不良地质隧道大管棚施工技术
关键词：地铁,隧道,大管棚,施工,工艺
前言
西安市城市快速轨道交通二号线一期工程，是西安市重点工程，是西安市广大市民瞩目的项目，建设意义重大，施工需充分体现“节约地铁、精准地铁、艺术地铁、和谐地铁、安全地铁、人文地铁、科技地铁、绿色地铁”的理念。
西安地铁韦曲南站站后配线工程，项目繁多，内容庞杂，施工专业多，工序衔接紧，互相干扰大是其重要特点。涉及土建、给排水与消防、通风空调与采暖、场内综合管线、低压配电与照明、工艺设备、气体灭火系统、路基、隧道、土方等专业，故而要求施工单位具有较高的综合施工资质和丰富的施工组织经验、强大的专业施工实力和高度的协调指挥能力。
1、工艺原理
在隧道开挖前沿开挖轮廓线钻设与隧道轴线平行的钻孔，然后插入不同直径的钢管，并向管内注浆，固结管周围的围岩形成棚架支护体系。主要作用是提高管周围岩体的抗剪强度，达到加固围岩压力的作用；大管棚结构的抗弯、抗剪功能可有效承载局部松弛的地层荷重，适时提供隧道开挖后而支护施作或发挥作用前所需的支撑力，使隧道开挖面得以安全稳定并同支护和结构形成空间支撑系统。
2、工艺特点
施工机具设备简单，施工简便。可用于特殊不良地质隧道的开挖。
3、定义及适用范围
（1）定义
大管棚超前支护就是为了保证隧道开挖的安全，利用隧道管棚机在隧道开挖工作面的拱部外周钻设水平孔，插入直径为φ70～180mm的钢管，并注浆固结地层使隧道拱顶形成一伞状保护环。
（2）适用范围
①隧道洞口浅埋地段或软弱破碎围岩段进洞施工。
②富水软弱破碎地质、砂砾地层、岩溶地质不良等不良地质地段的隧道开挖辅助措施
③作为地铁、铁路、公路或地下结构物下方修建隧道的辅助工法。
④隧道坍方的处理。
4、施工工艺流程
施工工艺流程见大管棚施工工艺流程图1。
5、施工操作要点
大管棚必须在洞身开挖前完成。洞口开挖时应预留管棚施工台阶，搭设管棚施工工作室，钻机脚手架平台应支撑在稳固的地基上。在软弱围岩地段，立柱底应加设垫板或垫梁。
在施作大管棚预支护的过程中应设置必要的监测项目，根据监测反馈信息及时采取相应的措施以保证施工安全和施工质量。
（1）施工准备（套拱施工）
①混凝土护拱作为长管棚的导向墙，在开挖廓线以外拱部144o范围内施作，断面尺寸为2.0×0.5～1.0m，护拱内埋设型钢拱架，拱架与管棚孔口管连接成整体。导向墙环向长度可根据具体工点实际情况确定，要保证其基础稳定性。
②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。用全站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。
（2）搭钻孔平台安装钻机
①钻机平台用钢管脚手架搭设，搭设平台应一次性搭好，钻孔由1～2台钻机由高孔位向低孔位进行。
②平台要支撑于稳固的地基上，脚手架连接要牢固、稳定，防止在施钻时钻机产生不均匀下沉、摆动、位移而影响钻孔质量。
③钻机定位：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，确保钻机钻杆轴线与孔口管轴线相吻合。
（3）钻孔
①为了便于安装钢管，钻头直径采用Φ127mm。
②岩质较好的可以一次成孔。钻进时产生坍孔、卡钻时，需补注浆后再钻进。
③钻机开钻时，应低速低压，待成孔10m后可根据地质情况逐渐调整钻速及风压。
④钻进过程中经常用测斜仪测定其位置，并根据钻机钻进的状态判断成孔质量，及时处理钻进过程中出现的事故。
⑤钻进过程中确保动力器、扶正器、合金钻头按同心圆钻进。
⑥认真作好钻进过程的原始记录，及时对孔口岩屑进行地质判断、描述，作为洞身开挖时的地质预测预报参考资料，从而指导洞身开挖。
（4）清孔验孔
①用地质岩芯钻杆配合钻头进行反复扫孔，清除浮渣，确保孔径、孔深符合要求，防止堵孔。
②用高压风从孔底向孔口清理钻渣。
③用经纬仪、测斜仪等检测孔深、倾角、外插角。
（5）安装管棚钢管
①钢管在专用的管床上加工好丝扣，导管四周钻设孔径10～16mm注浆孔(靠孔口2.5m处的棚管不钻孔)，孔间距15～20cm，呈梅花型布置。管头焊成圆锥形，便于入孔。
②棚管顶进采用装载机和管棚机钻进相结合的工艺，即先钻大于棚管直径的引导孔(Φ127mm)，然后用装载机在人工配合下顶进钢管。
