超长管幕施工技术在浅埋暗挖隧道中的应用

彭 龙，卞桂荣，曹豪荣

（1. 中交第三航务工程局有限公司，上海 200032；2. 中南大学，湖南 长沙 410075）

新建北京至沈阳客专高丽营隧道地处北京市顺义、昌平郊区平原，起止里程DK33+310～DK34+510，全长1200m，暗挖段430m，共设计2个竖井；其中在DK34+079～DK34+160段下穿1根Φ700超高压燃气管、1根Φ250石油管道、2根Φ1000超高压燃气管线以及1根Φ500超高压燃气管线，如图1所示。该段隧道地面覆土5.0～7.2m，穿越地层以黏土为主，属Ⅵ级围岩。超高压天然气管道和石油管道管距隧道拱顶仅3.9～5.7m，设计采用超前管幕+格栅钢架支护结构和双侧壁导坑施工方法。

1 超前管幕设计

DK34+079～DK34+160段超前管幕为Φ299×15mm钢管，环向间距400mm，共55根，钢管间采用外接式锁扣进行连接，锁扣材料为80×50×8mm角钢，如图2所示。管幕水平方向采用直线打设，竖直面上分别沿线路坡度打设，即DK34+079～DK34+160段设计为10.9‰的上坡，长81m。为了提高管幕的抗弯能力，钢管打设完毕后对其进行水泥砂浆或水泥净浆封孔注浆。

2 “无线导向、前拉后顶挤扩孔拉管”超长管幕施工方法

2.1 基本思路

技术资料调查发现，长度超过80m的带锁扣超前管幕施工案列在国内少见，且高丽营隧道上方管线复杂，沉降和隆起控制要求严格，施工难度大。为此，借鉴非开挖水平定向钻进技术，提出了“无线导向、前拉后顶挤扩孔拉管”的超长管幕施工方法。该方法的基本思路是：首先，由定向钻孔设备在无线导向仪的指引下，将导向钻杆打入到另外一侧的接收井中，形成小孔径定位引孔；进而在钻杆尾端连接回扩头，对定位引孔进行多次扩径，直至预定孔径；最后进行管幕回拉安装。

2.2 工艺流程及关键步骤

图1 高丽营隧道下穿超高压燃气管线段纵断面图

图2 超前管幕布置及锁口图

“无线导向、前拉后顶挤扩孔拉管法”超长管幕工艺流程如图3所示，关键施工步骤如图4所示。结合依托工程，具体可描述为：

图3 超前管幕前拉后顶挤扩孔拉管法

先采用Φ89mm地质钻杆从出口明挖段向2#竖井进行引孔，引孔出洞后将同管幕钢管直径稍大的锥形扩孔钻头连接到Φ89地质钻杆上，回拉扩孔至出口明挖段（DK34+160处）。然后将Φ89地质钻杆再钻进至2#竖井中，再将锥形扩孔钻头通过自制拉鼻子和分动器连接管幕钢管，采用前拉后顶的方式将管幕钢管由2#竖井拉至出口明挖段处，引孔过程中采用无线导向技术导向。

3 施工过程

3.1 引孔钻孔

为尽量减少长距离钻进过程中钻杆下挠，优选了GP40钻机和Φ89地质钻杆，并根据钻孔长度预抬一定角度和安装1个带2个小孔的斜板式导向钻头，以便于在钻进过程中能够进行纠偏。泥浆泵将冲洗液先注满幕管，然后冲洗液通过2个小孔高压喷射出去，对土体进行切割破除。钻头楔形板旋转顶进过程中同时对土体进行修复性切割，使土体形成略大于管径的孔。原地层渣土通过与冲洗液的搅拌形成泥浆，泥浆从管壁与土体之间的间隙中外流，直至流到孔口。如此循环，管幕不断前进（见图5）。

