公路隧道施工中管棚自进式钻孔安装技术应用探讨

石福纯

甘肃路桥第三公路工程有限责任公司 甘肃 兰州 730030

在传统工程施工工艺下如何有效提升管棚施工质量一直都属于一个重大课题。在当前进行公路隧道施工的过程中，隧道管棚超前支护在工程实践中通常情况下都是以利用衬砌拱圈隐埋弧线提前在拟开挖隧道或结构工程中钻孔，并提前在结构中埋设具有较大惯性力的厚壁钢管，这样就可以发挥出超前支护的效果，也能有效避免在隧道掘进过程中出现土层坍塌或地表下沉等问题，该技术可以充分保障隧道掘进及支护施工的安全性。

1 工程概况

某高速公路是内陆连接出海港口的重要通道，同时该高速公路也是辐射周边各国的运输大动脉。本次拟建设的公路采取的双向四车道设计模型，总长达到30.2km，公路最高通行速度为120km/h。在该高速公路修建过程中会途径两个总长在5km左右的隧道。由于该高速公路所处地区本身属于丘陵地带，具有相对复杂的地质情况，在设计过程中针对隧道采取的是长度为12m的三循环长管棚模式。另外，为充分保障工程施工穿越断层破碎带的安全性同样设计了管棚，该高速公路隧道工程施工过程中管棚设计总长度达到了2万m左右，整体施工周期为36个月。在传统施工工艺下，管棚施工周期将占到总工期的40%左右，因此无法满足该高速公路实际修建的需求[1]。

在充分结合国内外相关隧道工程的施工经验之后采取了管棚自进式钻孔安装技术进行施工。通过应用该技术可以利用凿岩台来一次性完成管棚钻孔安装，避免传统施工工艺流程中因存在施工时间差容易引发坍塌和管身接长困难等一些问题，可以有效避免在传统施工工艺模式下钻孔及钢管安装过程中存在的时间差而导致坍塌或管身无法接长等问题，而且在施工过程中无需修筑专门的作业平台，无需安装导向管，能充分保障隧道施工过程中有限作业空间内的安全性和管道安装质量[2]。

2 技术方案设计

针对该隧道工程进行全面调研之后发现，目前自进式锚杆等类似工艺在市场中的应用非常广泛，在管棚上焊接钻头后，在钻进过程中进行管棚安装，最后在钻孔内将钻头和管棚共同弃置。但由于该施工工艺模式下钻头的成本相对较高，为有效解决施工成本，在本次工程施工的过程中提出使用内嵌外套是钻头，钻头主体分为以下两个部分：

该钻头前段采取中空钻头，第一部分与管棚之间通过焊接方式连接在一起，焊接后属于不可旋转的固定部分，另外，需要将一个合金钻头镶嵌在其前段对管身进行牵引，这样就可以保障管身与钻头在掘进中共同前进，与此同时也能发挥出扩孔的效果[3]。该钻头大部分使用的是普通钢材材质加工，因此整体施工成本相对较低，其具体效果见图1。

图1 钻头第一部分示意图

后续部分的使用的是专用的合金类钻头，该钻头前段的与钻头第一部分镶嵌连接，并与钻杆通过丝扣方式连接，管棚安装完成之后可实现与第一部分钻头之间的分离，达到重复利用的目的。本次的使用的钻头均为定制，自进式管棚指的是第一部分中空钻头与管棚共同组成整体（见图2）。管棚前端连接的是中空钻头，后端利用长管焊接后让其达到设计长度要求。通过钻杆将管棚钻头与钻杆机钻头连接在一起并实现同步运转，钻头带动管身进入成孔完成自动安装，利用套筒来连接快接钻杆，保障其长度。

图2 钻头镶嵌示意图

管棚钻头可随着钻杆、钻头同步旋转并完成钻进安装，专用钻头和钻杆可从管棚内退出后实现重复利用[4]。

3 管棚自进式钻孔安装施工

3.1 钻孔流程

图3为管棚自进式钻孔安装技术施工流程。

图3 管棚自进式钻孔安装技术施工流程

3.2 施工准备

（1）设备。在本次工程的施工设备方面主要充分结合管棚的直径和施工匹配性来选取相关配件，以此来替代传统施工模式下凿岩车必须专用配备的托架和导向孔等相关设备，同时将锚固定装置加装在钻壁前，保障钻壁不会在管棚内部出现移位[5]。该技术在实际应用过程中主要使用的施工设备为Atalas双臂凿岩台车，但是该设备并不属于专用设备，也可以将多壁、单壁凿岩台或者改装后的湿式钻孔设备作为主施工设备，具有较强普适性。在钻进过程中自进式管棚主要使用的是直径为3.5m的圆形钻杆，并根据设计要求在各个管棚段上打注浆孔，针对各连接位置过程中，将已入岩的管棚管身利用离心钳接长后完成连接。

（2）场地。作业场地要充分压实并平整，这样才能保障凿岩台作业时的场地的稳定性[6]。完成场地平整后要做好排水工作，将场地内的雨水等通过引流方式排到场地外，钻孔排水要利用沉淀池进行沉淀后才可排放。

（3）材料。该施工技术应用过程中会应用到多种型号的中、大号管棚，管棚分段时首先保障各节段接头错开，并结合管棚设计长度保障分段合理；注浆时主要使用水泥砂浆或者水泥净浆作为主材。本次隧道工程使用的管棚规格为φ114mm和φ89mm，根据设计要求将管棚分为四个节段，每节长度1m+2m组合成的3m节段。通过这种组合形式可保障接头错位搭接，注浆施工时使用的是水泥净浆。进场材料一律使用的方木作为支垫，避免材料出现腐蚀等现象。

