偏心钻具扩孔钢套管跟进长管棚施工工法

偏心钻具扩孔钢套管跟进长管棚施工工法

1.前言

毛尔盖水电站位于四川省阿坝藏族羌族自治州黑水县境内，黑水河中游红岩乡至俄石坝河段，是黑水河流域水电规划二库五级方案开发的第3梯级电站，该电站为大（2）型引水式，单一发电工程。

毛尔盖水电站引水隧洞全长16.15km，中铁十三局集团有限公司承建的MEG2007/C2-2合同段起讫里程为（引）2＋462～（引）4＋249，隧洞总长1787m，断面为圆形，内径8.60m，开挖断面为直径9.4～10.2m的圆形，纵坡1.58‰，全断面采用钢筋混凝土衬砌结构。

隧洞最大埋深600m，与岩层走向夹角约20～60°左右。该段岩层软硬相间，千枚岩所占比例比较高，表现为互层状结构，岩体完整性差，围岩不稳定。隧洞通过双溜所沟，最浅埋深约75m，覆盖层厚约5m，成分主要为崩积、洪积成因的块碎石土，与岩层走向夹角约20～60°左右。该段因过沟段隧洞洞顶板上覆基岩厚度小，沟内常年流水，风化卸荷作用强烈、地下水比较活动，岩体完整性差，呈碎裂－散体结构，围岩极不稳定。

在引水隧洞下游段施工至K3+313时，发生了塌方，采用了超前锚杆及超前小导管护顶并配合钢支撑和喷砼联合支护法施工，由于小导管作业循环多，加固范围小，施工工期长，当掌子面施工至K3+323时，发生大塌方，塌方总量达3000m3,塌方空腔高度约20m，将K3+316-K3+323段一次支护全部砸毁。为了确保安全及加快施工进度，完成贯通目标，经业主、设计、监理、施工单位四方现场研究，决定采用偏心钻具扩孔钢套管跟进长管棚法施工，解决松散渣体成孔难的难题，完成塌方段开挖任务。

2.工法特点

（1）施工所用机械设备相对较小，且均有履带式或步履式，移动灵活，工艺简单，操作方便。

（2）施工过程中废水、废液产生较少，产生污染小，符合环保、水保要求。

（3）施工速度快，对整个工程工期影响较小。

（4）超前支护效果明显，安全可靠，且经济和社会效益显著。

（5）适用范围广。

3.适用范围

偏心钻具扩孔钢套管跟进长管棚法适用于隧洞大塌方、土夹石、软弱破碎等一切成孔难的岩体隧道施工时采用。

4.工艺原理

4.1采用的钻孔机具设备

采用YXZ70型锚固钻机扩孔及单偏心DP102低风压型潜孔锤跟管钻具作为钻孔、扩孔的主要配套机具；YXZ70型锚固钻机为电动机械式潜孔冲击式钻机。

钻机由主机、液压钻、操作台三大部分组成，用高压胶管相互连接为一整体。主机放在钻机平台上，液压站和操作台可放在平台下部(见图1)。

图1 大管棚纵剖图

钻机水平钻进状态尺寸为3050mmx9OOmmx1190mm (长x 宽x 高)，钻机总量1260kg ；主机(含动力头、轨道和底盘架)重770kg ；液压站(含油箱、散热器、油泵电机和支架)重340kg ；操作台(含操作台架、多路换向阀和液压油管)重150kg ；最大部件动力头重235kg 。钻机占用工作平台面积不大，重量轻，移动方便。

DP102型潜孔锤跟管钻具与YXZ70型锚固钻机的钻杆和管棚钢套管相连接，由潜孔冲击器、导正器、偏心扩孔钻头、套管靴等组成(见图2)

图2 潜孔锤跟管钻具组合图

4.2钻进系统工艺原理

钻机钻进时，钻机带动钻杆回转，钻杆将回转扭矩传给潜孔钻冲击器，当压缩空气从钻杆送入潜孔冲击器使之工作后，由潜孔冲击器通过花键带动冲击导正器转动。冲击导正器上有偏心轴，上面安装着偏心钻头，由于偏心轴上的磨擦力小于孔底围岩对偏心钻头的磨擦力，冲击导正器转动时，

偏心钻头张开，并在开启到设计位置后被限位键限住，随着导正器回转，冲击器活塞冲击导正器，导正器将冲击波和钻压传递给偏心钻头，对孔底岩石进行破碎。由于偏心钻头钻出的孔径大于钢套管的外径，当导正器上的台肩与套管靴上台肩接触时，导正器将钻压和冲击波部分施加给套管靴，再加上钻压的作用，迫使套管靴带动整个钢套管与钻具同步跟进，保护已钻孔段的孔壁。

