隧道工程项目中的超前管棚注浆施工工艺

时间:2023-06-13 15:20:06 公文范文 来源:网友投稿

李扬奇

出于安全考虑,隧道施工中需采取科学的方法稳固围岩,在现行的围岩加固技术中,超前大管棚注浆施工工艺颇具代表性,在稳固围岩方面有突出作用。为此,需深入研究超前大管棚注浆施工工艺,以科学的方法施工,发挥出该项施工工艺的应用价值。

某四车道分离式隧道,设计速度80km/h,左线起讫里程ZK106+000~ZK108+216,长2216m;
右线起讫里程K106+000~K108+174,长2174m。隧道建筑限界10.25m,净高5.0m,采用端墙式洞门。围岩开挖具有扰动性,而隧址区以堆积碎石土层居多,自稳能力有限,在开挖过程中易引发围岩坍塌事故,需加强对围岩的加固处理。

(1)工艺的重要性分析。本隧道的开挖断面尺寸大,洞口埋设浅,围岩土体以泥岩和砂岩居多,均缺乏密实性与稳定性,隧洞进洞难度大,有坍塌风险。根据安全施工的基本要求,在工程初期采取安全防护措施。以超前大管棚注浆的方式对洞口段堆积体做加固处理,固结稳定后方可开挖。经过超前大管棚注浆施工后,开挖轮廓线的外圈形成棚幕和壳体结构,有利于提升洞口部位边仰坡的稳定性,给隧道进洞营造安全的施工环境,足以见得超前管棚注浆施工工艺在本隧道工程中的重要性。

(2)工艺原理。于管棚开挖部位的洞顶轮廓线周边范围内打设钢管,管内注浆,利用浆液固结岩土体。管棚的打设和浆液的注入均完成后,隧道纵向形成梁结构,横向形成拱结构,围岩与打设的钢管共同作用,形成刚度较大、稳固性较好的固结圈,经过加固施工后,围岩的自稳能力、承载性能均有显著的改善,围岩变形的可能性明显降低。

管棚由钢管以及钢格栅拱架构成,分别用作纵向支撑及横向环形支撑,围岩的变形将由于管棚的建设而受到抑制,从而保证围岩的稳定性。管棚加固的适用性较好,在某些具有特殊地质情况的隧道工程下,如强膨胀性地层、岩堆地段以及破碎岩体等,是一种可行的方法。

(1)在距离隧道拱段开挖线10cm处的位置设置管棚孔,每环35根,间隔40cm。

(2)钢管是管棚的重要组成材料,采用的是壁厚8mm、外径φ108的无缝钢管。分段有序安装,其中第一段按奇、偶数编号,两者的钢管长度相差2m,其余部分的长度基本相同。每环的总长度是30m,两个相邻的节段通过螺钉连接,连接长度和连接稳定性均要达标。按梅花型布置的方式在钢管上布设φ10mm注浆孔,孔距50cm,尾端2m不钻孔(作为止浆段)。取适量固定短环及螺纹钢筋,构成一个坚固的钢制框架,将其置于钢管中,以增强其强度与刚性,其中固定环的长度为4cm,外径为42mm,壁厚8mm。纵向两组管棚的水平搭接长度不少于3.0m,以维持管棚整体结构的稳定性。

(3)将钢筋笼置于钢管内部,浇注浆料,采用钢筋笼及水泥浆增强钢管的刚性,维持钢管的稳定性。

(4)超前管棚注浆施工的浆液按照0.5:1的水灰比进行制备,局部的浆液扩散范围大或地下水发育时,采用水泥-水玻璃双液浆。组成浆液的原材料在质量、数量方面均要达标,而后在0.5~1MPa的压力下进行灌浆。

