定向鉆進技術在矩形通道頂拉施工中的應用

陳喜栓 張志勇

【摘 要】本文結合工程實例，介紹了在矩形通道頂拉結合施工過程中，定向鉆進技術鋪設鋼拉索的技術要求，精度要求，及施工過程控制點，為該技術的進一步推廣應用提供了經驗。

【關鍵詞】定向鉆進技術；矩形頂管；頂拉施工；鋼拉索

Application of directional drilling technology in process of rectangular channel pushing and pulling

Chen Xi-shuan1，Zhang Zhi-yong2

（1.Jiangsu Yangtze River mechanization foundation engineering company Changzhou Jiangsu 213003；

2.Shanghai Guanglian Construction Development Co.，Ltd Shanghai 200438）

【Abstract】This papers introduce technical requirements， precision requirements and control points of laying of steel cables during directional drilling construction with an actual project，and provide experience for further application of this technology.

【Key words】Directional drilling technology；Rectangular channel；Pushing and pulling construction；Steel cables

1. 前言

（1）定向鉆技術的基本原理[1 ]是采用定向鉆機，在預先挖好的發射坑和接受坑之間進行；也可在安裝鉆孔機的地面，以小角度直接從地表鉆進，從另一端地表鉆出。安裝在鉆頭上導向儀發射器發出的導航信號，被地面的接受器接受識別。由鉆機操作人員控制、監測鉆孔的方位、深度和其他參數。鉆頭的直徑較小，定向鉆孔完成后，可根據鋪管直徑擴孔，最后將管道回拖至鉆機一端。

（2）目前，在天然氣、自來水、電力和電信部門定向鉆技術已是一種普通的施工工藝，由于定向鉆技術的工藝特點，其不僅在以上領域中應用，而且更多地應用于其他領域中，如管道修復[2 ]，箱涵牽引鋼拉索鋪設[3 ]等領域。本文介紹定向鉆進技術在矩形通道頂拉結合施工工藝中的應用，共同行共饗。

2. 工程概況

（1）上海軌道交通2號線東延伸段工程張江高科站一號出入口地下通道內部凈空尺寸3.00m（高）×5.00m（寬），長約23.00m，頂部覆土深度約7.20m。自北向南通道分別穿越22萬伏電力管廊、18孔電信排管、500上水管、300煤氣管、2400雨水管等市政管線。始發井位于一號出入口北側，圍護型式為SMW工法，緊靠中國科學院上海藥物研究所危險品倉庫及籃球場，受既有建筑物及22萬伏電力管廊相關保護要求的限制，始發井沿地下過街通道軸線方向凈空尺寸僅6.0m，與軸線垂直方向凈空尺寸為9.5m。接收井位于一號出入口南側，圍護型式為鉆孔灌注樁，沿地下過街通道軸線方向凈空尺寸僅2.0m，與軸線垂直方向凈空尺寸為7.4m。一號出入口平面位置見圖1。

（2）考慮到工作井尺寸及上覆市政管線變形要求，經業主、設計、總包方研究決定采用"矩形通道頂拉結合施工技術"施工。

圖1 張江高科站一號出入口平面位置圖

（3）"矩形通道頂拉結合施工技術"是針對復雜環境下開發的一種新工藝方法。是近年來開發的一種新的施工技術，具有可在工作面積狹小的環境條件下施工、施工對環境影響較小、導向精度高等優點，其工藝是現代頂管施工技術的一種創新和補充，是非開挖地下箱涵施工的一種新的技術手段。所用的裝置主要包括出發井、千斤頂組、刀頭土壓平衡拉管掘進機頭、提供反力的錨固裝置、標準管涵管節以及與千斤頂組相對應的鋼棒組及鋼棒自鎖裝置，其中鋼棒組貫通連接于錨固裝置與穿心千斤頂組之間，穿心千斤頂組連接在機頭上，機頭后連接標準管涵管節，鋼棒組中的每根鋼棒上有一端采用穿心千斤頂及所附帶鋼索自鎖裝置以提供動力及限位。如圖2所示。

圖2 矩形通道頂拉結合施工技術示意圖

（4）通道結構采用預制矩形鋼筋混凝土管節，管節混凝土強度為C50，抗滲等級為S8，外形尺寸為6.0m×4.0m，管壁厚為0.5m，單節長度為1.5m，單節重約35t。

3. 工程地質條件

（1）本工程施工場地平坦，屬濱海平原地貌類型，場地地面標高3.74～4.03m，矩形通道頂標高-3.315，底標高-7.315。各土層主要物理力學指標見表1。

（2）從地質資料來看，矩形通道主要穿越第③淤泥質粉質粘土層、第④淤泥質粘土層。該兩層土具流變觸變性，擾動后強度迅速降低；同時，矩形通道上方存在著③T灰色粘質粉土，該層土極易產生坍塌、流砂、涌水等不良現象，對于拉索鋪設過程中導向孔施工不利。

4. 鋼拉索設計及精度要求

（1）對于"矩形通道頂拉結合技術"來說，其中的鋼拉索承擔著兩個方面的功能：一是掘進機頭前進過程中的導向作用，二是加接管節時的止退作用。掘進機頭前方迎面阻力根據以下公式計算：NF =abγsHs=4*6*18*7.2=311T。

（2）根據本工程的通道截面形狀與施工時掘進機頭的受力狀態，本工程鋼拉索總設計數量為4根40mm的高強度螺紋鋼棒，考慮到接收井尺寸要求，鋼棒在廠家預先切割成1.5m/根，鋼棒之間通過螺紋套筒連接，主要分布在掘進機頭的頂部與底部，單根鋼棒的允許施工拉力值限定為120T，4根鋼拉索可承受480T的拉力，大于掘進機頭迎面阻力，滿足止退要求。

