长大管棚泥浆护壁法施工技术

汪树生

(中铁四局集团有限公司，合肥 230022)

1 工程简介

浏阳河隧道起讫里程为:DⅡK1560+785～DⅡK1570+900，全长10 115 m，是武广客运专线的控制性工程，也是本线最长隧道，隧道穿越湖南省长沙市，起于潇湘西路南侧，在穿越京珠高速与长永高速公路牛角冲互通立交后，通过星沙开发区的厂区密集群、高地学校区与民房区后下穿浏阳河，终于机场高速公路南侧。

本文主要介绍隧道进口人工填土层大管棚施工技术，进口段为素填土、杂填土，堆积时代较新，结构松散～稍松，标贯击数为4～17击，工程性质差且不稳定，埋深8～10 m。

2 设计支护措施

自地表沿隧道中轴线方向，在洞身开挖轮廓线外40 cm处布置1排φ80 cm钻孔桩，钻孔桩纵向间距1.2 m，防护范围90 m。洞口段拱部1400范围内采取超前长管棚，长度40 m，环向间距40 cm，向上倾角为1°～3°，共计45根，管棚为φ108 mm热压无缝钢管，壁厚6 mm，丝扣连接，注水泥浆液，注浆压力0.5～3 MPa，长管棚设置C20混凝土导向墙，内置 φ140 mm钢管导向，超前大管棚布置图见图1。

图1 洞口大管棚布置(单位:m)

3 成孔工艺方案比选

3.1 引孔顶入法

引孔顶入法为钻孔、清孔、顶管、注浆［1-3］，选取拱部25号、28号孔进行了工艺试验，采用普通管棚钻机钻孔，由于该地层为人工填土层，结构松散，钻孔时发生塌孔、卡钻、缩径等现象，无法成孔，最大钻进8 m。

3.2 跟管钻进法

采用大直径外钻头连接φ108 mm无缝钢管，管棚钻机采用小直径合金钻头和冲击器在φ108 mm无缝钢管内钻进，带动钢管前进，直到达到设计位置［4-7］，本隧道在引孔顶入法无法实现的情况，选择了30号孔进行了跟管钻进法工艺试验，试验过程中，由于土层松散，基本无反压力，管棚钻机冲击成孔时不能完全击碎土体，大颗粒碎渣充填φ108 mm无缝钢管内，导致卡钻，钻杆回转困难，每钻进3 m左右需退出钻杆，高压水或高压风冲洗φ108 mm无缝钢管管体，成孔速度极慢，30号孔达到设计深度时共用时2 d，工效低、成本高。

3.3 泥浆护壁法

采用地质钻机回转钻进，利用钻孔桩正循环原理，循环泥浆护壁的方法成孔［8-12］，选择了23号孔进行了工艺试验，钻进过程中对钻进速度、塌孔、卡钻等情况进行了分析比较，不断地优化和改进泥浆的性能，掌握了合理的泥浆拌制参数。按照改进的泥浆，通过24号孔的施工，大大提高了钻孔速度和成孔质量，24号孔从开钻到顶管结束用时7 h。

4 泥浆护壁法施工工艺

4.1 工艺流程(图2)

4.2 泥浆拌制

泥浆的拌制采取在现场就地挖泥浆池的施工方法，同时设置临时储浆池，泥浆池用作拌制新泥浆，储浆池用作钻孔过程的泥浆循环。

图2 泥浆护壁法施工工艺

泥浆采用黏土和水配制，本文介绍的泥浆各项指标不同于钻孔桩，其使用的环境不同于钻孔桩，其目的是在水平钻孔中达到泥浆护壁的作用，在钻孔桩泥浆参数的基础上进行优化设计，主要控制和优化调整泥浆的比重、粘度、含砂率、胶体率四项指标。

(1)泥浆比重

借鉴钻孔桩施工经验，初步确定泥浆比重为1.1～1.3，隧道管棚施工一般均为水平钻孔，水平钻孔时泥浆在孔内快速流失，泥浆比重过低护壁效果差，不易成孔，根据23号孔的泥浆护壁效果，最终确定泥浆比重为1.4，拱顶孔位钻孔外插角大，泥浆比重适当加大，拱腰孔位近似水平钻孔，泥浆比重适当减小。在施工过程中根据钻机的钻进速度和回转情况适当调整泥浆比重。

