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如何保質保量高效地完成管棚的施工一直是傳統工藝的一大難題。常用的隧道管棚超前支護法，是在擬開挖的地下隧道或結構工程的襯砌拱圈隱埋弧線上，預先鉆孔并安設慣性力矩較大的厚壁鋼管，起到臨時超前支護作用，防止土層坍塌和地表下沉，以保證掘進與后續支護工藝安全運作。

一、工程概況

E763高速公路是歐洲11號走廊塞爾維亞段，連接塞爾維亞至黑山出海口巴爾港，是塞爾維亞最高效便捷、最安全穩定的出海通道，也是連接巴爾干地區與周邊國家的運輸大動脈。管棚自進式鉆孔安裝技術創新背景來自于塞爾維亞E763高速公路普瑞利納至波熱加段項目。該項目位于塞爾維亞南部，為雙向四車道高速公路，線路全長30.2公里，設計時速為120公里/小時。包含的Laz隧道和MunjinoBrdo隧道單洞總長分別為5504.89米和5495.89米，建成后將成為塞爾維亞目前第一、第二長高速公路隧道。地處內陸的塞爾維亞地勢相對平坦，水系較為發達，項目所在地區為丘陵地帶，地質情況較差，兩條隧道的8個口均設計有3循環12米長管棚。此外，隧道穿越斷層破碎帶處亦設計有管棚，項目隧道共設計有管棚21861米，總工期為36個月。若采用傳統工藝，僅管棚施工就占據合同工期的40%，顯然難以滿足工期的要求，因此，尋求新的技術解決該問題顯得尤為重要。結合國內外隧道施工經驗和鑿巖臺車等大型新設備在項目上的應用，參考自進式錨桿工作原理，提出并成功應用了管棚自進式鉆孔安裝技術。該技術可利用鑿巖臺車將管棚一次性鉆孔安裝完成，避免傳統工藝中鉆孔與安裝鋼管的時間差導致孔壁坍塌以及管身難以接長的情況發生，無需像傳統安裝工藝修筑作業平臺、安裝導向管、頂進管棚尾部完成安裝等工序，較好保證了隧道內有限作業空間的安全、安裝質量和安裝效率。

二、技術方案的提出與設計

前期經過調研，市場已有技術采用與自進式錨桿相同的工藝，將鉆頭焊接在管棚上，實現管棚的鉆進安裝，并將鉆頭與管棚共同棄置在鉆孔內。考慮到單個鉆頭的成本較高，為進一步節約成本，提出采用內嵌外套式的鉆頭，將鉆頭分為兩個部分：第一部分為中空鉆頭，用于與管棚焊接連接，焊接部分為不可旋轉的固定部分，頂端鑲嵌連接一個可活動的帶合金鉆齒的鉆頭，其主要用于牽引管身跟隨主鉆頭共同前進，并起到擴孔作用。除鉆齒外，其余部分可采用普通鋼材加工，能夠降低部分成本，第二部分為專用合金鉆頭，其前端與第一部分鑲嵌連接，后端與鉆機的鉆桿通過絲扣連接，在管棚鉆進安裝完成后，與第一部分鉆頭分離退出并重復使用。鉆頭的兩個部分均在鉆頭供應商處定制，將第一部分中空鉆頭與管棚焊接連接即構成自進式管棚（如圖2所示）。管棚前端與中空鉆頭連接，后端用絲扣接長管身至設計長度。管棚鉆頭與錨桿機鉆頭鑲嵌連接，通過隨鉆機的鉆桿同步旋轉，管身隨鉆頭跟進成孔并完成自動安裝，快接鉆桿之間通過套筒連接接長。該新技術與自進式錨桿的主要區別在于自進式錨桿為鉆頭、鉆桿為一次性的鉆進安裝，并全部留在巖體內作為支護體系。而自進式管棚采用的專用合金鉆頭和普通鉆桿穿過管棚內部，與管棚的中空式普通鉆頭鑲嵌連接，通過鉆桿、鉆頭的旋轉帶動管棚的鉆頭同步鉆進安裝，完成后專用鉆頭和鉆桿可從管棚內退出并重復利用。

