管棚自进式钻孔安装技术

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如何保质保量高效地完成管棚的施工一直是传统工艺的一大难题。常用的隧道管棚超前支护法，是在拟开挖的地下隧道或结构工程的衬砌拱圈隐埋弧线上，预先钻孔并安设惯性力矩较大的厚壁钢管，起到临时超前支护作用，防止土层坍塌和地表下沉，以保证掘进与后续支护工艺安全运作。

一、工程概况

E763高速公路是欧洲11号走廊塞尔维亚段，连接塞尔维亚至黑山出海口巴尔港，是塞尔维亚最高效便捷、最安全稳定的出海通道，也是连接巴尔干地区与周边国家的运输大动脉。管棚自进式钻孔安装技术创新背景来自于塞尔维亚E763高速公路普瑞利纳至波热加段项目。该项目位于塞尔维亚南部，为双向四车道高速公路，线路全长30.2公里，设计时速为120公里/小时。包含的Laz隧道和MunjinoBrdo隧道单洞总长分别为5504.89米和5495.89米，建成后将成为塞尔维亚目前第一、第二长高速公路隧道。地处内陆的塞尔维亚地势相对平坦，水系较为发达，项目所在地区为丘陵地带，地质情况较差，两条隧道的8个口均设计有3循环12米长管棚。此外，隧道穿越断层破碎带处亦设计有管棚，项目隧道共设计有管棚21861米，总工期为36个月。若采用传统工艺，仅管棚施工就占据合同工期的40%，显然难以满足工期的要求，因此，寻求新的技术解决该问题显得尤为重要。结合国内外隧道施工经验和凿岩台车等大型新设备在项目上的应用，参考自进式锚杆工作原理，提出并成功应用了管棚自进式钻孔安装技术。该技术可利用凿岩台车将管棚一次性钻孔安装完成，避免传统工艺中钻孔与安装钢管的时间差导致孔壁坍塌以及管身难以接长的情况发生，无需像传统安装工艺修筑作业平台、安装导向管、顶进管棚尾部完成安装等工序，较好保证了隧道内有限作业空间的安全、安装质量和安装效率。

二、技术方案的提出与设计

前期经过调研，市场已有技术采用与自进式锚杆相同的工艺，将钻头焊接在管棚上，实现管棚的钻进安装，并将钻头与管棚共同弃置在钻孔内。考虑到单个钻头的成本较高，为进一步节约成本，提出采用内嵌外套式的钻头，将钻头分为两个部分：第一部分为中空钻头，用于与管棚焊接连接，焊接部分为不可旋转的固定部分，顶端镶嵌连接一个可活动的带合金钻齿的钻头，其主要用于牵引管身跟随主钻头共同前进，并起到扩孔作用。除钻齿外，其余部分可采用普通钢材加工，能够降低部分成本，第二部分为专用合金钻头，其前端与第一部分镶嵌连接，后端与钻机的钻杆通过丝扣连接，在管棚钻进安装完成后，与第一部分钻头分离退出并重复使用。钻头的两个部分均在钻头供应商处定制，将第一部分中空钻头与管棚焊接连接即构成自进式管棚（如图2所示）。管棚前端与中空钻头连接，后端用丝扣接长管身至设计长度。管棚钻头与锚杆机钻头镶嵌连接，通过随钻机的钻杆同步旋转，管身随钻头跟进成孔并完成自动安装，快接钻杆之间通过套筒连接接长。该新技术与自进式锚杆的主要区别在于自进式锚杆为钻头、钻杆为一次性的钻进安装，并全部留在岩体内作为支护体系。而自进式管棚采用的专用合金钻头和普通钻杆穿过管棚内部，与管棚的中空式普通钻头镶嵌连接，通过钻杆、钻头的旋转带动管棚的钻头同步钻进安装，完成后专用钻头和钻杆可从管棚内退出并重复利用。

