应用大管棚偏心钻跟管钻进法处理隧洞塌方实践

侯振

【摘 要】牛栏江-滇池补水工程大五山隧洞8号施工支洞岩石完整性极差,施工时突然发生塌方事故.业主、监理、设计和施工单位在分析隧洞地质和塌方情况后,决定采取首先加固未受破坏的初期支护结构,再采取大管棚偏心钻头跟管钻进法进行处理.在总体处理方案确定后,制定了施工工艺流程,确定了施工参数,对施工中可能出现的二次塌方、钻头烧钻、成孔困难等问题进行了分析.按照施工方案处理塌方事故后,隧道后续施工得以安全进行.

【期刊名称】《人民长江》

【年(卷),期】2013(044)012

【总页数】4页(P66-68,79)

【关键词】塌方事故;事故处理;大管棚;偏心钻跟管钻进法;大五山隧洞;牛栏江-滇池补水工程

【作 者】侯振

【作者单位】云南建工水利水电建设有限公司,云南昆明650041

【正文语种】中 文

【中图分类】TV672

1 工程概况

牛栏江-滇池补水工程大五山隧洞为输水线上最长隧洞，全长36 036.131 m，共设有15条施工支洞，分别位于昆明市嵩明县、官渡区和盘龙区境内，其中8号施工支洞控制段位于盘龙区北部山区，主洞开挖断面为城门洞形，断面尺寸为5.3 m×5.75 m(宽×高)。该区域属小江断裂地带，为构造侵蚀浅-中等切割低中山-中山斜坡-陡坡地貌，切割深度为150～450 m，山高坡陡，地质构造较复杂。

2 塌方实例

2.1 塌方情况

2012年8月13日，大五山隧洞8号施工支洞控制段下游工作面施工至K24+462，在准备安装I16型钢支撑进行初期支护时突然发生塌方，掌子面上方出现明显股状水流，水流沙石夹杂迅速向掌子面后方发展至K24+450处，导致K24+458～K24+462段部分初期支护结构破坏，1台刚完成出渣后撤的XWDZL-150履带式挖斗装载机因来不及全部撤出，机体前半部分被塌方体掩埋。

经过对塌方过程的观察及塌方基本稳定后的现场查勘，塌方沿洞轴线方向空腔长度约为5 m，空腔最大高度约为9 m，其中塌方段左侧变形较小，右侧整体坍塌。塌方体为黑-褐色细砂岩，局部有块状粉砂质泥岩，塌方体下部有明显股状水流流出，流量约为

160～180 L/min。

2.2 塌方原因分析

塌方洞段掘进方向为S75°W，埋深约160～170 m，岩性为黑-褐色细砂岩、白云质砂岩，局部夹粉砂质泥岩，受构造挤压及层间挤压的影响，裂隙极为发育，严重夹泥，呈碎裂-散体结构，岩体完整性极差，围岩自稳能力较差，极易发生坍塌。施工过程中虽已严格按照“短进尺、弱爆破、强支护”的方式进行控制，但由于岩体完整性极差，出渣过程中出现小范围掉块的现象，同时掌子面上方出现股状渗水，导致塌方发展迅速，规模较大。

2.3 塌方处理存在的问题

因1台XWDZL-150履带式挖斗装载机机体前半部分被塌方体掩埋，为使扒渣机在清除塌方体后仍能恢复使用，应避免水泥浆液将其与塌方体固结，故对塌方体采用封闭灌浆清除的处理方式，并确定采用大管棚法。

3 塌方处理方案

2013年8月17日，业主、监理、设计和施工单位四方人员对已稳定的塌方体进行了现场查勘，并召开专题会议。在听取施工单位的汇报后，四方展开了详细的讨论，认真分析了造成塌方的原因，并形成了一致的塌方处理意见，即，首先加固未受到破坏的初期支护结构，然后采用偏心钻头跟管钻进法进行大管棚施工，管棚前端入岩2 m左右，前

后以初期支护结构和掌子面未垮塌围岩作为支点形成梁式结构，充分利用大管棚的“梁拱效应”来处理塌方。具体施工方案如下。

(1) 在K24+457处的1榀钢支撑内侧通过焊接增加1榀钢支撑进行加固，加固完成后在外侧钢支撑顶拱180°范围内按照环向间距15 cm开孔后进行大管棚施工。大管棚采用热轧无缝钢管，规格为直径89 mm，壁厚6 mm，L=9.0 m。

(2) 大管棚施工结束后，将K24+453～K24+457段的3榀钢支撑按照(1)项的措施进行加固处理，然后将4榀钢支撑纵向用10型槽钢连接形成整体，并喷射C20混凝土将钢支撑喷满。