三、管棚自進式鉆孔安裝施工

1.施工工藝流程管棚自進式鉆孔安裝技術施工工藝流程

2.施工準備

（1）設備準備。由于施工管棚的需要，將鑿巖臺車鉆臂上的導向孔、托架等更換為與管棚直徑匹配的配件，并在鉆臂前端加裝錨固定位裝置，確保鉆臂在管棚鉆進過程中不會發生位移。該技術施工以Atalas雙臂鑿巖臺車作為主要施工設備，但并非該技術專用設備，其他多臂、單臂鑿巖臺車或經過一定改裝的濕式鉆孔設備亦可應用該技術，具有較好的普適性。管棚鉆進采用的是3.5米圓形鉆桿，管棚各節段按設計打設注漿孔，在管棚各節段連接時，用離心鉗卡住已入巖的管棚管身，并利用專用離心鉗和普通管鉗輔助完成各節段的相互接長連接。

（2）場地準備。場地整平并壓實，為鑿巖臺車等機械設備提供堅實的能夠支立穩固的場地。平整完成后的作業場地做好臨時排水，及時將鉆孔作業排水或雨水引流至場地外，鉆孔排出的水經沉淀池沉淀后排放。

（3）材料準備。該施工技術涉及的主要材料可涵蓋各種型號的中、大管棚，在保證各節段接頭錯開的前提下，節段長度可根據設計的管棚長度進行合理分段；注漿材料為水泥凈漿或水泥砂漿。該項目主要材料為114毫米和89毫米管棚，管棚從內到外共計4節段，每節段3米，其中，一根3米節段為2米+1米組合，用以確保搭接接頭位置錯開，首節段焊接連接中空式鉆頭，注漿液采用水泥凈漿。材料到場后，需采用方木進行支墊，避免損壞或銹蝕。對于生銹的管棚絲扣，在使用前用角磨機打磨去除銹跡，涂抹黃油并堆放整齊。使用前，各節段在平整地面上試連接，防止因絲扣加工深淺不一或其他原因而導致無法正確連接，連接前將管棚內殘留的鋼渣清理干凈。

（4）其他準備。社會用電或發電機供電，以供應鑿巖臺車及其他機具所需的電、水，過程中定時檢查連接情況。測量人員負責在鉆孔面上標注出每根管棚的入巖點并編號，在鉆孔安裝前調整好管棚鉆進角度，鉆進過程中不斷監測管棚鉆機角度，確保符合設計要求。

3.管棚鉆孔安裝

（1）鑿巖臺車定位。鉆機定位前，將鑿巖臺車支立穩固，并將首節鉆桿及管棚安裝到鉆機上，通過旋轉鉆頭使鉆桿上的鉆頭穿過管棚上的鉆頭，與管棚鑲嵌連接，并將其外露在鉆臂最前端。根據設計鉆孔角度計算出每根管棚首節段前、后端中心高程差和偏距差，用以控制鉆孔角度。由于該型號鑿巖臺車不具備自動定位裝置，因此，在鑿巖臺車附近架設全站儀控制角度。根據設計，管棚為錐形發散布置，角度采用標高和偏距控制。首先，根據設計角度和縱坡，計算出每根管棚首節段3米的前、后端高程差和偏距差，通過鉆臂前端定位裝置將管棚前端準確地放置在已標記的入巖點位置；其次，根據前端管棚中心線測量數據反算出后端中心線坐標數據，調整鉆機大臂和小臂，直至后端管棚中心線位置實測數據與所計算的數據相符，即可判定鉆進角度符合設計要求；最后，將定位裝置進一步頂入巖體，并確保鉆進過程中鑿巖臺車可能影響鉆進方向的部位不發生任何位移。

（2）鉆孔安裝。鑿巖臺車準備就緒后，即可按照自下而上的順序逐孔開始管棚的自進式鉆孔安裝施工。首節段鉆進至管身最后一環注漿孔剛好穿過導向管后停止鉆進，利用鉆機內高壓水將鉆渣充分沖洗30～60秒。鉆渣沖洗干凈后，利用管鉗卡住鉆桿尾部，通過旋轉鉆機將鉆桿與鉆機分離，分離過程確保已鉆進的鉆桿不發生向后的位移。在鉆進過程中，負責管棚連接的工人將接長鉆桿穿入第二節段管棚。待首節鉆桿卸落完成后，將接長鉆桿及管棚通過鑿巖臺車自帶的作業平臺運送至作業鉆臂位置，并放置在管棚托架上，先將接長鉆桿與鉆機連接，再利用鉆機前后推動和轉動將接長鉆桿與首節鉆桿連接。管棚連接時，首先，利用離心鉗將已鉆進的首節管棚卡住；然后，用離心鉗將管棚接長，并確保絲扣全部連接到位，依次重復上述步驟完成單根管棚鉆進安裝。

