1、2009年度參評三級工法 偏心鉆具擴孔鋼套管跟進長管棚施工工法 偏心鉆具擴孔鋼套管跟進長管棚施工工法1.前言毛爾蓋水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州黑水縣境內，黑水河中游紅巖鄉至俄石壩河段，是黑水河流域水電規劃二庫五級方案開發的第3梯級電站，該電站為大（2）型引水式，單一發電工程。毛爾蓋水電站引水隧洞全長16.15km，中鐵十三局集團有限公司承建的MEG2007/C2-2合同段起訖里程為（引）2462（引）4249，隧洞總長1787m，斷面為圓形，內徑8.60m，開挖斷面為直徑9.410.2m的圓形，縱坡1.58，全斷面采用鋼筋混凝土襯砌結構。隧洞最大埋深600m，與巖層走向夾角約2060左右

2、。該段巖層軟硬相間，千枚巖所占比例比較高，表現為互層狀結構，巖體完整性差，圍巖不穩定。隧洞通過雙溜所溝，最淺埋深約75m，覆蓋層厚約5m，成分主要為崩積、洪積成因的塊碎石土，與巖層走向夾角約2060左右。該段因過溝段隧洞洞頂板上覆基巖厚度小，溝內常年流水，風化卸荷作用強烈、地下水比較活動，巖體完整性差，呈碎裂散體結構，圍巖極不穩定。在引水隧洞下游段施工至K3+313時，發生了塌方，采用了超前錨桿及超前小導管護頂并配合鋼支撐和噴砼聯合支護法施工，由于小導管作業循環多，加固范圍小，施工工期長，當掌子面施工至K3+323時，發生大塌方，塌方總量達3000m3,塌方空腔高度約20m，將K3+316-K

3、3+323段一次支護全部砸毀。為了確保安全及加快施工進度，完成貫通目標，經業主、設計、監理、施工單位四方現場研究，決定采用偏心鉆具擴孔鋼套管跟進長管棚法施工，解決松散渣體成孔難的難題，完成塌方段開挖任務。2.工法特點（1）施工所用機械設備相對較小，且均有履帶式或步履式，移動靈活，工藝簡單，操作方便。（2）施工過程中廢水、廢液產生較少，產生污染小，符合環保、水保要求。（3）施工速度快，對整個工程工期影響較小。（4）超前支護效果明顯，安全可靠，且經濟和社會效益顯著。（5）適用范圍廣。3.適用范圍偏心鉆具擴孔鋼套管跟進長管棚法適用于隧洞大塌方、土夾石、軟弱破碎等一切成孔難的巖體隧道施工時采用。4.工

4、藝原理4.1采用的鉆孔機具設備采用YXZ70型錨固鉆機擴孔及單偏心DP102低風壓型潛孔錘跟管鉆具作為鉆孔、擴孔的主要配套機具；YXZ70型錨固鉆機為電動機械式潛孔沖擊式鉆機。鉆機由主機、液壓鉆、操作臺三大部分組成，用高壓膠管相互連接為一整體。主機放在鉆機平臺上，液壓站和操作臺可放在平臺下部(見圖1)。 圖1 大管棚縱剖圖鉆機水平鉆進狀態尺寸為3050mmx9OOmmx1190mm (長x寬x高)，鉆機總量1260kg；主機(含動力頭、軌道和底盤架)重770kg；液壓站(含油箱、散熱器、油泵電機和支架)重340kg；操作臺(含操作臺架、多路換向閥和液壓油管)重150kg；最大部件動力頭重235

5、kg。鉆機占用工作平臺面積不大，重量輕，移動方便。DP102型潛孔錘跟管鉆具與YXZ70型錨固鉆機的鉆桿和管棚鋼套管相連接，由潛孔沖擊器、導正器、偏心擴孔鉆頭、套管靴等組成(見圖2)圖2 潛孔錘跟管鉆具組合圖4.2鉆進系統工藝原理鉆機鉆進時，鉆機帶動鉆桿回轉，鉆桿將回轉扭矩傳給潛孔鉆沖擊器，當壓縮空氣從鉆桿送入潛孔沖擊器使之工作后，由潛孔沖擊器通過花鍵帶動沖擊導正器轉動。沖擊導正器上有偏心軸，上面安裝著偏心鉆頭，由于偏心軸上的磨擦力小于孔底圍巖對偏心鉆頭的磨擦力，沖擊導正器轉動時，偏心鉆頭張開，并在開啟到設計位置后被限位鍵限住，隨著導正器回轉，沖擊器活塞沖擊導正器，導正器將沖擊波和鉆壓傳遞給偏

