导向跟管钻进法在隧道中连续进行大管棚施工的方法

导向跟管钻进法在隧道中连续进行大管棚施工的方法

一、 前言

隧道洞口位置的选择因受限于公路、铁路的类型、环保情况及城市发展等条件，使得洞口的位置、高度及覆盖地层厚度等均处于非理想情况。但因地层、地质变化多端，隧道在开挖过程中总会遇到断层或软弱、破碎地层，常常引起工程问题。因此隧道工程界试图发展一套能确实解决上述问题的工法。经查目前国外以新奥法、国内近年较常采用的矿山法施工的隧道广泛使用超前支护大管棚工法，作为隧道洞口浅覆盖段及隧道内遭遇各种软弱地层的主要辅助工法。近年来TMD法的使用越来越广泛，即使如此，大管棚也常常应用于盾构机入口处及一些较严重的破碎带做为超前支护方法。目前国内外广泛采用的大管棚法均一次性施作较短距离，常常需在隧道内预先设置管棚工作室，影响工效和经济。为解决上述问题，我公司近期经过探索、实验，设计出“导向跟管钻进法”进行长管棚施工，一次性打设超过120米的管棚。在此基础上，研究了在隧道中如何高效进行大管棚的施工方法。

二、 导向跟管钻进导向原理

导向跟管钻进是由水平定向钻进发展而来的。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，利用能进行调节方向的钻头（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各种管线的

铺设。钻头示意图如下：

图 一

如图一所示：钻头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)。打设角度如果偏下，可以把钻头调到12点，即导向板朝下，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。同理在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，钻机匀速旋转钻进，此时钻杆轨迹一般是平直的。所以导向钻头是上下纠偏的关键。

三、 超前大管棚工法简介

超前大管棚工法就是为了保证隧道开挖的安全，利用隧道管棚机在隧道拱顶区域钻设水平孔，埋设超前支护钢管，并进行注浆固结土层，使隧道拱顶预先形成一伞状保护环的大管棚。此结构的抗弯、抗剪功能可有效承载局部松驰的地层荷重，适时提供隧道开挖后，而支护尚未施作或发挥作用前这一空档所需的支撑力，使隧道开挖面得以稳定安全并同之后的支护和结构等形成一 图二

系统，达到三度空间支撑功能（如图二）。可减少隧道开挖引起的地面沉降。由于导向跟管钻进能根据需要调节钢管的打设方向，可控制钢管按设计要求埋设。一般情况根据管棚钻机类型、钢管类型及地层情况设计初始外扩角及钢管打设过程中钻头角度的变化，使钢管开始较快上升，然后渐趋水平，一般初始外扩角可为5%左右为宜，钻进约10米时，

应将钢管调至水平。图三为施工实况及开挖面实况。

图 三

四、施工组织

(一)劳动力计划

工种电工电焊工钻机操作手杂工

人数12420

(二)机械计划

名称型号数量

水平钻机HGT-1002台

定向钻进导向仪DITRACK

SE-1型水平导向仪2套

工作平台（架）H-3型可移动升降式工作平台2

泥浆泵（含注浆）BW-250型2

搅拌箱立式离心泵循环搅拌1

五、施工方案

(一)方案构设

我公司拟采取由一端贯通打设管棚，（即：一端通长打设，我公司已有诸多工程实践并积累丰富的经验），其优点如下：

1. 管棚打设的设备及泥浆循环系统只建立一次，可以节省工时；

2. 超长打设的管棚，整体性能好，由于不搭接，可比避免中部向上“高挑”的缺陷；

3. 超前大管棚采用Φ108热轧无缝钢管，壁厚8mm，间距400mm，设于拱部，沿开挖轮廓外布置，管口中心外放至距开挖轮廓线400mm，外插角均为0.1°，管内灌注水泥浆；长管棚从明挖一端的基坑打设，一次采取9m超长水平定向钻机，控制长度每节9m；

4. 根据工程设计，质量标准结合施工场区地面条件、工程地质和水文地质条件，我部拟采用“有线仪器定向，一次性跟管钻进法”，即成孔和埋设管棚一次性完成。

(二)施工方法

根据本工程的工程地质、水文地质条件、施工场区环境等具体情况，为防止钻进中地下水及泥沙涌出，确保管棚打设工程质量，确定施工分两步进行：

1．开孔---用专用开孔钻机开出长约300mm---1000mm的φ150孔

位，然后预埋φ150的孔口管；

2．成形---用φ108×8mm钢管做钻具，前端装有导向探头的导向专用钻头，采用泥浆护壁，利用有线导向仪监控，随钻进加尺（方位、角度发生变化时，随时进行修正），将棚管依次打入。同时将钢管接口焊接严密，直至达到设计长度。

(三)工艺流程

三通一平→人员设备进场→铺设\"H\"钢轨道→设备组装调试→埋设孔口管→调试钻机（方位、倾角）→钻具组装进孔→冲洗液循环→导向钻进→回次加尺（接线、接口补焊）→孔斜测量→导向钻进→直至设计深度终孔→回取探头盒→管内及环状间隙注浆→移至下一孔位。

（四）设备组装与钻机设备安装

1.设备组装前的准备工作

（1） 设备检查――检查是否有缺件及好坏程度；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、液压油泄漏状况；