(3) 钢支撑加固处理完成后，人工清理塌方体，并逐榀更换安装I16型钢支撑，间距50 cm，钢支撑纵向连接筋采用Φ22螺纹钢筋，间距30 cm，对每榀钢支撑注浆钢花管进行锁脚(数量为12根，规格为Ø50，L=4.5 m)，钢支撑外侧布设双层钢筋网(Ø6.5@15 cm×15 cm)。

(4) 待撤出被塌方体掩埋的扒渣机后，进行Ø50注浆钢花管施工，然后封闭塌方体进行灌浆处理。

4 施工中存在的问题及解决方法

4.1 主要问题

(1) 湿法钻进和干法钻进问题。因塌方体为黑褐色细砂岩，局部有块状粉砂质泥岩，

采用湿法钻孔，施工用水易将塌方体中的泥沙冲走产生空隙，导致塌方体下陷，扰动已稳定的塌方体，极易导致二次塌方。采用干法钻进，如果钻头得不到有效的冷却，磨蚀将增加，极易发生“烧钻”现象，且施工进度较慢。

(2) 成孔困难问题。因塌方体自然堆积高度已超过拱顶高度，松散、无自稳能力，相对传统的套管法施工在穿越塌方松散体部位时，不易成孔，极易发生卡钻、塌孔、退钻困难等问题。

(3) 下套管困难问题。因塌方体较为松散，稳定性极差，钻孔完成退钻时，极易发生塌孔情况，导致套管难以下进，若需下进套管，需多次进行“洗孔”，严重影响施工进度。

4.2 解决方法

针对上述施工中存在的主要问题，经分析比较，决定采用相对较新的偏心钻头跟管钻进法进行大管棚施工。该方法为风动+电动干法钻进，大管棚下管与钻孔同时进行，从而有效避免了施工中存在的上述主要问题。

偏心钻头跟管钻进法的工作原理为：偏心钻头通过风动冲击器和钻杆与地质钻机连接，专门加工制作的管靴与管棚钢管焊接在一起，并套在钻具和钻杆上。钻进时，钻具通过管棚钢管内孔进入管靴，钻具正转时，偏心钻头在孔底摩擦力的作用下顺着回转方向偏心张开，在钻机扭矩驱动下钻出比套管外径大的钻孔，同时，风动冲击器驱动管靴，使管棚钢管与钻孔同步跟进，管棚钢管同时起到保护钻孔的作用。当钻孔达到预定深度后，将钻具反向旋转一定角度，偏心钻头收拢并从管棚钢管中回转退出。

5 施工方法与工艺流程

5.1 施工参数

(1) 钢管规格。热轧无缝钢管Ø89 mm，壁厚6 mm，节长为3 m和6 m，钢管管壁不打孔。

(2) 大管棚布设位置。拱圈180°范围，其余位置根据施工实际情况及需要调整增加。

(3) 大管棚管间距。沿拱圈环向间距15 cm。

(4) 大管棚轴线角度。垂直于径向，仰角不大于5°(不考虑隧洞纵坡)。

(5) 大管棚轴线方向与隧洞轴线平行。

(6) 管棚连接采用对接焊或铆焊。

(7) 管棚刚度加强。管棚施工完毕后，在管内插入3根Ф22二级螺纹钢筋(管内按三角形布设)，并注入水灰比1∶1的水泥砂浆，凝固后增加管棚的整体抗弯能力，以承载塌方体重量。

5.2 施工方法

(1) 钻进。搭建1个操作平台，配置1台地质钻机和1套钻进辅助器材。在加固后的

原初期支护钢支撑拱圈上按环向间距15 cm开孔，然后两侧对称进行施工。开钻时，先低速低压，待成孔几米后，再加速加压。钻进过程中，必须沿钻机定位后的基线钻孔，并随时检查钻孔方向的准确度，量测孔斜，并及时修正。

(2) 下管及接管。为错开钢管接头，加工钢管时，不同长度的钢管编号分类堆放，施工时，9 m的相邻两根为6 m+3 m,3 m+6 m接管采用对接焊方式焊接。

(3) 注浆。管棚按照设计孔位及要求施工完成后，在管内成三角形插入3根Ф22二级螺纹钢筋，根据管长及内径计算出需要注入的水泥浆体积，然后用螺杆式注浆泵注入水泥砂浆，以避免超量注入导致水泥浆液流散将被埋扒渣机与塌方体固结在一起。