6、心鉆頭，對孔底巖石進行破碎。由于偏心鉆頭鉆出的孔徑大于鋼套管的外徑，當導正器上的臺肩與套管靴上臺肩接觸時，導正器將鉆壓和沖擊波部分施加給套管靴，再加上鉆壓的作用，迫使套管靴帶動整個鋼套管與鉆具同步跟進，保護已鉆孔段的孔壁。當鉆進作業告一段落，需將鉆具后退，慢速反轉鉆具，偏心鉆頭依靠慣性力和孔底磨擦力收縮返回，整套鉆具的外徑小于鋼套管內徑，即可將鉆具退回到進行配鉆桿和鋼套的位置，或將鉆具退至孔外，鋼套管留孔內護壁。5.施工工藝流程及操作要點5.1施工工藝流程（見圖3）：管棚制作鋼套管跟進鉆孔安裝108管棚固結灌漿鉆機安裝固定挖出塌方渣體總結改進操作平臺搭建拔出鋼套管圖3 施工工藝流程圖5.2施工

7、方法5.2.1管棚制作及孔位布置根據該塌方段圍巖情況，采用D108*6熱軋無縫鋼花管作管棚，即直徑壁厚=1086mm。每環孔從拱頂開始布設，除拱頂布設1個，兩側分別按40cm間距布設。布置范圍為拱頂120，共計28孔，每孔管棚長度為25m，累計700延m(見圖4)，鋼套管分節長度為15m，兩節套管問采用內車絲扣方式設連接。根據塌方段實際情況，塌方體段長約7m,鋼套管跟進長度為6節1.5m為宜，并視具體情況可以加長。5.2.2管棚長度及花管、實管設置根據現場實際情況，管棚長度L=25m (4根6m根1根1m/根和1根1m/根+4根6m根交錯進行布置安裝)，兩節管棚問采用內車絲扣方式設連接，在保證

8、孔口段1.5m為實管的條件下，其他段為花管，出漿孔直徑為15mm，梅花型布置，間距15cm15cm。(見圖5)。圖4 大管棚橫剖圖圖5 管棚導管布孔圖5.2.3導管方位角選擇經過嚴密的計算，在外插角為2時，管棚尾部高出設計開挖線0.87m左右，可以有效防止管棚施作后進入開挖斷面，避免開挖后出現割管現象。在實際操作中外插角控制在23之間。5.2.4技術操作要點(1)操作平臺及鉆機安裝牢固，洞邊墻支撐固定，保證施工中鉆機及平臺的穩定性。同時平臺和鉆機安裝平整，用水平尺校正，確保其水平度。(2)鉆具及跟管開孔保證孔位點、導向器及動頭三點一線，并加長導管，隨時用導向器導向以保證鉛直度，確保管棚的設計轉

9、向傾向。(3)鉆孔跟管開孔先采用低風量、低壓力純沖擊，先造引導孔，待孔基本成型后，開動正轉讓偏心鉆具工作帶動導管跟管，但轉速要限制，以確保孔口巖體不被大面積擾動破壞。(4)鉆孔跟管過程中，控制進尺速度不能過快，注意間歇空鉆排渣，以保證導管與鉆桿間通道暢通，避免卡鉆并控制風量及鉆壓(風量、風壓以保證沖擊器正常工作為準)。(5)鉆孔跟管起鉆時，先關閉風，然后反轉半轉收回偏心鍾才起鉆。(6)操作過程中特別注意，風是偏心鉆具在導管內，只能反轉，不能正轉，只有偏心鉆具出管靴后才正轉。(7)在用金鋼石鉆具鉆進過程中，時刻注意控制好水流量，盡量采用低壓、高轉速進行鉆進。5.2.5特殊情況處理措施(1)鉆孔跟