当钻进作业告一段落，需将钻具后退，慢速反转钻具，偏心钻头依靠惯性力和孔底磨擦力收缩返回，整套钻具的外径小于钢套管内径，即可将钻具退回到进行配钻杆和钢套的位置，或将钻具退至孔外，钢套管留孔内护壁。

5.施工工艺流程及操作要点

5.1施工工艺流程（见图3）：

图3 施工工艺流程图

5.2施工方法

5.2.1管棚制作及孔位布置

根据该塌方段围岩情况，采用D108*6热轧无缝钢花管作管棚，即直径×壁厚=108×6mm。每环孔从拱顶开始布设，除拱顶布设1个，两侧分别按40cm间距布设。布置范围为拱顶120°，共计28孔，每孔管棚长度为25m，累计700延m(见图4)，钢套管分节长度为1．5m，两节套管问采用内车丝扣方式设连接。根据塌方段实际情况，塌方体段长约7m,钢套管跟进长度为6节×1.5m为宜，并视具体情况可以加长。

5.2.2管棚长度及花管、实管设置

根据现场实际情况，管棚长度L=25m (4根×6m／根＋1根×1m/根和1根×1m/根+4根×6m／根交错进行布置安装)，两节管棚问采用内车丝扣方式设连接，在保证孔口段1.5m为实管的条件下，其他段为花管，出浆孔直径为15mm，梅花型布置，间距15cm×15cm。(见图5)。

图4 大管棚横剖图

图5 管棚导管布孔图

5.2.3导管方位角选择

经过严密的计算，在外插角为2°时，管棚尾部高出设计开挖线0.87m左右，可以有效防止管棚施作后进入开挖断面，避免开挖后出现割管现象。在实际操作中外插角控制在2～3°之间。

5.2.4技术操作要点

(1)操作平台及钻机安装牢固，洞边墙支撑固定，保证施工中钻机及平台的稳定性。同时平台和钻机安装平整，用水平尺校正，确保其水平度。

(2)钻具及跟管开孔保证孔位点、导向器及动头三点一线，并加长导管，随时用导向器导向以保证铅直度，确保管棚的设计转向倾向。

(3)钻孔跟管开孔先采用低风量、低压力纯冲击，先造引导孔，待孔基本成型后，开动正转让偏心钻具工作带动导管跟管，但转速要限制，以确保孔口岩体不被大面积扰动破坏。

(4)钻孔跟管过程中，控制进尺速度不能过快，注意间歇空钻排渣，以保证导管与钻杆间通道畅通，避免卡钻并控制风量及钻压(风量、风压以保证冲击器正常工作为准)。

(5)钻孔跟管起钻时，先关闭风，然后反转半转收回偏心锺才起钻。

(6)操作过程中特别注意，风是偏心钻具在导管内，只能反转，不能正转，只有偏心钻具出管靴后才正转。

(7)在用金钢石钻具钻进过程中，时刻注意控制好水流量，尽量采用低压、高转速进行钻进。

5.2.5特殊情况处理措施

(1)钻孔跟管过程中，若排渣不畅，出现残渣滞于导管内将钻杆抱死现象，可直接敲击导管，并少许反转，如此反复，以帮助排渣，但应注意可能会将钻具、管靴等反掉。若钻杆已被抱死，无法清理通畅，则只能利用钻机液压将导管全部拔出，重新跟管。

(2)钻孔跟管过程中，若排渣不畅，必须采取收回偏心锤以协助排渣。当出现偏心锤重新下入孔底不能出管靴情况时，可将偏心钻具下到孔底后，在管内正转半转，让偏心头卡住导管内壁，再利用钻机液压轻轻拔管少许，然后反转(控制旋转一周360度)，将钻下到底，进行纯冲击钻进，以确保偏心钻头出管靴，继续钻进跟管。

(3)若钻孔跟管结束后，出现偏心钻具无法收回导管内的情况，可采取控制风量，压力回零，空正转数转后，停风，给少许压力，用手动反转半转，再用液压反拔钻杆钻具，当可拔出后重新钻孔跟管。