三、管棚自进式钻孔安装施工

1.施工工艺流程管棚自进式钻孔安装技术施工工艺流程

2.施工准备

（1）设备准备。由于施工管棚的需要，将凿岩台车钻臂上的导向孔、托架等更换为与管棚直径匹配的配件，并在钻臂前端加装锚固定位装置，确保钻臂在管棚钻进过程中不会发生位移。该技术施工以Atalas双臂凿岩台车作为主要施工设备，但并非该技术专用设备，其他多臂、单臂凿岩台车或经过一定改装的湿式钻孔设备亦可应用该技术，具有较好的普适性。管棚钻进采用的是3.5米圆形钻杆，管棚各节段按设计打设注浆孔，在管棚各节段连接时，用离心钳卡住已入岩的管棚管身，并利用专用离心钳和普通管钳辅助完成各节段的相互接长连接。

（2）场地准备。场地整平并压实，为凿岩台车等机械设备提供坚实的能够支立稳固的场地。平整完成后的作业场地做好临时排水，及时将钻孔作业排水或雨水引流至场地外，钻孔排出的水经沉淀池沉淀后排放。

（3）材料准备。该施工技术涉及的主要材料可涵盖各种型号的中、大管棚，在保证各节段接头错开的前提下，节段长度可根据设计的管棚长度进行合理分段；注浆材料为水泥净浆或水泥砂浆。该项目主要材料为114毫米和89毫米管棚，管棚从内到外共计4节段，每节段3米，其中，一根3米节段为2米+1米组合，用以确保搭接接头位置错开，首节段焊接连接中空式钻头，注浆液采用水泥净浆。材料到场后，需采用方木进行支垫，避免损坏或锈蚀。对于生锈的管棚丝扣，在使用前用角磨机打磨去除锈迹，涂抹黄油并堆放整齐。使用前，各节段在平整地面上试连接，防止因丝扣加工深浅不一或其他原因而导致无法正确连接，连接前将管棚内残留的钢渣清理干净。

（4）其他准备。社会用电或发电机供电，以供应凿岩台车及其他机具所需的电、水，过程中定时检查连接情况。测量人员负责在钻孔面上标注出每根管棚的入岩点并编号，在钻孔安装前调整好管棚钻进角度，钻进过程中不断监测管棚钻机角度，确保符合设计要求。

3.管棚钻孔安装

（1）凿岩台车定位。钻机定位前，将凿岩台车支立稳固，并将首节钻杆及管棚安装到钻机上，通过旋转钻头使钻杆上的钻头穿过管棚上的钻头，与管棚镶嵌连接，并将其外露在钻臂最前端。根据设计钻孔角度计算出每根管棚首节段前、后端中心高程差和偏距差，用以控制钻孔角度。由于该型号凿岩台车不具备自动定位装置，因此，在凿岩台车附近架设全站仪控制角度。根据设计，管棚为锥形发散布置，角度采用标高和偏距控制。首先，根据设计角度和纵坡，计算出每根管棚首节段3米的前、后端高程差和偏距差，通过钻臂前端定位装置将管棚前端准确地放置在已标记的入岩点位置；其次，根据前端管棚中心线测量数据反算出后端中心线坐标数据，调整钻机大臂和小臂，直至后端管棚中心线位置实测数据与所计算的数据相符，即可判定钻进角度符合设计要求；最后，将定位装置进一步顶入岩体，并确保钻进过程中凿岩台车可能影响钻进方向的部位不发生任何位移。

（2）钻孔安装。凿岩台车准备就绪后，即可按照自下而上的顺序逐孔开始管棚的自进式钻孔安装施工。首节段钻进至管身最后一环注浆孔刚好穿过导向管后停止钻进，利用钻机内高压水将钻渣充分冲洗30～60秒。钻渣冲洗干净后，利用管钳卡住钻杆尾部，通过旋转钻机将钻杆与钻机分离，分离过程确保已钻进的钻杆不发生向后的位移。在钻进过程中，负责管棚连接的工人将接长钻杆穿入第二节段管棚。待首节钻杆卸落完成后，将接长钻杆及管棚通过凿岩台车自带的作业平台运送至作业钻臂位置，并放置在管棚托架上，先将接长钻杆与钻机连接，再利用钻机前后推动和转动将接长钻杆与首节钻杆连接。管棚连接时，首先，利用离心钳将已钻进的首节管棚卡住；然后，用离心钳将管棚接长，并确保丝扣全部连接到位，依次重复上述步骤完成单根管棚钻进安装。