10、管過程中，若排渣不暢，出現殘渣滯于導管內將鉆桿抱死現象，可直接敲擊導管，并少許反轉，如此反復，以幫助排渣，但應注意可能會將鉆具、管靴等反掉。若鉆桿已被抱死，無法清理通暢，則只能利用鉆機液壓將導管全部拔出，重新跟管。(2)鉆孔跟管過程中，若排渣不暢，必須采取收回偏心錘以協助排渣。當出現偏心錘重新下入孔底不能出管靴情況時，可將偏心鉆具下到孔底后，在管內正轉半轉，讓偏心頭卡住導管內壁，再利用鉆機液壓輕輕拔管少許，然后反轉(控制旋轉一周360度)，將鉆下到底，進行純沖擊鉆進，以確保偏心鉆頭出管靴，繼續鉆進跟管。(3)若鉆孔跟管結束后，出現偏心鉆具無法收回導管內的情況，可采取控制風量，壓力回零，空正轉數

11、轉后，停風，給少許壓力，用手動反轉半轉，再用液壓反拔鉆桿鉆具，當可拔出后重新鉆孔跟管。(4)若鉆孔跟管過程中，出現鉆桿鉆具仍然有進尺，但導管則不繼續跟時，則不是管靴脫落或斷裂，就是中部某段導管脫落，只能拔管重新跟管。(5)若圍巖太硬或跟管進尺較長，或圍巖軟硬不均，可能出現管靴變形，鉆具旋轉負荷大并伴有金屬磨擦聲，且導管跟著旋轉的現象時，只能反拔導管抵換靴后重新跟管。(6)若因圍巖軟硬不均，造成導管與鉆桿不同心，鉆進跟管困難時，以及仍需跟管長度不長進，可采用人工扶正強行跟管至結束；若仍需跟管長度較長，必須拔管重新跟管。(7)在發現金鋼石鉆具鉆進無進尺時，應立即起鉆，檢查鉆具和巖心管，看其是否是因

12、為金鋼石鉆具磨損嚴重或巖心管堵管造成。5.2.6灌漿方法灌漿前首先要素噴lOcm厚砼將塌方渣體封閉，防止漏漿。采用純壓式灌漿方法進行灌漿。本灌漿工程為臨時加固工程，灌漿目的是使洞挖時水泥漿膠體能在洞周圍一定范圍內起到粘結松散渣體的作用。結合以往施工經驗，對灌漿數作如下設置：（1）灌漿壓力：灌漿孔口壓力視其具體情況控制在01-03MP為宜(目的是控制擴散半徑)。（2）漿液水灰比：采用l：l和05：1兩級水灰比(以濃漿灌注為主，以使能盡快起到膠凝粘結作用)。注漿分兩次進行，即第一次是編號為單號的孔位進行注漿，第二次是編號為雙號的孔位進行注漿。若單號孔位注漿不密實，可通過雙號孔位注漿填充密實。大管棚

13、在注漿前要在將鋼花管與預埋導向管間空隙用水泥砂漿封堵，避免露漿。在后來的開挖過程中，證明灌漿充填鋼管及周圍空間，相鄰的管孔能夠滲透連接，形成天幕式的管棚結構，加強了管棚的剛度和強度。（3）通過焊接在鋼花管上的止漿閥對大管棚注漿，注漿壓力為2.02.5MPa，在壓力達到2.0以上后持續15min，注漿量一般為鉆孔圓柱體的1.5倍，若注漿量超限，未達到壓力要求，應調整漿液濃度繼續注漿，直至符合注漿質量標準，確保鉆孔周圍巖體與鋼管周圍孔隙均為漿液充填，方可終止注漿。（4）注漿時要關注注漿機壓力表的變化，若出現壓力表指示持續在1.0MPa以下，則要停止注漿進行檢查，長見的原因為注漿機出現故障、漿液從地