1. 测量放样

(1)第一环大管棚

利用坐标法测定管棚的起始中心里程,确定中心线的垂直方向并沿着此方向按照每边2个的数量要求布设控制桩,进而沿着该方向设钢格栅,起到定位的作用。各导管的中心线方向也需精准测定而得,设置2根控制桩,在钢网两端焊接20cm长、φ20的短钢头,使装置起到引导作用。为了保持钢格栅的稳固,需在网架下面设置5个I18型工字钢,以此增加其支撑的稳定性。

(2)钻孔的控制

方向和倾斜度是钻孔时的重点控制指标:

①方向的控制。沿导管中心线方向钉2个方向桩,钻孔过程中以此为参照基准,准确控制钻孔的方向。

②倾斜度的控制。考虑两个方面:a.孔内,在距孔口2m处、1/2孔深处、终孔处用精密水平陀螺仪测量倾斜度,对比分析测量结果与设计要求,判断是否存在不达标的钻孔,若有需封孔、重钻。b.孔外:通过对钻头中心及管孔的高度进行测量,按照实测资料进行钻孔倾斜角度的控制。

(3)第二环大管棚

①围岩开挖后,将提前准备好的钢格栅支撑和锚杆布设到位,挂网喷射混凝土,覆盖开挖的岩面,避免由于外部因素的作用而导致岩面失稳。为第二环大管棚增设工作室,以便完成打设、挂网喷锚等相关工作,工作室的大小与设计的外形相比较稍微增大,其纵向剖面如图1所示。

图1 工作室纵断面

②洞内空间狭窄,在此特殊环境中施作第二环大管棚时,易由于空间侵占过多而导致后续工序难以顺利进行。为了克服这种限制,在钻机主体中部以上的初支拱处设置点,利用这些点的高程资料可以计算出钻机的中心高度,此时钻孔的倾斜度控制也更具便捷性,可根据钻孔和钻头中心两个点的高度精确控制。

2.钻孔

(1)对开挖剖面的中线和高程进行检验,以确定开挖的边长是否符合要求,如果正确,进行拱架施工,标示出管棚位置。

(2)有效改善钢框架的安装精度,中线和高程允许偏差为±5cm,纵向角度偏差为±2°。管棚孔沿着开挖剖面的纵剖面钻设,其钻孔次序见图2。

图2 两台钻机钻孔顺序示意图

(3)Ⅰ、Ⅱ部同时开孔,Ⅲ部和Ⅳ部同时开孔,施工人员听从指挥,控制开孔钻机的运行状态,使两台钻机同步运行。上导坑的开挖采取人工作业的方法,效率较低,需要加强现场协调,在确保安全、质量的基础上,增加管棚设置的工作效率,并为人工开挖提供充分的时间。

(4)严格按照所布置的孔位进行钻孔,孔底的位置误差应小于孔深的10‰,孔眼与设计值之间的误差不得大于±5cm。

(5)钻头选用φ130合金钻头,根据地质情况可适当调整,如遇孤岩时,可选用金刚石钻头。初期以低压、慢转的方法进行开孔,根据开孔状况及时采取控制措施,确认各项开孔条件均无误后,逐步提高钻速,进入正常钻进状态。根据地质条件的不同动态调整钻进参数,例如遇大孤石时以高压、低速的状态钻孔。清水护壁,定期清理取芯管内的岩芯。钻孔位置即将接近设计标高时,用水清理孔内的泥浆以及各类杂物,要求孔内保持干净,同时孔壁的完整性、孔深的顺直性各方面均要达标。

3. 配管

为维持大管棚结构的完整性和受力的稳定性,钢管接长时接头错开2m。钢管接长方法分第一环、第二环两部分进行选择,分别采用外套管法、丝扣法。

(1)外套管法:只在两个管道的连接外设置一条长40cm、φ127×4mm的外套管,用电弧焊技术来解决两个管道之间的间隙。

(2)内套管法:于一根管子的两端分别车公螺母、母螺母,螺纹深度不超过壁厚的1/2,长度不少于15cm。两根管套在一起后,用力拧紧。

4. 送管

在施工现场有足够的场地时,可以使用大型设备工作,机械设备的运行具有标准化特性,能够以规范的方式保证施工质量,同时减轻员工的劳动强度。第一环大管棚施工环节,用CAT320挖掘机挖斗向前送管;
施工推进至第二环后,现场条件出现变化,场地偏狭窄,仅能采用钻机进行送管。钻完成孔后,由主动钻杆带动大导管,在转动时同步前进,使导管能顺利地推动到位。