现场冲洗液采用高效膨润土造浆护壁，根据不同地质条件泥浆比重控制在1.1～1.3，粘度在30～40s左右，PH值控制在8.5～10。泥浆采用机械搅拌，拌制均匀，时间不少于7min，泥浆用量一般为孔径的3倍左右，钻进过程中为减少泥浆损耗，采用泥浆回收系统，经过处理后循环利用。为防止地面沉降，严格控制出泥量，须通过回水阀门与密封盒的有效控制，始终保持回浆量小于进浆量。施工时，严格控制循环泥浆回流泥砂量，要求定向钻进中坚持“以保为主，以纠为辅”的原则。在施工中，根据地层情况对技术参数进行适时调整。

图4 超前管幕施工步骤

图5 引孔钻进

3.2 回拖扩孔

引孔完成后即可进行回拖扩孔施工。在2#竖井内拆除楔形板导向钻头，安装锥形扩孔钻头即可进行回拖扩孔。为将地层沉降减至最小，扩孔器直径320mm，略大于管幕钢管，见图6。

图6 扩孔器

3.3 管幕钢管顶进

扩孔完成后即可进行管幕钢管的施工。为确保燃气管线和地层不会产生较大隆起，管幕钢管采用液压缓慢顶进的方式进行。将扩孔钻头再次推进至2#竖井内，连接1个万向头和自制的拉鼻子，再连接管幕钢管（见图7）。采用GP40钻机前拉、GM800钻机后顶，确保管幕沿预定轨迹前行。

图7 分动器、拉鼻子和管幕钢管

3.4 导向、纠偏控制

引孔导向精度的控制是决定管幕施工成败的关键因素。为实时得到引孔钻头的位置和方向，在引孔钻头部位安装无线导向信号棒，根据钻进过程中钻头的位置、方向与设计轨迹的差异，利用能进行调节方向的楔形板钻头改变钻进方向，实现导向纠偏和控制。其原理为：通过无线导向仪实时捕捉钻头部位的仰俯角度和楔形板的朝向；当钻头处角度低于设计轨迹角度，则将楔形板旋转至正上方，通过土层的反作用力产生向上前进的趋势，钻进角度逐渐上升，达到往上纠偏的效果；角度达到设计规定后再继续旋转前进。同理，上、下、左、右各个方向均可以进行纠偏。钻进过程中，钻机操作人员通过无线导向仪上的倾角值对钻头倾角进行控制，倾角偏差控制在±0.3%以内，测试频率为每米或每节钻杆1次。

为保证引孔精度，地面上由全站仪将拟施做的管幕每隔5m一个点放样并挂线，同时测出地面高程，计算出每处的地面高程和管幕中心的高差，用以辅助校验无线导向。

3.5 配管、打设顺序及管幕钢管连接

（1）配管。各孔位以3m节的钢管为主要施工管，前端钻头配1m、1.5m和2m节不同长度管将相邻孔位的管接缝错开，最后1节管根据设计长度要求配，如此则可满足每个断面管口接缝小于整体管幕的50%。

（2）打设顺序。超前管幕由中间高孔位开始向两侧低孔位逐个进行打设施工。

（3）管幕钢管连接。采用坡口焊接，并用小片的6mm厚钢板在接头处焊接加固，锁口位置要定位准确，如图8所示。

图8 管连接

3.6 注浆

（1）安装好管幕且验收合格后，即对管内和管外进行注浆。浆液由ZJ-400高速制浆机拌制。

（2）注浆材料：注浆材料为M5水泥砂浆和1∶1水泥浆。

（3）注浆主要对管内及管外环状间隙进行充填，封孔注水泥砂浆从孔口开始，浆液通过管幕，充填钢管；管外采用1∶1水泥浆从管头钢管外环状间隙处安装注浆管，管内空气则通过设置在孔口密封装置上的排气孔排除，当排气孔流出浆液后，关闭排气孔，继续灌注浆，使浆液充满钢管及周围空隙。注浆压力控制在0.3～1.0MPa，根据单孔孔内情况灵活控制泵压。当排气孔流出浆液后，关闭排气孔，续灌注浆，孔内压力保持在0.2～0.5MPa范围内，稳定3～5min后停止注浆；第1次注浆结束后，停留6～7h进行2次补浆，2次补浆压力控制在0.5～0.8MPa。注浆要有保压措施，环状间隙保压靠单向阀与关闭回水阀门及孔口密封；幕管内保压靠单向阀与孔口密封装置。