(4)若钻孔跟管过程中，出现钻杆钻具仍然有进尺，但导管则不继续跟时，则不是管靴脱落或断裂，就是中部某段导管脱落，只能拔管重新跟管。

(5)若围岩太硬或跟管进尺较长，或围岩软硬不均，可能出现管靴变形，钻具旋转负荷大并伴有金属磨擦声，且导管跟着旋转的现象时，只能反拔导管抵换靴后重新跟管。

(6)若因围岩软硬不均，造成导管与钻杆不同心，钻进跟管困难时，以及仍需跟管长度不长进，可采用人工扶正强行跟管至结束；若仍需跟管长度较长，必须拔管重新跟管。

(7)在发现金钢石钻具钻进无进尺时，应立即起钻，检查钻具和岩心管，看其是否是因为金钢石钻具磨损严重或岩心管堵管造成。

5.2.6灌浆方法

灌浆前首先要素喷lOcm厚砼将塌方渣体封闭，防止漏浆。采用纯压式灌浆方法进行灌浆。本灌浆工程为临时加固工程，灌浆目的是使洞挖时水泥浆胶体能在洞周围一定范围内起到粘结松散渣体的作用。结合以往施工经验，对灌浆数作如下设置：

（1）灌浆压力：灌浆孔口压力视其具体情况控制在0．1-0．3MP为宜(目的是控制扩散半径)。

（2）浆液水灰比：采用l：l和0．5：1两级水灰比(以浓浆灌注为主，以使能尽快起到胶凝粘结作用)。

注浆分两次进行，即第一次是编号为单号的孔位进行注浆，第二次是编号为双号的孔位进行注浆。若单号孔位注浆不密实，可通过双号孔位注浆填充密实。大管棚在注浆前要在将钢花管与预埋导向管间空隙用水泥砂浆封堵，避免露浆。在后来的开挖过程中，证明灌浆充填钢管及周围空间，

相邻的管孔能够渗透连接，形成天幕式的管棚结构，加强了管棚的刚度和强度。

（3）通过焊接在钢花管上的止浆阀对大管棚注浆，注浆压力为2.0～2.5MPa，在压力达到2.0以上后持续15min，注浆量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，直至符合注浆质量标准，确保钻孔周围岩体与钢管周围孔隙均为浆液充填，方可终止注浆。

（4）注浆时要关注注浆机压力表的变化，若出现压力表指示持续在1.0MPa以下，则要停止注浆进行检查，长见的原因为注浆机出现故障、浆液从地表窜出、与地表径流相通，可依实际情况采取稍停注浆或调整浆液的方法处理。

5.3隧洞监测

5.3.1监控点布设

此次塌方处理过程中的实时监控量测分三项内容：隧洞拱顶沉降量测、隧洞围岩收敛变形量测以及隧洞支护结构受力情况监测。

（1）隧洞拱顶沉降量测：共设置4个测点，均位于隧洞拱顶，对应桩号分别为K3＋317，K3＋318，K3＋320，K3＋330（塌方区外）。

（2）隧洞围岩收敛变形量测：在隧洞某一断面的岩壁上安设多个测点，然后使用多点位移计定期测量各测点的相对位移，利用位移变化量及变化速度来判定隧洞是否处于稳定

状态。本次监测过程采用的多点位移计精度为0.01mm。

（3）隧洞支护结构受力测量：在隧洞围岩与支护结构之间预埋压力盒，并利用钢弦测力计测量压力盒受力。

5.3.2隧洞围岩变形分析

5.3.2.1K3＋318拱顶沉降曲线

曲线分析：该曲线数据显示的最大沉

降值为15mm；最大隆起值为7mm。拱顶最终

沉降量为56mm。该曲线呈递减趋势，表明

隧道拱顶呈稳步沉降趋势。隧道拱顶最终

沉降值56mm，远小于设计中的预留变形值

150mm。图6 K3+318拱顶沉降曲线

5.3.2.2K3＋319.5收敛曲线分析

曲线分析：该曲线反映的变形量在0值上下波动，但波动幅度逐渐减小，而且最后两次测量的结果均为正值且与0极为接近。这说明AD的距离也将趋于恒定值。而A、D两测点分别位于隧道掌

子面的拱顶和左侧，AD变化恰恰代表了隧道围岩自稳性最薄弱的位置。AD距离不变说明隧道整体上已经趋于稳定。可以预见，经过较短的时间后，隧道将处于稳定状态。

图7 K3+319.5收敛测站AD变化速率曲线图8 K3+320.5压力测站压力变化曲线5.3.2.3隧洞支护结构受力分析

曲线分析：曲线前半部分波动较大，说明压力盒受力不够平稳；后半部分曲线趋于平缓，说明压力盒受力渐趋平稳，也说明支护结构已与上部岩体密贴。压力数值保持在18kN以下，这个数值在压力盒与支护结构可承受的范围之内。

