面。
　　(3)管棚施作前对掌子面处DK25+236～＋240.5段上导坑进行φ42小导管注浆加固，间距1.5×1.5m，梅花状布设，长度4.5m，管内注1:0.8的水泥—水玻璃双液浆。(小导管采用风动凿岩机钻孔顶进。注浆结束标准采用注浆量控制，扩散半径1m。单管注浆量为0.163m3。)
& Q7 R$ {5 f: ]2 ^9 d5 @! g7 @　　5管棚施工
　　在进行管棚作业前，先用水平钻机超前钻探，经钻探后得知，塌方体长度在18m以内，所以决定利用20m大管棚跨越塌方段。
　　5.1施工参数
5 f, D9 \' V5 y3 t, C　　根据钻探结果确定采用φ108mm、t5.0mm大管棚穿越塌方体，管棚长度定为20m，环向间距40cm，每环33根，外插角为5°35'，管棚内填充水泥砂浆。其中33根管棚从左至右编号为1～33号，一台钻机按1～16号顺序进行施工，另一台钻机按17～33号顺序施工。
1 {0 d5 j, f1 s; l. l) \* V8 T　　5.2钻机选择
# l# E- I' J4 g9 D, L3 n2 G' ^　　经过对多种可以进行管棚施工设备的综合能力的分析，确定超前大管棚采用两台YG50型钻机进行施工。YG50型钻机为全液压驱动动力头式钻机。适用于水电、铁路、公路边坡大吨位预应力锚固孔、排水孔、隧道口管棚孔的施工，以及预防滑坡、岩石坍塌等地质灾害的治理工程。
" {( R% i- K* T0 }) }. }　　5.2.1钻机主要技术参数为：
5 q6 ^1 t4 o8 h3 d7 r　　钻孔深度50m钻孔直径φ90～168mm
8 a1 x/ L  j4 E; x　　钻孔倾角0～90°动力头行程1800mm
　　桅杆滑移行程500mm最大输出扭矩2000Nm
　　动力头输出转速(正反)5～120转
　　最大体升力30kN最大给进力15kN
1 {( `- [) [9 S2 M1 E% D$ k　　电动机型号Y180M-4功率18.5kW
　　液压系统额定压力20MPa
　　主机外形尺寸3000×1000×1500m
6 l' T  G) _( W2 k+ ^5 \# j8 j　　5.2.2钻机主要特点：
　　(1)钻机钻进能力强，适用范围广；钻进速度快，处理事故能力强，钻进效率高。
+ g% R3 _# ^+ m! E　　(2)钻机动力头输出轴设有伸缩机构，可以有效保护钻具。动力头及孔口板调转方向可直接钻凿仰孔，大大增加钻孔倾角范围。
! i: J6 ^8 n! T& H/ [* y3 s8 F　　(3)钻机机架前部设有上下调节立柱，可调节桅杆高度，施工时对孔位快捷方便。
" ]# \7 e5 _4 x+ a! t　　(4)钻机结构为分体式，管路连接采用快速接头，可拆性好，安装迅速；可远距离进行操纵。
　　(5)钻机全液压驱动，可实现无级调速，操纵简单，维修方便。
4 l: G; F6 {7 {( {! V. x0 ?　　(6)钻机可适用多种钻进工艺方法，如合金回转钻进、螺旋钻进、潜孔锤钻进、跟管钻进等。
' i2 r: v' L( z3 x- e. V　　5.3管棚施工工艺(见图1)
- P% ~' p+ s$ P0 |　　(图略)
' t! g$ }# E" a- D2 S　　5.3.1搭设钻孔平台架设钻机
　　(1)钻机平台用钢管脚手架搭设，因为设计用7.8m的无缝钢管作为管棚管，所以平台搭设长度为8m。搭设平台应一次性搭好，钻孔时两台钻机一台由高孔位向低孔位钻进，另一台由低空位向高空位钻进，可避免两台钻机互相影响，便于钻机定位。
