浅议超长大管棚施工技术在黄土隧道中的应用

宋连东

（西安渭北航空工业组团保障房开发有限公司 陕西西安 710000）



浅议超长大管棚施工技术在黄土隧道中的应用

宋连东

（西安渭北航空工业组团保障房开发有限公司 陕西西安 710000）

摘要：超长大管棚已在黄土隧道中广泛应用，然而精确定位却一直影响着管棚的施工质量。讨论了200 m超长管棚施工的钻机选型、导向系统、泥浆配制及长管棚注浆等技术，形成了一套超长管棚施工工艺，为今后施工提供借鉴。

关键词：地下工程 200 m超长管棚 施工技术

1　前言

目前用于地铁暗挖隧道控制地表下沉和加强围岩的辅助施工技术方法主要有浆液压注、冻结、垂直锚杆、管棚、水平高压旋喷加固等。经过近年来的不断发展与实践，强度大、支护效果好的管棚支护已成为控制地面下沉和加强隧道围岩的主要技术手段。目前由于城市地铁多数为浅埋暗挖，而且随着地铁隧道施工要求的不断提高，管棚支护已由原先的短、小超前支护向长、大超前支护发展，加之城市变迁带来的土层不确定性因素，这对管棚施工的精度、施工能力及相应设备提出了较高要求，特别是超100 m管棚的高质量、精确施工。为一次实现西安地铁200 m超长管棚的精确施工，引进非开挖技术中的水平定向钻技术，在西安地铁4号线区间存车线进行了200 m超长管棚的施工实践，讨论了

200m超长管棚施工的钻机选型、导向系统、泥浆配制及长管棚注浆等技术，形成了一套超百米长管棚的施工工艺。

2　工程概况

2.1工程简介

雁南四路站～大唐芙蓉园站区间主要沿芙蓉西路地下布置，南起右DK8+371.825，北至右DK9+619.325，全长1247.5 m，采用矿山法施工。线路出雁南四路站向北沿芙蓉西路依次穿越f13、f10南、f10北三条地裂缝，到达大唐芙蓉园站。

大唐芙蓉园站南端设置210 m单存车线及36 m存车岔道段，全长设置Φ108*5大管棚。

2.2管棚施工段地质条件

此处地层自上而下依次为：1-2 Q4 素填土、3-1-1 Q3 新黄土、 3-2-2 Q3 古土壤、4-1-3 Q2 老黄土、4-2-2 Q2 古土壤、4-1-2 Q2 老黄土、以下为4-2-2 Q2 古土壤和4-1-2 Q2 老黄土交替成层。隧道位于古土壤和老黄土地层中。地下水位为地表下10 m。

3　施工方案及施工技术要点

3.1工艺原理

非开挖技术是从原始的钻探技术衍生并逐渐发展起来的一种新兴技术，是在不破坏地表的情况下铺设各种地下管线的技术。我国该技术开发落后于西方发达国家约20年。近几年，我国非开挖技术取得了长足的进步。非开挖地下管线施工技术目前包括水平定向钻进技术、气动夯管锥技术、气动冲击技术、微型隧道技术等。水平定向钻进技术是利用钻杆的柔性在导向系统的监测下，沿设计线路轨迹钻进，到达目的地后，卸下钻头换上回扩器进行回扩孔拖管。

水平定向钻进暗埋钢管形成管棚, 是利用水平定向钻机钻进，管棚作为钻杆，采用有线导向、水循环跟管钻进方法一次将钢管打进200m。有线导向水循环跟管钻进法就是管棚钢管最前端安装一带有有线导向仪的楔形钻头，钻头后面紧跟管棚钢管，在钻进过程中采用水作为循环液排渣，钻进前先将循环液送至钻头前端后开始钻进，钻进过程中随时利用有线导向仪进行跟踪测斜，发现管棚钢管偏离设计轨迹时进行纠偏，直到将管棚钢管打设到设计长度进行封孔注浆。

3.2施工方案

根据大唐芙蓉园站南端设置210 m单存车线及36m存车岔道段的工程特点及车站主体上方土质及管线情况，综合考虑暗挖车站的施工安全、质量、工期、成本、精度以及管线的沉降控制等因素，决定采用一次跟管钻进、非开挖铺管技术，配置带有导向装置的定向水平钻机进行施作。在差异性土层中的管棚钻井，考虑到精度、成本及进度，钻头种类的选择尤为重要，具体如下：

（1）在钻头上加焊楔形板，对钻黏土层及钻井过程的纠偏能够起到良好作用。

（2）在硬塑性土层中，把钻头的楔形板制作成锯齿形，既能够进行过程纠偏同时能够提高钻进速度。

（3）在坚硬物体存在的土层中，在钻头的锯齿上面加焊合金钢钉，对此地层的钻进速度及质量均有保障。

根据施工图纸，存车线设置的12米的管棚工作室属于存车线断面，所以管棚实际打设长度为198 m （210 m～12 m）。根据管棚工作室的各导洞施工顺序（双侧壁导坑法），将管棚施工分为三个区域，施工顺序为：1号导洞→3号导洞→5号导洞。各区域管棚施工顺序受钻机台架高度限制，每4个分为一组，并采用隔一打一的顺序：2→4→1→3，6→8→5→7……。区间2#现场水、电可以满足施工要求。根据设计图纸要求，管棚工作室1号洞已施工到位，可以打设大管棚，3号、5号洞依次施工。