6.材料与设备

表1 工法投入材料与设备一览表

7.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，检查钻孔、打管质量时，应画出草图，对孔位编号、逐孔、逐根检查并认真填写记录。

(2)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2°～3°（角度用地质罗盘仪检

查），钻机最大下沉量及左右偏移量为钢管长度的1%左右，并控制在20 cm～30 cm。

(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。

(6)单孔注浆量不得少于平均每孔注浆量的80％。

(7)注浆过程中，要逐管填写记录，标明注浆压力、注浆量、发生情况及时处理过程。

(8)检查注浆范围，固结不良或厚度不够时，要补管注浆。

8.安全措施

(1)项目部由领导带班、技术人员和安全员24小时轮流值班，遇到突发事件，立即采取应急处理措施。

(2)及时汇报，先期监控频率按2 h／次，待变形基本控制住后可每班监控1次。

(3)在施工过程中，应以安全为重，为了防止作业人员疲劳，宜采用3班工作制，禁止无关人员进入洞内，安全员应随时注意观察围岩变化。若有突变，所有人员必须立即撤离。

(4)应加快处理速度，以尽量减小变形发展。

9.环保措施

本工法施工中严格遵守国家有关环境保护的相关法律、法规和规章，并按招标文件相关条款规定，施工过程中遵循监理人的环保意见，以“防止污染，降耗节能，坚持文明施工”为方针，建立责任明确的环境保护及水土保持组织机构，制定行之有效的环保水保措施，切实做好施工区及生活区的环保水保工作，防止由于工程施工过程中、施工完成后造成环境污染和水土流失。具体措施如下：

(1)施工现场加强对噪声、粉尘、废气、废水的控制和治理，采取有效措施降低噪声，控制粉尘和废气浓度，以及做好废水和废油的治理和排放。扬尘、噪声、污水和废弃物排放满足当地政府规定标准。

(2)废水经沉淀池进行两次沉淀处理后，出水SS浓度应小于800mg/L，施工区实行生态流动厕所管理。污水应符合环境保护法规的要求方可进行排放。

(3)保持施工区和生活区的环境卫生，及时清除垃圾和废弃物，并运至指定的地点堆放和处理。进入现场的材料、设备必须置放有序，防止任意堆放器材、杂物阻塞工作场地周围的通道和破坏环境。

10.效益分析

现以毛尔盖水电站2#引水隧洞工程为例，下游大塌方段采用偏心钻具扩孔钢套管跟进长管棚法

施工，管棚布置范围为拱顶120°，管棚长度L=25 m，共28根，700延米。分析管棚在现场施工中的实际费用。

管棚费用主要包括管棚施工的人工费、管棚施工的机械台班费、管棚施工的材料费三大部分。

10.1人工费

偏心钻具扩孔钢套管跟进长管棚法施工工序多，工种杂、技术性强、要求技术工人具有各方面独立操作能力，又能处理管棚施工中一般的故障，管棚施工的质量很大程度上取决于钻孔和注浆的质量。一台钻机三班作业劳力组织为：机长1人、技术人员2人、操作手3人、修理工1人、电工1人、电焊工1人、杂工9人、合计18人。

（1）加工管棚钢管：45工日×80元/工日=3600元。包括割、焊钢管锥形探头，钢管施钻Φ8 mm出浆孔等。

（2）加工钢管丝扣：20 元/个×112个=2240元。

（3）搭操作平台、布设水、电、气管路等准备工作：20 工日×80元/工日=1600元。

（4）钻机就位、钻孔、扫孔、顶管、注浆：270工日×80元/工日=21600元。

人工费合计：3600+2240+1600+21600=29040.00元。

10.2机械台班费

（1）钻机：54台班×500元/台班=27000元。

（2）电动空压机（20 m3/h）：54台班×674元/台班=36396元。

（3）压浆机（50 L）：9台班×100 元/台班=900元。

（4）拌浆机：9台班×50 元/台班=450元。

机械台班费合计：27000+36396+900+450=64746.00元。

10.3材料费

（1）锯木：20 m3×400 元/m3=8000 元(按两次摊销)。

（2）钢管：10.565t×4200元/t=44373元。

（3）水泥（42.5级）：65 t×300元/t=19500元。

材料费合计：8000+44373+19500=71873.00元。

10.4 利润

（1）三项费用合计：165659.00元，管理费与税收按15%计：24848.85元，管棚现场施工实际总费用为190507.85元。按隧洞延米计：（165659+24848.85元）/25 m =7620.31元/m。