　　(2)平台支撑要着实地，连接要牢固、稳定。防止在施钻时钻机产生不均匀下沉、摆动、位移等影响钻孔质量。平台上可准备2m长的方木若干，调准钻机高度时使用。
　　(3)钻机定位：塌方过渡段6m内已用钢拱架加固过，为保证较小的钻进倾角，钻机在离工作面6m处固定。钻机要求与已设定好的孔口管方向平行，必须精确核定钻机位置。用经纬仪、挂线、钻杆导向相结合的方法，反复调整，确保钻机钻进时的倾角、仰角。
4 f" s* k9 E  V# @  ^" y0 r1 h1 m* T　　5.3.2钻孔
　　a.由于塌方体中隐埋有大量钢格栅、锚杆、注浆小导管，一般钻头遇到这种情况无法继续钻进，所以在钻孔初期用专门设计的φ130合金钻头进行切割。这种合金钻可切割φ22螺纹钢、φ42小导管、8mm厚的钢板等。
9 a( z/ \% X7 V3 ~　　b.钻孔深度达到2m后，受倾角控制，钢格栅、锚杆、注浆小导管已基本不再出现，此时改用潜孔锤钻进，压缩空气清孔，潜孔锤后连接4m长扶正器，以便保证钻孔方向与孔的轴线吻合。
　　c.钻进中遇到岩土粘性变大时，潜孔锤的作用受到限制，排出的岩屑多为泥团，当钻孔较深时，排屑十分困难。此时改用三翼钻头钻进，可结合KBY50/70液压注浆机向孔中注入高压水，与高压风混合将粘性碎渣吹出。
3 [8 w+ s% [1 R# J8 B2 I　　5.3.3清孔验孔
8 }9 X! T6 c# p  ?0 N5 b9 j, j　　a.用三翼钻头来回扫孔，清除浮渣至孔底，确保孔径、孔深符合要求、防止堵孔。
  }  g# }. x: `( V& R　　b.用压缩空气从孔底向孔口清理钻渣。用经纬仪、测斜仪等检测孔深，倾角，外插角。
　　5.3.4安装管棚钢管
; w7 q+ z0 `6 Q2 ]　　a.管棚管用φ108mm、t5.0mm长7.8m的无缝钢管焊接而成，管节采用2m长φ89无缝钢管连接。棚管四周钻φ10出浆孔，靠掌子面4～5m的管径上不钻孔，管头焊成圆锥形，便于入孔。
' N6 G6 G8 r( N4 e　　b.棚管顶进采用大孔引导和棚管机钻进相结合的工艺，即先钻大于棚管直径的引导孔(φ130mm)，然后用YG50钻机边回转边推进顶进钢管。
3 Q- a  J, d3 U! z  e　　c.为保证管棚管的焊接相连处不集中在同一断面，相邻两孔的管棚管接头应前后错开，确保受力情况良好。
8 G4 p$ P$ y( E5 Q8 i8 V! c　　5.3.5填充
　　管棚内注填充水泥砂浆，配比为1:2。
　　5.3.6质量控制措施
# @% l$ D' N( N% z* Q# Q　　a.管棚钻孔质量：严格控制钻孔最大下沉量及左右偏移量在15～20cm范围内。
　　b.管棚不得侵入隧道开挖线内，相邻的钢管不得相撞和交叉。
6 o# ^0 [% f! S. \+ b& A. l　　c.管棚钻孔时每钻进2m进行一次钻杆轴线检查，误差超限及时纠偏。
. X* U: u+ `6 T% H$ L# n% ~, L　　5.3.7安全措施
　　a.掌握好开孔与正常钻进的压力和速度，防止断杆事故。
" {: I2 K2 @) _0 h& H　　b.钻孔中如发生卡钻、斜孔、坍孔等故障，应及时采取措施处理。
* z6 Y2 ^4 m+ C- u% e' B- r0 k; J　　6结语
　　对于隧道塌方处理，大管棚支护具有十分安全可靠的作用，但如何经济、快速的实现是施工单位面临的实际问题，YG50型钻机在蛤蟆岭隧道施工中，10天时间内顺利完成管棚施工，这一成功案例证明了该设备和工法的可行性。当然，在复杂地段如何进一步提高施工速度，我们将继续探索。
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