3.3超长管棚钻进设备

根据该地段地质情况，现场Φ108管棚打设采用水切割钻进方法，为确保管棚打设精度，采用有线导向仪控制钻杆（管棚管）水平精度，用楔掌斜板导向钻头调整管棚管进行打设。为保证安全、准确、高效进行施工，探棒安装在导向钻头后部200 mm处。

导向仪系统包括接收仪、遥显仪及探棒。遥显仪和探棒为有线连接。水平定向钻进方法是非开挖管线施工的一种方法。该方法要求在钻进过程中能准确测定钻头在地下的位置和方向。根据钻头在钻进过程中的位置和方向同设计轨迹的差异，利用随时可调节方向的钻头（一般为楔型钻头）改变钻头的钻进方向，从而按设计要求完成管线的铺设。

探棒内装有特制的传感器，传感器直接由15V直流供电。显示屏显示钻头的倾角（水平角度）、面向角（导向板的方向：导向板朝上即为12点，如同钟面）。有线探头可以发射无线电频率信号给地面上的接收仪，在地表用手持式接收仪接收信号，可以显示钻头左右偏差。

打设角度如果偏下，可以把钻头调整到12点，即导向板朝上，直接顶进，此时由于导向板底板斜面面积大。受到一个向上的力，钻头轨迹就会朝上运动。同时在6点纠偏可以使钻头轨迹朝下，9点、3点分别是为左、右纠偏方向。如果角度合适，钻机会匀速旋转钻进，此时钻杆轨迹一般是平直的。终孔偏差可以控制在5 ‰以内。

3.4施工工艺流程

现场准备人员→设备进场→测量放线→铺设轨道→设备组装调试→调试钻机（方位、倾角）→钻具组装进孔→冲洗液循环→导向钻进→管棚加尺（接线、接口补焊）→孔斜测量→导向钻进→直至设计深度终孔→回取探头→管内及环状间隙注浆→移至下一孔位。

3.4.1设备组装前的准备工作

（1）施工现场必须保证水通、电通、路通，水电距施工现场不超过30M。设置泥浆收集线路及泥浆箱。

（2）设备检查。检查中有否缺件及好坏程度：电机、钻机、泵等测试，运转是否正常，所有部件是否完好；液压系统是否通畅，密封完好度，液压油泄露状况。

（3）检查所有焊接部位是否有开焊，有则补焊。

（4）各种部件是否有变形，有则进行校正。

3.4.2测量放线（包括：方位线、水平点、孔位点）

3.4.3钻机设备安装

（1）钢垫板规格=长×宽=250×250 mm；涨管螺栓直径=Φ16 mm；钢垫板与基础固定要牢，强度要高；

（2）H型钢轨找平误差∠3 mm；

（3）底盘对角线找平误差±∠3 mm；

（4）斜拉需绷紧，交叉拉力基本相等；

（5）四柱对角误差±5 mm；

（6）升降系统：螺丝拧紧，发现溢扣者必须换掉；

（7）所有螺母必须拧紧，发现溢扣者必须换掉；

（8）丝杠、顶杠要顶紧、有效，安装要牢固，确保不因震动而松动或脱落。

3.4.4调试钻机（方位、倾角）

（1）钻机入孔的方位角及倾角，必须在测量队提供的可靠的测量数据上进行；

（2）孔位确需移动时，须设计与监理同意；

（3）根据试验检验导向钻头的纠偏能力，在施工经验积累的基础上，确定开孔方位和倾角是否增回纠偏角；

（4）计算倾角时应将隧道坡度考虑在内，钢管打设时原则上不允许向内偏斜。

3.4.5钻具组装

（1）钻头楔掌板旋转直径Φ≤115，楔型面与钻具（钻杆）交角≤20℃；

（2）水眼直径为8-10 mm；

（3）钻具前部导向钻头，探棒必须经检验，保证质量合格，性能可靠，安装齐全；

3.4.6冲洗液流通系统

（1）冲洗液具体配比由专业泥浆工程师根据本地层情况确定。泥浆需经充分搅拌，均匀配制而成。

（2）冲洗液必须先配制后使用，严格在使用中同时加清水、加料；

（3）冲洗液流通系统：冲洗液制备→储浆池→泥浆泵→送水器→钻具→管外环状间隙→孔口回水阀口→回浆管（沟）。钻时过程中必须保持上述各流通环节的畅通。

（4）在施工过程中，应根据不同地层，合理调节泵压、泵量，以免因冲洗液不足引起通道堵塞或因过大导致过量泥浆外排。此工程中，一般宜取中低压、中水量。

3.4.7导向钻进

（1）导向钻进前应对钻机定位情况、方位、倾角情况，孔口管对中情况，冲洗液流通以及导向仪显示情况进行全面复检，确认正常后进行试钻；

（2）钻进前须先开泵，待冲洗液流通正常后，方可钻进；

（3）钻进时，泵压应控制在0.4-0.8 MPa，泵量为20-50 L/min为宜，保持中低压力，匀速中速钻进；

（4）为防止水土流失，控制沉降，必要是需采用孔内保压措施。要始终保持回水量小于或等于进水量；

（5）导向技术人员随着不断钻进，必须时刻观察探头角度变化情况，在地面上沿线路中线每5 m定点，在每个点位探测信号，及时纠偏。当纠偏无效时，应停止钻进，及时报告项目负责人，研究对策后再施工。现场须及时进行导向数据记录和钻具有效长度及每次加管长度详细记录；