（3）管棚安裝完成。單根管棚施工完成后，同樣利用鉆機高壓水將管棚內鉆渣沖洗30～60秒。沖洗干凈后，通過鉆機小幅度反鉆將鉆頭與管棚鉆頭脫離，必要時可通過振沖將其連接處松除。鉆機后退帶著鉆頭和鉆桿退出管棚內，鉆入的管棚則留在了巖體內，鉆桿之間同樣通過振沖輔以管鉗進行脫扣，直至所有鉆桿均退出后，方可移動鉆臂，進行下一根管棚的施工。

4.管棚注漿

待管棚施工到一定數量，且具備足夠作業空間后，即可按照自下而上的順序開始管棚注漿工作。注漿前，按照批復的配合比添加水泥和外加劑，調整水量至設計配合比中相應的數量，將注漿管放置在地面指定位置，開啟注漿機，直至注漿管內漿液均勻流出后，關閉注漿機。將注漿管與注漿閥連接，再次開啟注漿機，向管棚內注漿，直至漿液從排氣孔內流出，且注漿壓力0.5兆帕持壓3分鐘以上時，可關閉閥門停止注漿。按照同樣的方法依次從下往上完成所有管棚的注漿。

四、應用效果

項目采用管棚自進式安裝技術已成功完成了89毫米中管棚4752米和114毫米大管棚4872米的安全、高效、高質量的安裝。施工過程避免了大量的導向墻、導向管等配套工程措施，減少了大量洞內支架的搭設工作，大幅降低了施工安全風險和管控難度。該技術在增加部分一次性投入成本的情況下，時間可節省約67%，具有明顯的施工效率優勢。考慮用于該新技術的設備還可用于隧道內炮眼鉆孔、錨桿鉆孔、超前鉆探等工序，結合時間成本，其綜合成本相比傳統工藝可減少約14%，對于管棚工程量較大的隧道施工具有明顯的經濟效益。在整個過程中，能夠很好地與大型機械設備相協調，將管棚的安裝工藝大大簡化，具有安裝效率高、管棚綜合成本低及工期提前帶來的時間成本大幅下降等優勢。

五、結論

隨著大型電力驅動的鑿巖設備在隧道施工過程中的普及和應用，逐步實現從“人海戰術”向“機械化換人、自動化減人”重大轉變，能夠適應大型設備的新管棚施工技術顯得迫在眉睫。管棚自進式鉆孔安裝技術可有效地填補這一空缺，并能夠很好地兼容部分傳統設備，不僅能保證管棚的施工質量，還有效地提高了施工效率，是隧道機械化施工過程中的重要環節。

（1）新技術中采用管棚+鉆桿形成的組合式鉆桿，具有較大的剛度，克服了傳統工藝中鉆桿遇軟下沉、遇硬上飄的缺點，能夠較好地保證鉆進按照預定角度進行，確保鉆進角度偏差小且可控，從而滿足設計要求，解決了隧道管棚安裝角度無法控制的難題。

（2）傳統工藝往往采用潛孔鉆機干式鉆孔，在軟弱圍巖中鉆孔時經常存在鉆頭堵塞、塌孔等問題，嚴重制約著鉆進效率。管棚采用先成孔后錘擊的方式安裝，常常難以確保安裝長度能夠滿足設計要求，并且無法控制安裝質量。新技術中采用的一次性自進式鉆孔安裝，無需擔憂鉆頭堵塞、塌孔等問題，實現了質量完全可控，有效地解決了管棚安裝質量難以控制的難題。

（3）新技術無需施工現澆混凝土導向墻、安裝導向管、搭設施工平臺，實現管棚的一次性自進式鉆孔安裝成型，大幅優化了施工工藝過程。

（4）該新技術可利用鑿巖臺車自帶的作業平臺作為管棚安裝的安全作業平臺，其可通過懸臂調整位置和方向，在隧道狹小的空間中仍然能夠靈活的操作，相比傳統的搭設支架法具有更高的安全性，解決了狹小空間中的高處作業的安全問題。

作者：任裕廷 張博昊 李良策 單位：中交二公局國際公司 中國路橋工程有限責任公司