③接长钢管应满足受力要求，相邻钢管的接头应前后错开。同一横断面内的接头数不大于50%，相邻钢管接头至少错开1m。
（6）注浆
①管棚施工完成后开始注浆，注浆前对所有孔眼安装止浆塞，同时对管口与孔口外侧进行密封处理。
②注浆材料：注浆材料为M20水泥浆或水泥砂浆。
③采用注浆机将砂浆注入管棚钢管内，初压0.5～1.0MPa，终压2MPa，持压15min后停止注浆。
注浆量应满足设计要求，一般为钻孔圆柱体的1.5倍；若注浆量超限，未达到压力要求，应调整浆液浓度继续注浆，确保钻孔周围岩体与钢管周围孔隙充填饱满。
注浆时先灌注“单”号孔，再灌注“双”号孔。
6、设备机具配置
结合正常施工需要，管棚施工机械设备配置如下：
管棚钻机1～2台、电动空压机1台、注浆机1台、ZJ-400高速制浆机1台、混凝土拌合站一座、混凝土振动棒2个、钢模板、木模板、J3G-400A型型材切割机1台、型钢弯制机1台、BX1－400型交流弧焊机2台、砼搅拌运输车（3.5m3）1辆、ZLC50C装载机1辆。
7、质量控制及检验
（1）质量控制
①钻孔前，精确测定孔的平面位置、倾角、外插角，并对每个孔进行编号。
②钻孔外插角1°～3°以为宜，工点应根据实际情况作调整。钻孔仰角的确定应视钻孔深度及钻杆强度而定，一般控制在1°～1.5°。施工中应严格控制钻机下沉量及左右偏移量。
③严格控制钻孔平面位置，管棚不得侵入隧道开挖线内，相邻的钢管不得相撞和立交。
④经常量测孔的斜度，发现误差超限及时纠正，至终孔仍超限者应封孔，原位重钻。
⑤掌握好开钻与正常钻进的压力和速度，防止断杆。
（2）质量检验
管棚所用钢管进场必须按批抽取试件作力学性能（屈服强度、抗拉强度和伸长率）和工艺性能（冷弯）试验，其质量必须符合国家有关规定及设计要求。
①检验数量：以同牌号、同炉罐号、同规格、同交货状态的钢管，每60t为一批，不足60t按一批计。施工单位每批抽检一次；监理单位按施工单位抽检次数的20%进行见证取样检测或按施工单位抽检次数的10%进行平行检验，至少一次。
②检验方法：施工单位检查每批质量证明文件并进行相关性能试验；监理单位检查全部质量证明文件和试验报告，并进行见证取样检测或平行试验。
（3）管棚所用钢管的品种和规格必须符合设计要求。
①检验数量：施工单位、监理单位全部检查。
②检验方法：观察，钢尺检查。
（4）管棚搭接长度应符合设计要求。
①检查数量：施工单位、监理单位全部检查。
②检验方法：尺量。
（5）注浆浆液的配合比应符合设计要求。
①检验数量：施工单位、监理单位全部检查。
②检验方法：施工单位进行配合比选定试验；监理单位检查配合比选定单，并进行见证试验。
（6）注浆压力应符合设计要求，注浆浆液应充满钢管及其周围的空隙。
①检验数量：施工单位全部检查；监理单位按施工单位检查数量的20%见证检查。
②检验方法：施工单位查施工记录的注浆量和注浆压力，观察；监理单位见证检查。
（7）一般项目
管棚钻孔的允许偏差应符合下表的规定：
管棚钻孔允许偏差表
序号项目允许偏差
1方向角1o
2孔口距±50mm
3孔深±50mm
①检验数量：施工单位全部检查。
②检验方法：仪器测量、尺量。
8、安全及环保要求
（1）安全要求
①施工期间，应对支护的工作状态进行定期和不定期检查。在不良地质地段，应由专人每班检查。
②杆简易台架应安置应稳妥。
③在注浆过程中如发生风、水、输料管路堵塞或爆裂时，必须依次停止风、水、料的输送。
④在管棚注浆过程中，操作人员要避开管棚的轴线延长线方向，在管棚的侧向并远离锚杆尾部的位置上操作注浆机，防止注浆管爆裂伤人。
（2）环保要求
①生产中的废弃物及时处理，运到当地环保部门指定的地点弃置。
②按环保部门要求集中处理试验及生活中产生的污水及废水。
9、结束语
中铁九局在施工过程中，在招标文件规定的工期范围内科学合理的策划各专业工程的施工工序、施工工期及其施工工期内须配合的工作项目、要求和标准；同时在施工程序设计上本着先难后易，先下后上，先主后次，先大后小的原则进行。
本合同段工程于2010年1月1日开工，竣工于2012年8月20日。总工期日历天数为963天，实际完成时间比业主要求工期提前11天。