（3）管棚安装完成。单根管棚施工完成后，同样利用钻机高压水将管棚内钻渣冲洗30～60秒。冲洗干净后，通过钻机小幅度反钻将钻头与管棚钻头脱离，必要时可通过振冲将其连接处松除。钻机后退带着钻头和钻杆退出管棚内，钻入的管棚则留在了岩体内，钻杆之间同样通过振冲辅以管钳进行脱扣，直至所有钻杆均退出后，方可移动钻臂，进行下一根管棚的施工。

4.管棚注浆

待管棚施工到一定数量，且具备足够作业空间后，即可按照自下而上的顺序开始管棚注浆工作。注浆前，按照批复的配合比添加水泥和外加剂，调整水量至设计配合比中相应的数量，将注浆管放置在地面指定位置，开启注浆机，直至注浆管内浆液均匀流出后，关闭注浆机。将注浆管与注浆阀连接，再次开启注浆机，向管棚内注浆，直至浆液从排气孔内流出，且注浆压力0.5兆帕持压3分钟以上时，可关闭阀门停止注浆。按照同样的方法依次从下往上完成所有管棚的注浆。

四、应用效果

项目采用管棚自进式安装技术已成功完成了89毫米中管棚4752米和114毫米大管棚4872米的安全、高效、高质量的安装。施工过程避免了大量的导向墙、导向管等配套工程措施，减少了大量洞内支架的搭设工作，大幅降低了施工安全风险和管控难度。该技术在增加部分一次性投入成本的情况下，时间可节省约67%，具有明显的施工效率优势。考虑用于该新技术的设备还可用于隧道内炮眼钻孔、锚杆钻孔、超前钻探等工序，结合时间成本，其综合成本相比传统工艺可减少约14%，对于管棚工程量较大的隧道施工具有明显的经济效益。在整个过程中，能够很好地与大型机械设备相协调，将管棚的安装工艺大大简化，具有安装效率高、管棚综合成本低及工期提前带来的时间成本大幅下降等优势。

五、结论

随着大型电力驱动的凿岩设备在隧道施工过程中的普及和应用，逐步实现从“人海战术”向“机械化换人、自动化减人”重大转变，能够适应大型设备的新管棚施工技术显得迫在眉睫。管棚自进式钻孔安装技术可有效地填补这一空缺，并能够很好地兼容部分传统设备，不仅能保证管棚的施工质量，还有效地提高了施工效率，是隧道机械化施工过程中的重要环节。

（1）新技术中采用管棚+钻杆形成的组合式钻杆，具有较大的刚度，克服了传统工艺中钻杆遇软下沉、遇硬上飘的缺点，能够较好地保证钻进按照预定角度进行，确保钻进角度偏差小且可控，从而满足设计要求，解决了隧道管棚安装角度无法控制的难题。

（2）传统工艺往往采用潜孔钻机干式钻孔，在软弱围岩中钻孔时经常存在钻头堵塞、塌孔等问题，严重制约着钻进效率。管棚采用先成孔后锤击的方式安装，常常难以确保安装长度能够满足设计要求，并且无法控制安装质量。新技术中采用的一次性自进式钻孔安装，无需担忧钻头堵塞、塌孔等问题，实现了质量完全可控，有效地解决了管棚安装质量难以控制的难题。

（3）新技术无需施工现浇混凝土导向墙、安装导向管、搭设施工平台，实现管棚的一次性自进式钻孔安装成型，大幅优化了施工工艺过程。

（4）该新技术可利用凿岩台车自带的作业平台作为管棚安装的安全作业平台，其可通过悬臂调整位置和方向，在隧道狭小的空间中仍然能够灵活的操作，相比传统的搭设支架法具有更高的安全性，解决了狭小空间中的高处作业的安全问题。

作者：任裕廷 张博昊 李良策 单位：中交二公局国际公司 中国路桥工程有限责任公司