14、表竄出、與地表徑流相通，可依實際情況采取稍停注漿或調整漿液的方法處理。5.3隧洞監測5.3.1監控點布設此次塌方處理過程中的實時監控量測分三項內容：隧洞拱頂沉降量測、隧洞圍巖收斂變形量測以及隧洞支護結構受力情況監測。（1） 隧洞拱頂沉降量測：共設置4個測點，均位于隧洞拱頂，對應樁號分別為K3317，K3318，K3320，K3330（塌方區外）。（2） 隧洞圍巖收斂變形量測：在隧洞某一斷面的巖壁上安設多個測點，然后使用多點位移計定期測量各測點的相對位移，利用位移變化量及變化速度來判定隧洞是否處于穩定狀態。本次監測過程采用的多點位移計精度為0.01mm。（3） 隧洞支護結構受力測量：在隧洞圍巖與

15、支護結構之間預埋壓力盒，并利用鋼弦測力計測量壓力盒受力。5.3.2隧洞圍巖變形分析5.3.2.1K3318拱頂沉降曲線曲線分析：該曲線數據顯示的最大沉降值為15mm；最大隆起值為7mm。拱頂最終沉降量為56mm。該曲線呈遞減趨勢，表明隧道拱頂呈穩步沉降趨勢。隧道拱頂最終沉降值56mm，遠小于設計中的預留變形值150mm。 圖6 K3+318拱頂沉降曲線 5.3.2.2K3319.5收斂曲線分析曲線分析：該曲線反映的變形量在0值上下波動，但波動幅度逐漸減小，而且最后兩次測量的結果均為正值且與0極為接近。這說明AD的距離也將趨于恒定值。而A、D兩測點分別位于隧道掌子面的拱頂和左側，AD變化恰恰代表

16、了隧道圍巖自穩性最薄弱的位置。AD距離不變說明隧道整體上已經趨于穩定。可以預見，經過較短的時間后，隧道將處于穩定狀態。 圖7 K3+319.5收斂測站AD變化速率曲線 圖8 K3+320.5壓力測站壓力變化曲線5.3.2.3隧洞支護結構受力分析曲線分析：曲線前半部分波動較大，說明壓力盒受力不夠平穩；后半部分曲線趨于平緩，說明壓力盒受力漸趨平穩，也說明支護結構已與上部巖體密貼。壓力數值保持在18kN以下，這個數值在壓力盒與支護結構可承受的范圍之內。6.材料與設備表1 工法投入材料與設備一覽表序號材料與設備名稱規格單位用途數量性能1錨固鉆機YXZ70型臺鉆孔1良好2潛孔錘跟管鉆具DP102型臺擴孔

17、1良好3注漿機YSB250/120型臺灌漿1良好4波美比重計0-70個測漿液濃度1良好5精密水準儀WILD-N3臺測拱頂沉降1良好6收斂計m195389臺測隧道位移1良好7振弦式壓力盒XSJ系列個支護結構受力測量4良好8同心套管千斤頂MJW系列臺拔鋼套管1良好9鋼管1085m管棚材料70010鋼套管120節護壁407.質量控制(1)鉆孔前，精確測定孔的平面位置、傾角、外插角，并對每個孔進行編號，檢查鉆孔、打管質量時，應畫出草圖，對孔位編號、逐孔、逐根檢查并認真填寫記錄。(2)鉆孔仰角的確定應視鉆孔深度及鉆桿強度而定，一般控制在23（角度用地質羅盤儀檢查），鉆機最大下沉量及左右偏移量為鋼管長度的

18、1%左右，并控制在20cm30cm。(3)嚴格控制鉆孔平面位置，管棚不得侵入隧道開挖線內，相鄰的鋼管不得相撞和立交。(4)經常量測孔的斜度，發現誤差超限及時糾正，至終孔仍超限者應封孔，原位重鉆。(5)掌握好開鉆與正常鉆進的壓力和速度，防止斷桿。(6)單孔注漿量不得少于平均每孔注漿量的80。(7)注漿過程中，要逐管填寫記錄，標明注漿壓力、注漿量、發生情況及時處理過程。(8)檢查注漿范圍，固結不良或厚度不夠時，要補管注漿。8.安全措施(1)項目部由領導帶班、技術人員和安全員24小時輪流值班，遇到突發事件，立即采取應急處理措施。(2)及時匯報，先期監控頻率按2 h次，待變形基本控制住后可每班監控1次