注浆量应满足设计要求，若注浆量超限，未达到压力要求，应调整水泥浆液浓度继续注浆，确保钻孔周围土体与钢管周围孔隙充填饱满。

4 监控量测

超前管幕施工过程中，主要对地表沉降以及管线变形进行监测。地表沉降观测点每条燃气管线左右侧附近布设18个，管道正上方布设2个，共3个断面。使用水准仪进行观测，参照二等水准测量规范要求建立水准测量监测网，监测频率和预警值见表1和表2。

表1 监测频率

表2 监测数据控制值

实际施工过程中，采用双控指标，即实测绝对值和速率值。设F=实测值/控制标准值，同时满足沉降速率小于3mm/d。（1）当F＜0.6时：安全，正常施工；（2）当0.6≤F＜0.8时：预警，分析原因，加强监测，通知施工单位准备补救措施；（3）当0.8≤F＜1.5时：警戒，停止施工，采取补救措施，避免沉降值进一步增加。监测频率加密为4次/d，并立即向建设单位、产权单位、设计单位、监理单位汇报情况；（4）当F≥1.5时，应马上通知权属单位进场抢险，现场全面防火防爆。

对已完成管幕区域内的燃气管线监测的累计最大沉降量为3mm＜20mm（要求值），燃气管线每延米差异最大沉降值为0.5mm/m＜3mm/m（要求值），超前管幕施工时的燃气管线沉降满足控制要求。

5 施工注意事项

结合高丽营隧道施工实践情况，“无线导向、前拉后顶挤扩孔拉管法”管幕施工还应注意以下事宜：

（1）管幕钻进前对钻机定位、方位、倾角以及导向仪显示情况进行全面复检，确认正常后进行施钻。钻进时产生坍孔、卡钻时，需补探明情况后再钻进。

（2）钻机开钻时，应低速低压，待成孔10m后可根据地质逐渐调整钻速及风压。钻进过程中用导向装置实时对钻进轨迹进行追踪、纠偏，并根据钻进的状态判断成孔质量，及时处理钻进过程中出现的事故。

（3）钻进过程中确保动力器、扶正器、合金钻头按同心圆钻进。认真作好钻进过程的原始记录，及时对孔口渣土进行地质判断、描述，作为洞身开挖时的地质预测预报参考资料，从而指导洞身开挖。

（4）不得采用水循环大扩孔方法，防止引起地层扰动导致地面沉降。为减少管幕施工的累计误差，采用多基准管顺序施工。为了减少管道与周边土体的摩擦力，可以在钢管四周打上蜡。

（5）水平钻进中受钻具自重影响，钻具前部产生下垂现象：钻具顺时针旋转，产生右旋力，造成钻孔偏斜。因此确定开孔角度时，根据经验和试验孔成果，需要给开孔方位角与垂直角以合理的纠偏值，并根据已成孔测斜结果随时予以调整纠偏角度。开孔方位=隧道走向+钻孔放射角水平分量+水平纠偏角；开孔仰角=钻孔放射角垂直分量+钻进纠偏垂直角。

（6）对软硬不均地层，钻进时宜采取低压、慢转、快速给进的钻进方法，遇有情况慎重处理，不得盲目加压，增转速。对软一流塑状态的地层，钻进时应采用低泵压、慢转速、快给进的钻进方法。