3.3 管棚钻孔安装

（1）凿岩台车定位。在定位施工之前首先必须要充分保障凿岩台车支立保持稳固，此后即可将首节钻杆与钻机进行相互连接，此时钻杆钻头通过螺旋钻头可在通过管棚与钻头之间实现相互镶嵌连接，外漏部分要保障处于钻壁最前端。针对每一节管棚首节段前及后端中心高程差以及偏距差等参数要通过钻孔设计角度进行精确计算，同时也可对钻孔角度形成有效控制。本次工程中使用的凿岩台本身为配置自动定位功能，鉴于此，定位角度需要通过全站仪进行控制[7]。

本次工程设计中针对管棚的布置模式主要采取的是锥形发散的方式，通过标高和偏距实现角度调整。首先，针对管棚每根首节段3m前、后端高程差以及偏距差等参数参照设计角度及纵坡等数据进行精确计算，钻壁前段配置了定位装置，这样即可保障管棚前端可顺利进入标记入岩点；其次，完成前端管棚中心线的数据测量后，即可以此为基础计算出后端的中心线坐标，并结合结算结果实现钻机大小臂的合理调整，当计算数据与中心线实际测量数据相吻合即可满足钻进过程中的角度设计需求；此后可以将定位装置顶入岩体中，凿岩台车在整个钻井施工过程中必须保障可影响钻进施工方向的部位不会产生偏移。

（2）钻孔安装。完成各项准备工作后即可根据自下而上的原则逐步完成管棚自进式钻孔安装施工。随着钻进施工的不断持续并达到管身最后一环的情况下，注浆孔应该刚好穿过导向孔，此时即可停钻，并利用高压水对钻孔开展30-60s反复冲洗。彻底清除钻孔内部钻渣后即可利用管钳将钻杆尾部卡主，此时旋转钻机通过旋转即可进一步分离钻机和钻杆，钻杆在整个分离过程中要确保不能产生向后位移。

钻进施工过程中，作业人员需要在第二段管棚中穿入接长钻杆。在卸完首节钻杆之后需要利用凿岩台车自带作业平台将接长钻杆和管棚运输到作业钻臂上，并在管棚托架上妥善放置，首先连接钻机和接长钻杆，随后通过钻机转动和前后运动让首节钻杆与接长钻杆互相连接。

在连接管棚的过程中首先需要将已钻进的首节管棚通过离心钳牢固卡住；并利用离心前完成管棚接长，在连接过程中要充分保障丝扣连接到位，通过上述步骤反复操作即可完成单根管棚钻机安装。

（3）完成管棚安装。单根管棚在完成安装后必须利用高压水对钻孔进行30~60s的冲洗。彻底清除其中的钻渣之后即可小幅度反钻，这样管棚钻头与钻头之间即可实现分离，如通过反钻无法实现两者脱离可通过振冲方式让连接位置松动。随后通过后退钻机可带出管棚内部的钻杆和钻头，并将管棚留在岩体内部，相互间连接的钻杆利用管钳和振冲相互配合后也可实现分离，退出所有钻杆之后通过移动钻臂来为下一个管棚安装施工做好准备。

3.4 管棚注浆

当管棚持续钻进作业空间足够的情况下，即可通过自下而上的方法来开始进行注浆。在进行注浆施工之前，需要严格按照设计配合比完成水泥和外加剂混合，在拌合过程中要对水量添加进行合理把握，随后在指定位置放置好注浆管，并打开注浆机，当注浆管内部充满均匀浆液的情况下即可关闭注浆机。随后将注浆阀和注浆管相互连接后重新启动注浆机，并开始逐步向管棚内部注浆，当排气孔中溢出浆液，且注浆压力在0.5MPa的情况下维持三分钟以上即可关停阀门，此时即完成注浆施工。根据上述步骤采取自下而上方式即可依次完成管棚注浆[8]。

4 效果分析

本次针对该高速公路隧道工程通过管棚自进式安装技术目前已经高质量完成了4750mΦ89mm管棚以及4875mΦ114mm管棚的安全施工。在应用该施工技术后隧道掘进施工过程中可以不必再进行导向管、导向墙等相关工程施工，洞内支架搭设工作量得到极大削减，同时隧道工程施工的安全风险和管控难度相对更低。

从本次工程施工的应用状况可知，该施工技术在隧道工程施工中的应用可以极大削减工程一次性投入成本，而且施工周期更短，可明显提升隧道工程施工效率。由于该新技术在应用过程中所涉及到的相关机械设备还可在锚杆钻孔、隧道内炮眼钻孔等施工工序中得到应用，从综合成本角度来看，相较于传统施工工艺其可节约14%左右的时间成本，在隧道工程管棚施工量较大的工程中应用能够体现出显著经济效益。而且该技术与大型机械设备能够实现相互协调，从而极大简化管棚安装工艺，其不仅体现出了安装效率高、管棚综合成本低、施工工期短等一些特征，而且可以极大压缩时间成本。

5 结论

在当今隧道工程施工过程中大型电力驱动凿岩设备的应用越来越广泛，传统隧道工程中的人海战术逐步向着自动化、机械化方向发展，因此在当今隧道工程施工过程中对新型管棚施工技术的要求更加迫切。管棚自进式钻孔安装技术的应用能够与部分传统工艺设备进行有效兼容，在全面提升工程施工质量的同时也可以实现施工效率的有效改善。通过钻杆与管棚相结合的组合式钻杆模式，可进一步提升钻杆强度，也可有效避免传统施工模式下钻杆遇软下沉、遇硬上飘等一些弊端，而且可以实现钻进角度偏差的可控，有效满足隧道施工的实际需求，使得当今隧道工程施工过程中管棚安装角度控制难的问题得到了有效解决。