19、。(3)在施工過程中，應以安全為重，為了防止作業人員疲勞，宜采用3班工作制，禁止無關人員進入洞內，安全員應隨時注意觀察圍巖變化。若有突變，所有人員必須立即撤離。(4)應加快處理速度，以盡量減小變形發展。9.環保措施本工法施工中嚴格遵守國家有關環境保護的相關法律、法規和規章，并按招標文件相關條款規定，施工過程中遵循監理人的環保意見，以“防止污染，降耗節能，堅持文明施工”為方針，建立責任明確的環境保護及水土保持組織機構，制定行之有效的環保水保措施，切實做好施工區及生活區的環保水保工作，防止由于工程施工過程中、施工完成后造成環境污染和水土流失。具體措施如下：(1)施工現場加強對噪聲、粉塵、廢氣、廢水

20、的控制和治理，采取有效措施降低噪聲，控制粉塵和廢氣濃度，以及做好廢水和廢油的治理和排放。揚塵、噪聲、污水和廢棄物排放滿足當地政府規定標準。(2)廢水經沉淀池進行兩次沉淀處理后，出水SS濃度應小于800mg/L，施工區實行生態流動廁所管理。污水應符合環境保護法規的要求方可進行排放。(3)保持施工區和生活區的環境衛生，及時清除垃圾和廢棄物，并運至指定的地點堆放和處理。進入現場的材料、設備必須置放有序，防止任意堆放器材、雜物阻塞工作場地周圍的通道和破壞環境。10.效益分析現以毛爾蓋水電站2#引水隧洞工程為例，下游大塌方段采用偏心鉆具擴孔鋼套管跟進長管棚法施工，管棚布置范圍為拱頂120，管棚長度L=2

21、5m，共28根，700延米。分析管棚在現場施工中的實際費用。管棚費用主要包括管棚施工的人工費、管棚施工的機械臺班費、管棚施工的材料費三大部分。10.1人工費偏心鉆具擴孔鋼套管跟進長管棚法施工工序多，工種雜、技術性強、要求技術工人具有各方面獨立操作能力，又能處理管棚施工中一般的故障，管棚施工的質量很大程度上取決于鉆孔和注漿的質量。一臺鉆機三班作業勞力組織為：機長1人、技術人員2人、操作手3人、修理工1人、電工1人、電焊工1人、雜工9人、合計18人。（1） 加工管棚鋼管：45工日80元/工日=3600元。包括割、焊鋼管錐形探頭，鋼管施鉆8mm出漿孔等。（2） 加工鋼管絲扣：20元/個112個=22

22、40元。（3） 搭操作平臺、布設水、電、氣管路等準備工作：20工日80元/工日=1600元。（4） 鉆機就位、鉆孔、掃孔、頂管、注漿：270工日80元/工日=21600元。人工費合計：3600+2240+1600+21600=29040.00元。10.2機械臺班費（1）鉆機：54臺班500元/臺班=27000元。（2）電動空壓機（20m3/h）：54臺班674元/臺班=36396元。（3）壓漿機（50L）：9臺班100元/臺班=900元。（4）拌漿機：9臺班50元/臺班=450元。機械臺班費合計：27000+36396+900+450=64746.00元。10.3材料費（1）鋸木：20m340

23、0元/m3=8000元(按兩次攤銷)。（2）鋼管：10.565t4200元/t=44373元。（3）水泥（42.5級）：65t300元/t=19500元。材料費合計：8000+44373+19500=71873.00元。10.4 利潤（1）三項費用合計：165659.00元，管理費與稅收按15%計：24848.85元，管棚現場施工實際總費用為190507.85元。按隧洞延米計：（165659+24848.85元）/25m=7620.31元/m。（2）業主批復管棚單價515.00元/m，管棚實際計價款515元/m700m=360500.00元。（3）實現利潤360500.00-190507.85