（3）設計對通道軸線偏差控制要求：高程+80mm，-100mm；水平：+100mm。而通道軸線偏差控制要求主要通過鋼拉索拉進來控制，因此，鋼拉索的鋪設精度必須控制在50mm以內。

5. 鋼拉索定向鉆鋪設施工

5.1 始發井、接收井圍護施工要求。

鋼拉索在本工程中起到控制掘進機頭方向的作用，因此，鋼拉索的定位要求較高，在始發井、接收井施工前應盡量將鋼拉索位置留出，防止其遇到樁或型鋼等障礙物。具體要求如下：

5.1.1 在前期始發井SMW工法樁圍護結構施工過程中，必須按拉索孔定位要求錯開型鋼的插入位置與型鋼插入時的垂直度，以利于定向鉆穿越時有足夠空間進行鉆孔與定位。型鋼插入時垂直度須控制在5‰以內。

5.1.2 在接收井圍護灌注樁施工時，盡量將圍護灌注樁間間隙放在拉索位置，以減少后期鋼拉索導向孔施工時灌注樁鑿除量。

5.2 施工設備的配備。

（1）拉索鋪設時水平定向鉆選擇主要考慮兩個方面因素，一是拉索是在始發井內施工，而始發井在軸線方向上僅有6m長度，故拉索施工設備的選擇應滿足始發井的尺寸要求，二是拉索鋪設精度必須控制在5cm以內。

（2）目前，水平定向鉆進技術中鋪設精度的實現是通過有線或無線電磁技術進行控制，本工程鋼拉索施工時覆土厚度達到7.2m，常規的無線或有線導向難以滿足本工程中鋼索鋪設的精度要求。為此，重新開發研制了HD200TL型高精度導向鉆機。實現了拉索鋪設精度在5cm以內，為后續對矩形掘進機的方向精確控制奠定了基礎。HD200TL型高精度導向鉆機主要技術參數見表2。

（3）本鉆機的特點在于：光源固定在導向鉆頭內，導向鉆頭中心安裝有"十"字光靶，鉆進過程中利用水平定向鉆機后方的激光經緯儀監測鉆頭內"十"字光靶靶心，判斷鉆進方向，通過鉆頭"鴨嘴"板進行糾偏，將定向鉆進精度控制在50mm內。

5.3 施工方法與技術措施。

5.3.1 主要技術措施。

5.3.1.1 導向孔定位測量和地面控制測量。

（1）在始發井與接收井之間，按每根拉索相對應的水平位置利用全站儀測放出拉索的水平投影線，本工程總共設計4根拉索，在水平投影面上反映為2根。

（2）在每根投影線的上方按照間距的要求在地面利用全站儀測放出地面的導向監控點，根據地面監控點的水平坐標及高程推算出各點拉索鋪設的深度以及方位角，以利于導向孔鉆進過程中導向深度與方位的控制。

（3）將各拉索的水平投影線延伸至兩端工作坑內，并在擬穿越土體段的臨空面上測放出拉索孔的具體位置。在定向鉆機停放一側將拉索孔的水平投影線測放至鉆機的尾部，以利于鉆機對中時作參考。

5.3.1.2 鉆孔灌注樁開洞施工。

由于本次水平定向施工鉆機位于始發井內部，而拉索在接收井內與鉆桿連接，因此應對接收井圍護灌注樁進行開洞，圍護開洞直徑約300mm。

5.3.1.3 鉆機就位。

鉆機就位是鋼拉索導向孔施工前的

一個重要環節。就位時掌握三點：一是使鉆機的鉆進中心線（大梁中心線）與拉索軸線重合；二是使鉆機的鉆頭與拉索孔位重合；三是使鉆機保持水平（入土角為0），上述三點要求在導向孔施工前同時達到。

5.3.1.4 導向孔施工。

導向孔成孔導向時須勤測勤糾，確保導向孔軌跡相對于拉索的鋪設軌跡的偏差控制在5cm以內。

考慮拉索回拉時，因重力產生下沉，導向孔的豎向偏差宜控制為正偏差。

5.3.1.5 拉索回拖。

導向孔施工完成以后，立即進行鋼拉索回拖施工，鋼拉索回拖時，將回擴器與分動器連接，通過拉索引錨將分動器與鋼拉索連接在一起。拉索連接好后，應盡快將拉索拉進孔內，由于本次施工采用拉索是分段制作，通過連接接頭進行連接而成，故在回拖過程中將拉索絲扣與接頭部位用黃油涂滿，并用膠布纏牢，防止泥砂進入接頭內部而影響后續施工。

在回拉過程中處理拉索進入導向孔處洞口土體，在回拉過程中盡可能放慢速率，以便順利進入導向孔內。

6. 結論

矩形頂管拉頂結合施工技術的關鍵是利用鋼拉索的導向性實現高精度、低沉降掘進施工，因此，對鋼拉索的鋪設精度要求非常高，本工程中利用高精度光學導向鉆進技術，成功地將鋼拉索鋪設精度控制在5cm以內，有效地保證了掘進機頭進洞時的精度；施工過程中，鋼拉索的存在為掘進機頭止退提供了良好的保障，未出現掘進機頭后退而導致地面沉降的現象，保證了上覆市政管線的安全，為后續開展通道對拉技術研究積累了寶貴經驗。

參考文獻

[1] 劉建華，黎曉林.定向鉆非開挖技術在城市建設中的應用[J].中國市政工程，2006.12：62～63.

[2] 杜華東.利用非開挖技術修復舊管道[J].化工設備與管道，2007.6：47～48.

[3] 周海松，李淑海.非開挖技術在昆明呈貢昆洛路綜合管溝施工中的應用[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2006.10：32～34.