(2)泥浆粘度

桥梁钻孔桩施工时，泥浆粘度越高，其携带钻屑、护壁能力越强、泥皮厚，管棚施工要充分利用泥浆这一性能，提高护壁、携带钻屑能力，同时形成适度的泥皮，泥皮过厚影响后期注浆效果。钻孔桩松散易坍地层一般黏度为19～28 s，考虑到水平钻孔泥浆流动性的特性，并根据23号、24号孔成孔效果和注浆效果验证，泥浆黏度一般控制在40 s。

(3)泥浆含砂率

泥浆的含砂率高，会降低泥浆粘度，增大泥浆密度，造成泥皮松散，护壁性差，泥浆拌制是要严格控制泥浆的含砂率，泥浆含砂率越小越好，现场配制的泥浆含砂率严格控制在＜4%以内。

(4)泥浆胶体率

泥浆胶体率高是泥浆具有良好流变性和失水特征的保证，现场泥浆的胶体率不小于95%。

4.3 钻孔

钻孔前先检查钻机各部位运转是否正常，对非正常部位进行更换，开启泥浆泵，匀速钻进，做好钻进速度、卡钻、塌孔等记录，及时调整泥浆性能，确保成孔效果。

4.4 管棚安装

由于该地层为松散的人工填土，虽然采取了泥浆护壁，但不及时安装管棚同样会出现塌孔、缩径等现象，因此成孔后要及时顶进钢管，管棚钢管利用钻机动力头顶进，钢管间为丝扣连接，安装时用自由钳人工旋紧。

4.5 清孔

清孔工序安排在管棚安装完成后进行，在管棚孔口安装注浆管和止浆阀，用注浆泵和自来水进行高压冲洗，尽可能地冲破泥浆壁，提供注浆条件。根据23、24号孔注浆量与设计注浆量的对比，每个孔冲洗时间不少于20 min。

4.6 注浆

注浆初期采取低压力、中流量注入，注浆过程中压力逐步上升，流量逐渐减少，当压力升至注浆终压时，继续压注5 min，终止注浆。为确保浆液固结松散土层，注浆分两次进行，第二次注浆在第一次注浆完成待水泥初凝后(约4 h)进行。注浆压力控制在0.5～3.0 MPa。

注浆结束后及时清除管内浆液，并用M15水泥砂浆充填，增强管棚的刚度和强度。

5 效果评价与结束语

通过浏阳河隧道进口超前大管棚成孔施工方法的比较，在人工填土地层中，地质钻机泥浆护壁法成孔工艺成孔速度快，成孔质量高，洞口45根管棚(每根长40 m)用时8 d。同时地质钻机耗电量小，不需大型供风设备，施工周期短，节约了工程成本。

通过本隧道超前大管棚施工工艺的研究，超前大管棚泥浆护壁法可以有效地解决软弱地层破碎带、堆积体、人工填土层等隧道超前支护的施工难题。

［1］高怀鹏，毛海东.长管棚预注浆超前支护技术在浅埋偏压大跨隧道洞口施工中的应用［J］.公路，2005(10).

［2］张长亮，石平，金美海.公路隧道大管棚超前支护技术与工程实践［J］.交通标准化，2007(8).

［3］李显峰，黎新亮，路威.注浆大管棚在粉细砂大跨渡线隧道施工中的应用［J］.市政技术，2008(5).

［4］王彦臻.北京地铁首都机场线某暗挖段导向跟管钻进大管棚施工技术［J］.施工技术，2010(9).

［5］赵建勤，李子章，石绍云，等.空气潜孔锤跟管钻进技术与应用［J］.探矿工程(岩土钻掘工程)，2008(7).

［6］张志秀.堆积体浅埋隧道超前支护大管棚施工方法［J］.山西建筑，2009(34).

［7］周刘刚，王海洋.浅埋暗挖地铁车站管棚加交叉小导管超前注浆预加固施工技术［J］.铁道标准设计，2007(4).

［8］唐宏.钻孔桩泥浆对孔壁稳定性及极限孔深的影响［J］.山西建筑，2005(7).

［9］牛润明.泥浆比重对钻孔灌注桩质量的影响分析［J］.城市道桥与防洪，2002(4).

［10］王立平，王一新.浅谈泥浆主要特性及在岩土工程施工中的重要作用［J］.安徽建筑，2007(1).

［11］李斌，李巨龙，周玲玲.水平定向钻进铺管水平孔段软土孔壁稳定性分析［J］.岩土工程技术，2005(2).

［12］张飞.穿越粉砂层钻孔灌注桩施工［J］.建筑机械，2010(11).