24、=169992.15元。11.應用實例11.1 應用實例一項目名稱：四川省阿壩州黑水河毛爾蓋水電站引水隧洞二標。地 點：四川省阿壩州黑水縣雙留索鄉中鐵十三局毛兒蓋水電站2#引水隧洞，下游樁號K3+316-K3+323塌方段。結構形式：結構斷面為單心圓形，內徑8.60m，開挖斷面為直徑9.410.2m的圓形，全斷面采用鋼筋混凝土襯砌結構。工法開竣工日期：2008年11月15日開工，2008年12月02日完工。實物工程量：下游大塌方段采用偏心鉆具擴孔鋼套管跟進長管棚法施工，管棚布置范圍為拱頂120，管棚長度L=25m，共28根，700延米。應用效果及存在問題：(1) 采用偏心鉆具擴孔鋼套管跟進長管

25、棚法施工工法，技術可靠，施工安全，特別是處理大塌方等成孔難的隧道施工，可以很好的解決成孔難的難題。同時采用長大管棚與預注漿相結合的施工方法，整體性好，能夠保證施工安全和工程質量。(2)施工速度快。利用長大管棚與預注漿相結合的方法，一次性安全跨過大塌方體，從準備到完成僅僅用了17d，并且沒有再次發生塌方。 圖片1 工法在大塌方施工中應用(3)利用YXZ70型錨固鉆機與單偏心DP102低風壓型潛孔錘相結合，施工工藝簡單，不需要較大的工作室，只需要在工作面用50鋼管搭設一個臨時平臺即可，并且設備比較輕，移動方便。（4）施工過程中廢水、廢液產生較少，產生污染小，符合環保、水保要求。（5）超前支護效果明

26、顯，安全可靠，且經濟和社會效益顯著。（6）因塌方段在洞內，操作空間相對受一定局限，影響工期。（7）在塌方段實施該工法，因處在塌方體上，無支撐或支撐不夠堅實，在拔鋼套管工序中，施工難度較大。11.2 應用實例二項目名稱：大運公路介休至霍州改建工程第三合同段。地 點：山西省靈石縣大運公路介休至霍州改建工程，進口里程樁號K22+415采用該工法施工進洞。結構形式：隧道橫斷面為曲墻式斷面構造，凈空斷面為三心圓，拱頂單心圓半徑為5.17m，側墻半徑為7.67m，仰拱半徑為15.0m，仰拱與側墻由.0m半徑圓弧連接。隧道橫斷面采用噴錨支護，復合模筑混凝土襯砌。工法開竣工日期：2008年04月05日開工，2

27、008年04月21日完工。實物工程量：該隧道進洞施工采用偏心鉆具擴孔鋼套管跟進長管棚法施工，管棚布置范圍為拱頂150，管棚長度L=45m，共34根，1530延米。應用效果及存在問題：(1) 該隧道進洞段圍巖為土夾石坡土，非常破碎，采用偏心鉆具擴孔鋼套管跟進長管棚法施工工法，技術可靠，施工安全，特別是處理土夾石、軟弱破碎等成孔難的隧道施工，可以很好的解決成孔難的難題。該隧道含水量大，采用預注水泥水玻璃雙液漿（比例1：1）與長大管棚相結合的方法，能夠保證施工安全和工程質量。整體效果更好。 圖片2 工法在土夾石破碎圍巖施工中應用(2)施工速度快。利用長大管棚與預注漿相結合的方法，一次性進洞成功，從準備到工法完成僅僅用了15d，掘進過程中無塌方掉快的現象，支護效果非常好。(3)利用YXZ70型錨固鉆機與單偏心DP102低風壓型潛孔錘相結合，施工工藝簡單，只需要在工作面用50鋼管搭設一個臨時平臺即可，并且設備比較輕，移動方便。(4)施工過程中廢水、廢液產生較少，產生污染小，符合環保、水保要求。(5)超前支護效果明顯，安全可靠，且經濟和社會效益顯著。(6)施作本工法前，在洞口襯砌輪廓線外先施作長2m鋼筋砼套拱，套拱內預埋127鋼管，為長管棚作定向用，套拱砼，還可以作為拔鋼套管基座。第 11 頁 共 11 頁