（6）钻孔出现涌水时，应尽量保持泵压，泵量不能变小，以平衡孔内压力；

（7）冲洗液不正常时，严禁继续钻进。泵工应注意观察冲洗变化情况，及时上报有关负责人。3.4.8 管棚连接、接线

（1）半成品管在下坑前必须进行检查。管材不得弯曲。管材内的铁屑、赃物及锈皮等必须清除干净。下坑时避免与硬物相碰；

（2）管棚连接：因管棚打设长度长，传统的丝扣连接套丝深度大于2 mm，造成管棚壁变薄，满足不了施工扭力要求，所以钢管采用内加套管电焊连接，为了避免钢管同步搭接，大管棚前端第一个根可以采用两种规格，单号第一根打设3M钢管，双号第一根打设1.5M钢管，其它钢管采用一个规格。

（3）连接的电线应选用导电性能好，外壳绝缘性能好且耐磨的电线。单孔打设验收合格后，通过管内压注水泥浆，对管内及管外环状间隙进行充填；再转入下一孔位施工。

3.5施工关键技术及安全、环保措施

根据项目工期安排及实际情况，计划每12小时施工一根大管棚，24小时连续施工。现场物资准备见表1所示。劳动力配置见表2所示。超长管棚施工关键技术要点如下：

（1）水平定向钻进时，每打设一根钢管可以监测1-2次钢管是否偏斜，如有偏斜立即校正。

（2）大管棚设计呈拱形分布，按照设计图纸长度制作。棚管规格：采用φ108×5 mm无缝钢管。钢管材质要求薄厚均匀。棚管中心距暗挖初支结构外皮轮廓线为35cm左右。进孔外倾角：1～2°。注浆材料：水泥浆。

（3）大管棚打设时必须跳孔打，终孔跟踪注浆，注浆必须保证管内外环间隙注满填充实。如果不跳打，接着再打下一个孔。地层软硬不均，钻进时钢管很难控制偏斜，无法保证大管棚质量。在管棚打设时必须按照施工方案进行施作。

（4）大管棚注浆采用水泥浆，水灰比为1︰1，注浆量根据钢管内和钢管外的环状间隙计算多少立方，然后看地层渗漏情况确定每一根钢管的注浆量。注浆要求管内注浆由管外排出水泥浆，停15～30min进行二次补浆，确保管内外填充质量、注浆必须控制好注浆量、注浆压力等每一个环节，保证达到设计要求为标准。

4　结论

暗挖区间存车线段200 m超长管棚应用一次性跟管钻进、非开挖铺管技术在黄土层中对区间大断面隧道的预支护，由于钻头制作及使用合理，钻进过程中未出现卡钻、堵钻现象。同时，有效控制了地下施工对地面引起的沉降，隧道开挖完成后地表最大累计沉降量在80 mm 以内；地下管线最大累计沉降量控制在40 mm 以内。通过导向纠偏，管棚的偏差（竖向偏差和水平偏差）控制均在2 ‰以内，端头误差控制均在20 cm 以内，长度偏差均在15cm 以内。隧道开挖过程中未出现大量的土体掉块现象，有效防治了地铁暗挖隧道施工时上方土体坍塌情况的发生，为本地铁隧道施工打下了坚实的质量、安全基础。实践表明，采用200 m的超长管棚一次施工的方案具有明显的技术经济性，不仅能减少工程量、缩短工期，还可以取得明显的经济和社会效益，从而为后续施工创造有利条件，并保证工程顺利实施。

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Application of Super Long and Large Pipe Roof Construction Technology in Tunnels in the Loess

SONG Lian-dong
（Xi'an Weibei aviation industry group low-income housing development Co. Ltd. Xi'an Shaanxi 710000 China）

Abstract：Super long pipe roof has been widely used in the loess tunnel. However, the issue of accurate positioning has been affecting the construction quality of pipe roof. This paper discusses the drilling machine selection, guidance system, slurry preparation and long pipe roof grouting technology for the construction of 200m long pipe roof and forms a set of long pipe roof construction technology, which gives reference future constructions.

Key words：underground engineering 200m long pipe roof construction technique

文献标识码：中国分类号：U231+3A

文章编号：1673-1816（2016）01-0056-05

收稿日期：2015-11-14

作者简介：宋连东（1981-），男，汉，工程师，研究方向土木工程。