（2）业主批复管棚单价515.00元/m，管棚实际计价款515元/m×700m=360500.00元。

（3）实现利润360500.00-190507.85=169992.15元。

11.应用实例

11.1 应用实例一

项目名称：四川省阿坝州黑水河毛尔盖水电站引水隧洞二标。

地点：四川省阿坝州黑水县双留索乡中铁十三局毛儿盖水电站2#引水隧洞，下游桩号

K3+316-K3+323塌方段。

结构形式：结构断面为单心圆形，内径8.60m，开挖断面为直径9.4～10.2m的圆形，全断面采用钢筋混凝土衬砌结构。

工法开竣工日期：2008年11月15日开工，2008年12月02日完工。

实物工程量：下游大塌方段采用偏心钻具扩孔钢套管跟进长管棚法施工，管棚布置范围为拱顶120°，管棚长度L=25 m，共28根，700延米。

应用效果及存在问题：

(1) 采用偏心钻具扩孔钢套管跟

进长管棚法施工工法，技术可靠，施

工安全，特别是处理大塌方等成孔难

的隧道施工，可以很好的解决成孔难

的难题。同时采用长大管棚与预注浆

相结合的施工方法，整体性好，能够

保证施工安全和工程质量。

(2)施工速度快。利用长大管棚与

预注浆相结合的方法，一次性安全跨

过大塌方体，从准备到完成仅仅用了

17d，并且没有再次发生塌方。图片1 工法在大塌方施工中应用

(3)利用YXZ70型锚固钻机与单偏心DP102低风压型潜孔锤相结合，施工工艺简单，不需要较大的工作室，只需要在工作面用φ50钢管搭设一个临时平台即可，并且设备比较轻，移动方便。

（4）施工过程中废水、废液产生较少，产生污染小，符合环保、水保要求。

（5）超前支护效果明显，安全可靠，且经济和社会效益显著。

（6）因塌方段在洞内，操作空间相对受一定局限，影响工期。

（7）在塌方段实施该工法，因处在塌方体上，无支撑或支撑不够坚实，在拔钢套管工序中，施工难度较大。

11.2 应用实例二

项目名称：大运公路介休至霍州改建工程第三合同段。

地点：山西省灵石县大运公路介休至霍州改建工程，进口里程桩号K22+415采用该工法施工进洞。

结构形式：隧道横断面为曲墙式断面构造，净空断面为三心圆，拱顶单心圆半径为5.17m，侧墙半径为7.67m，仰拱半径为15.0m，仰拱与侧墙由１.0m半径圆弧连接。隧道横断面采用喷锚支护，复合模筑混凝土衬砌。

工法开竣工日期：2008年04月05日开工，2008年04月21日完工。

实物工程量：该隧道进洞施工采用偏心钻具扩孔钢套管跟进长管棚法施工，管棚布置范围为拱顶150°，管棚长度L=45m，共34根，1530延米。

应用效果及存在问题：

(1) 该隧道进洞段围岩为土夹石坡

土，非常破碎，采用偏心钻具扩孔钢套管

跟进长管棚法施工工法，技术可靠，施工

安全，特别是处理土夹石、软弱破碎等成

孔难的隧道施工，可以很好的解决成孔难

的难题。该隧道含水量大，采用预注水泥

水玻璃双液浆（比例1：1）与长大管棚相

结合的方法，能够保证施工安全和工程质

量。整体效果更好。图片2 工法在土夹石破碎围岩施工中应用

(2)施工速度快。利用长大管棚与预注浆相结合的方法，一次性进洞成功，从准备到工法完成仅仅用了15d，掘进过程中无塌方掉快的现象，支护效果非常好。

(3)利用YXZ70型锚固钻机与单偏心DP102低风压型潜孔锤相结合，施工工艺简单，只需要在工作面用φ50钢管搭设一个临时平台即可，并且设备比较轻，移动方便。

(4)施工过程中废水、废液产生较少，产生污染小，符合环保、水保要求。

(5)超前支护效果明显，安全可靠，且经济和社会效益显著。

(6)施作本工法前，在洞口衬砌轮廓线外先施作长2m钢筋砼套拱，套拱内预埋φ127钢管，为长管棚作定向用，套拱砼，还可以作为拔钢套管基座。