(4) 塌方体清挖。管棚及注浆施工完成后，开始逐步清理塌方体，清理完成后，将扒渣机移出塌方段，然后封闭塌方段进行灌浆处理。

5.3 工艺流程

施工准备→操作平台搭建→孔位放样→孔口定位钢支撑施工→钻机就位→钻具组装→开孔钻进→完成第1节施工→接管后继续钻进→完成第2节施工(完成钻孔及跟管)→退钻→插筋和注浆→进行下一根管棚施工→管棚施工完成→塌方体清挖并撤出掩埋设备→灌浆处理。

6 跟管钻进施工出现的问题及解决措施

(1) 岩屑及塌方松散体排屑困难。由于钻孔仰角控制在5°以下，钻孔基本上为水平孔，

加之塌方体为黑褐色细砂岩，局部有块状粉砂质泥岩，又比较潮湿，钻进过程中排屑相对困难，钻至未垮塌的围岩内时，情况明显好转。因此，在塌方体中钻孔及跟管过程中，需严格控制钻进速度，低速、低压、慢钻，并采用高压风勤吹孔，及时排除孔内岩屑及塌方松散体。

(2) 退钻时偏心钻头脱落。偏心钻回转退钻时，钻头易脱落。主要原因为：① 管靴与钻头间的空隙易被岩屑等物质堵塞卡死；② 管靴加工精度低，内径尺寸不规则，偏心钻头反转回收受阻。发生偏心钻头脱落时，可采用丝锥锥取。为有效避免钻头脱落，应严格控制管靴的加工精度，不合格的不能使用，并在退钻前加强高压风吹孔，排除钻头处的岩屑。试退几次仍不能成功时，应输送高压风，重新清理钻孔，并使冲击器作短时间工作后，再进行退钻作业。

(3) 管靴脱落。跟管钻进施工中，管靴是主要受冲击振动的部位，随孔深的增加，管长加长，管壁与岩体的接触面积逐渐增加，摩擦力增大，管靴受力也逐渐增大，长时间的冲击作用使管靴很容易被冲击脱落。因此，为防止管靴脱落，应加强管靴与管棚钢管的焊接质量，采用对接满焊进行焊接。

7 跟管钻进操作要点及注意事项

(1) 钻具入孔前应检查潜孔冲击器、跟管钻具、管棚钢管及管靴连接是否牢固，偏心钻头转动是否灵活，通风是否顺畅。

(2) 钻进过程中应注意观察管棚钢管的跟进情况及孔内岩屑情况，加强吹孔排渣，以

排屑顺畅为准。在松散体中钻进时，应控制钻进速度，以免岩屑太多难以及时排除，产生回转困难的问题。钻进中，如发现回转阻力大或管棚钢管跟着旋转的情况，要轻提钻具，吹孔排渣，以保持孔内清洁。

(3) 钻进过程中禁止强力起拔钻具，以防钻具脱落。

(4) 钻进结束或需要更换钻具时，应先进行清孔，将孔底残渣吹至孔口不返渣为止，在反转钻具时，应小心操作，防止钻具脱扣。

(5) 在需要反转提钻时，可边冲击边反转2圈左右，然后在不停风的状态下反转退钻。

(6) 每完成一个钻孔要检查偏心钻钻头的收敛和张开状况，偏角过大时要及时更换横销或补焊偏心槽。

(7) 连接时管棚钢管优先采用对焊焊接，并确保焊缝质量。

(8) 钻杆连接接头一定要上紧，防止钻具反转时从钻杆接头处反脱。

8 结果评价

大五山隧洞8号施工支洞塌方段大管棚施工从2012年8月20日开始，至9月1日上午全部完成，共计12 d，共施工大管棚45根，单根长度为9.0 m，总长405 m，日施工进尺为33.75 m。按照塌方后续处理方案处理后，被掩埋的履带式挖斗装载机顺利撤出，2012年9月18日工作面恢复正常，开始开挖施工。

9 结 语

(1) 偏心钻头跟管钻进法钻具所特有的结构以及优良的工作性能为其在松散破碎地层(如隧洞塌方体)中钻孔提供了可靠的技术保障，有效避免了钻孔过程中因塌孔导致的成孔困难和下套管困难等问题。

(2) 偏心钻头跟管钻进法在钻进施工时减少了下套管和取拔套管两个施工环节，减少了套管损耗，缩短了施工时间，一定程度上节约了工程投资，加快了工程建设工期。

(3) 偏心钻头跟管钻进法是一种相对较新的施工方法，因使用者对其性能及操作注意事项的不熟悉而导致钻头、管靴脱落以及冲击器掉落等事故时有发生，一定程度上增加了施工成本，因此，在实际推广使用中，还需要进一步积累和总结操作经验，同时对钻具的设计和选型配套进行研究和优化，使其成为更具实用性和经济性的大管棚施工方法之一。