（2） 检查所有焊接部位是否有开焊，有则补焊；

（3） 各种部件是否有变形，有则进行校正。

2.钻机设备安装

（1） 钢垫板规格=长×宽=250×250mm；胀管螺栓直径=φ16mm；钢垫板与基础固定要牢，强度要高；

（2） H型钢轨找平误差<3mm；

（3） 底盘对角线找方误差±3mm；

（4） 斜拉筋需绷紧，交*拉力基本相等；

（5） 四柱对角误差±5mm；

（6） 升降系统：卡瓦等上紧，加强整体性；

（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.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，并且计算回归角度；

（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

位和倾角是否增加纠偏角，并以书面形式通知机台；

（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。

4．钻具组装

（1） 钻头楔掌板旋转直径φ为116mm，楔型面与钻具（钻杆）交角≤20；

（2） 水眼直径为8-10mm；

（3） 钻具前部的导向钻头，探头必须经检验，保证质量合格，性能可靠，安装齐全；

（4） 探头盒后部加装灯光以备随时测斜之用。

5．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具体地层情况确定。泥浆需经充分搅拌，均匀配制而成。配制时，必须严格执行配比；

（2） 冲冼液必须先配制好后使用，严禁使用中同时加清水、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→孔口回水阀门→高吊管→回浆管（沟）。钻进过程中必须保持上述各流通环节的畅通；

（4） 在施工过程中，应根据不同的地层，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沙外排。此工程中，一般宜采取中低压、中小水量。

6．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，泥浆泵压应控制在0.6-1.0MPa，泵量为10-30L/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，必要时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，角度偏差大于0.3°时，应及时纠偏。当纠偏无效、偏差大于0.6°时，应停止钻进，及时报告项目经理，研究对策后再施工。现场须及时进行导向数据记录和钻具前端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液变化情况，及时上报有关负责人；

（8） 导向钻进至20及40米时，应分别进行一次测斜。发现超限，及时补救。

7．回次加尺、接线、焊接

（1） 每根管在下坑前必须进行质量检查。管材不得有弯曲，丝扣四周壁厚均匀，丝扣完好合格。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，以免损伤管扣；

（2） 钻进中，每次加尺后，须先钻进后起出进行棚管丝扣接缝焊接（即先钻后焊），以免钻进时的扭力造成开焊。要求每个接缝焊接进行自检，保证焊接质量；

（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。接头处要用两层热缩套管套好，用热吹风机吹烤贴牢；

（4） 回次加尺、接线、接管以及焊接过程中，均注意不得将异物遗留或掉入打设管内。

8．探头盒回取及终孔注浆

（1） 用φ8mm的钢丝绳将探头盒取出，取出时应每10米测量一次 孔斜情况；

（2） 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，注浆管头应保持在距管底端500左右位置，待水泥浆初凝后进行二次注浆，注浆压力为0.6-0.8MP。其中，注浆材料：水泥P.O32.5、膨润土，注浆压力：0.4-0.6MP，配比（质量比）：水：水泥：膨润土（1：1：0.2）

（3） 单孔验收合格后，在现场立即办理验收合格签证，再转入下一孔位施工。

9．施工顺序

为探明地层情况，应先施工连拱连接处的管棚，该处管棚施工完毕后待地质情况了解好即施工中拱顶部管棚，由此向两侧施工。

另附：针对本次地铁十号线7标段的特点和要求初步制定了大管棚施工的具体方案，此次地铁隧道情况复杂、工期紧迫，制定如下方案：

1．采用φ81*8mm或φ108*8mm的钢管，间距300-400mm，初始外扩角5%-6%，钻至4米开始往水平方向调节钢管打设角度，至10米左右趋于水平。

2. 尽量长距离施作，避免做管棚工作室。在同一种隧道断面类型情况下，尽量一次完成超前长管棚的打设，最多可一次施作超过60米。

3. 当隧道断面由大变小时，可在断面变化处水平打设管棚；当隧道断面由小变大时，需采用加密小导管注浆向前挖进约10米左右，然后再打设管棚。

4. 无管棚施工工作室时特殊情况的处理措施：

在大管棚施工过程中，由于某些原因而使大管棚一次性钻孔深度无法达到设计要求，且现场空间等条件无法满足新开管棚工作室。

解决思路：

从我公司多年积累的丰富经验理论出发，制定出较完善的处理措施，此方法的原理是：以较小的作业面在搭接部位以一定的弧度作为过度阶段并在与上轮钢管的搭接点相接且向

后延伸，从而达到从一端一致贯通的目的。现根据本工程的特点将开钻处设在距上钢管底端5米处，将此处格栅厚度降至170-200mm处并预留2－3米的工作面。然后以一定的角度钻进，达到一定深度后通过钻头调节角度的方式将角度逐步调平。此方法的优点是以较短的的弯曲路径作为过渡阶段而实现搭接目的，施工方便无须新开管棚工作室，缩短施工周期，减少浪费。

具体步骤：

（1） 钻机就位后，以4º的初始角缓缓钻入；

（2） 深度达到4米后将角度调至2-3º继续钻进并不断调节角度直至10米；

（3） 当深度达到10米后将角度调至水平，此时孔的最下端距开挖线小于400mm满足该工程设计要求；

（4） 水平钻深到设计要求后将钻管缓缓拔出3米，随后通过钻管向其以0.8-1Mp的压力注入水泥混合浆；

（5） 封死外露管端的端头后将管缓缓顶入3米（此作法的目的在于使钢管保持在初支以上）；

2-3米

格栅

4米

10米

（6） 工作面要距上一轮钢管端头5米处为起点；

（7） 工作面格栅厚度必须保证小于200mm，长度2－3米；

（8） 工作面格栅可采用250mm槽钢或用高度小于200mm的普通格栅。