（7）回拖孔孔径不宜过大，宜为回托钢管管径的1.0～1.5倍。现场根据地层情况可采用边回拖扩孔边拖钢管或一次性回扩孔后回拖钢管，这样能较好的减少地层沉降。

（8）孔内和孔外注浆要及时跟进，早注浆早控制沉降。引扩孔时泥浆液的性能要根据地层情况适时调整，确保达到泥浆护壁效果。

6 特殊问题处理措施

“水平定向钻进、前拉后顶挤扩孔拉管法”施工超前管幕关键在于引孔成孔的精度，以及引孔的轨迹和设计轨迹的偏差。因而，引孔钻进纠偏需要小幅度调整、实时调整，让引孔轨迹尽量平滑、顺畅，保证后续施工的拉管管幕在顶进过程中不会脱扣。引孔钻进过程中，检查钻机钻杆倾斜情况以及泥浆性能，督促换浆。如遇以下情况，应及时采取控制措施：

（1）在钻进中若遇饱和水土层，有可能出现钻孔纠偏效果不理想，引孔轨迹成蛇形，对后续扩孔和拉管会产生不利影响，应采取如下措施：①遇到钻孔纠偏不理想的情况，如经分析可能是循环泥浆积存土层中软化了土体导致纠偏效果不理想，可以直接将楔形板钻头调整到需要纠偏的反方向，钻头不转动，直接顶进100～200cm，再进行旋转顶进，查看纠偏效果；若还是效果不大，可以加大直接顶进的长度，直到钻孔纠偏过来；反之，则可以减少直接顶进的长度。②对孔外土体进行注水泥浆加固，固结前方软弱土体，在水泥浆初凝后终凝前钻进通过该处土体，注浆量不宜过大，否则会影响后续挤扩孔的施工。

采取以上措施后，如无异常，可继续钻进施工，并时刻观察异样现象。若采取以上措施还无法进行正常钻进时，可采取混合浆液置换充填措施，并及时制定处理方案。

（2）超前管幕段地表和地层上方土体中有较多干扰物，干扰无线探棒信号的接收，无法正确指导钻进纠偏的施工，应采取以下处理措施：①排除地表干扰物；②对于燃气管线可以将无线接收器在管道前后方来回多次测试，综合考虑偏差值，以控制钻孔的偏差；③如遇信号干扰严重，无线探棒无法正常工作时，可以采用有线探棒进行辅助纠偏。

（3）钻进施工中，如遇不可钻异（硬）物，需慎重对待，并采取以下处理措施：①钻进中确认遇异物立即停止钻进，不准抱着钻钻看的态度蛮钻，及时向有关方汇报；②首先校正钻孔角度，排除上仰超限的可能性；③确定异物空间位置，调查异物类型与来源，探寻可继续钻进的钻进工艺变更方案；④为保证管幕打设质量，严格岗位责任制和逐级汇报制度，科学施工，杜绝蛮干。

7 结束语

高丽营隧道2#竖井施工完成13根81m长Φ299×12mm的管幕，单根管幕打设有效长度误差均≤100mm，管幕打设偏斜误差≤100mm，满足设计要求，为后续暗洞开挖提供了有力的安全保证。实践表明，“无线导向、前拉后顶挤扩孔拉管”超长管幕施工法成功克服了螺旋出土顶进法施工超前管幕时产生旋转力量将管幕钢管带偏的难题，同时也具有很好的地层变形控制能力，非常适合车站等一些特大断面隧道、重要下穿工程或超浅覆盖、对地面沉降要求较高而水文地质情况特别复杂的地下空间的超前支护。

经实践，该施工技术优缺点有：（1）能够较好的控制超前管幕的顶进方向，确保超前管幕锁扣连接质量及成型效果；（2）采用前拉后顶方法，解决了回拉过程中因单端动力负荷过大而易引起抱钻的风险；（3）无线导向仪能够实时进行纠偏，纠偏效果比较直观，易于操作；（4）地面沉降量相比较螺旋出土顶进法施工较大；（5）干扰源较多时，无线导向仪器易无法正确导向；（6）该方法工序较多，施工周期较长，成本投入较大。