5. 管口封闭

将带孔的钢板焊接在管道的端部,用注浆管与之焊接至一体。为满足注浆要求,采用三通构造的注浆管,一通为冲洗用,一通接塑胶管,一通接φ108×8的大导管。其中,冲洗孔的功能是对管内泥浆进行及时冲刷,防止因泥浆的固化而造成堵塞。

6. 注浆

(1)注浆施工参数

①在φ108×8mm钢管上,按照50cm的间距依次钻φ10mm出浆孔,在钢管末端2m处无需进行钻孔(用作止浆段)。

②在隧道内开挖等高处铺设钢管,其间距为0.4m,外倾角为1°,前后两排钢管水平搭接长度不少于3m,以维持钢管搭接的稳定性。

③单液注浆,按0.5:1的水灰比拌制浆液,遇浆液扩散范围大或地下水较发育的地区时,调整为水泥-水玻璃双液浆。水玻璃模数2.6~2.9,水灰比0.5:1,水泥浆与水玻璃的体积比为1:0.3。浆液制备完成后,以0.5~1.0MPa的注浆压力压注到位。

(2)注浆量的计算

用下式计算出大导管的灌浆量:

式中:r是泥浆的扩散半径,m;
H是大导管的长度,取24m;
η是岩石的孔隙度,取0.6;
a是填充系数,取0.3。

(3)浆液的制备方法

①向拌和机内按比例掺入材料后进行搅拌,得到均匀性较好的水泥浆液。基本流程是:放水过程中加入外加剂进行搅拌,水量加至设计值后,做1min的搅拌,而后投入水泥并持续不少于3min的搅拌处理。

②注浆采用水玻璃浆液时,将浓度控制在25~40oBe,采取边加水边搅拌的方法,通过水的加入稀释水玻璃。搅拌过程中用波美计测量,对水玻璃浆液的品质进行判定。

(4)注浆方法和注浆顺序

①注浆方法:根据施工场地地质条件、钻孔规格以及器械设备性能等因素,采用全孔灌浆技术,其基本过程是从钻孔底部,一次完成孔内的注浆作业,即注浆作业连续进行,注入的浆液需饱满密实。

②注浆顺序。按照“先无水孔、后有水孔”的顺序注浆,优先从拱部开始,按照对称的方式向下部推进。注浆施工人员加强观察,存在跑浆、窜浆现象时,调整为间隔一孔注浆的方法,必要时间隔多孔注浆。通过止浆阀的应用,使注浆后的孔内压力维持稳定,以便浆液的有效固结。注浆压力是影响注浆效果的关键指标,需根据地层条件和注浆范围做灵活的调整,通常需使浆液扩散至管周0.5~1.0m的半径范围内。

(5)注浆结束条件

当满足下列情况时,完成单孔注浆工作:注浆压力应满足设计要求,注浆量大于理论计算值80%。

当满足下列情况时,完成全部区域的注浆工作:每一孔的注浆效果均满足上述规定(根据上述单孔的完成条件),且未见注浆孔存在漏浆现象。

综上所述,为解决隧道施工中的围岩失稳问题,工程从现场地质条件出发,在开挖前做好超前管棚注浆作业,利用搭建的管棚和注入的浆液稳固围岩,营造安全的隧道施工环境。经过本文有关于超前管棚注浆施工工艺的分析,明确了大管棚支护的结构特点,提出超前管棚注浆施工的流程及具体作业要点,包含管棚搭设、浆液制备、注浆等细分作业内容,希望所提内容可作为同仁的参考。

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