淺議超長大管棚施工技術在黃土隧道中的應用

宋連東

（西安渭北航空工業組團保障房開發有限公司 陜西西安 710000）

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淺議超長大管棚施工技術在黃土隧道中的應用

宋連東

（西安渭北航空工業組團保障房開發有限公司 陜西西安 710000）

摘要：超長大管棚已在黃土隧道中廣泛應用，然而精確定位卻一直影響著管棚的施工質量。討論了200 m超長管棚施工的鉆機選型、導向系統、泥漿配制及長管棚注漿等技術，形成了一套超長管棚施工工藝，為今后施工提供借鑒。

關鍵詞：地下工程 200 m超長管棚 施工技術

1　前言

目前用于地鐵暗挖隧道控制地表下沉和加強圍巖的輔助施工技術方法主要有漿液壓注、凍結、垂直錨桿、管棚、水平高壓旋噴加固等。經過近年來的不斷發展與實踐，強度大、支護效果好的管棚支護已成為控制地面下沉和加強隧道圍巖的主要技術手段。目前由于城市地鐵多數為淺埋暗挖，而且隨著地鐵隧道施工要求的不斷提高，管棚支護已由原先的短、小超前支護向長、大超前支護發展，加之城市變遷帶來的土層不確定性因素，這對管棚施工的精度、施工能力及相應設備提出了較高要求，特別是超100 m管棚的高質量、精確施工。為一次實現西安地鐵200 m超長管棚的精確施工，引進非開挖技術中的水平定向鉆技術，在西安地鐵4號線區間存車線進行了200 m超長管棚的施工實踐，討論了

200m超長管棚施工的鉆機選型、導向系統、泥漿配制及長管棚注漿等技術，形成了一套超百米長管棚的施工工藝。

2　工程概況

2.1工程簡介

雁南四路站～大唐芙蓉園站區間主要沿芙蓉西路地下布置，南起右DK8+371.825，北至右DK9+619.325，全長1247.5 m，采用礦山法施工。線路出雁南四路站向北沿芙蓉西路依次穿越f13、f10南、f10北三條地裂縫，到達大唐芙蓉園站。

大唐芙蓉園站南端設置210 m單存車線及36 m存車岔道段，全長設置Φ108*5大管棚。

2.2管棚施工段地質條件

此處地層自上而下依次為：1-2 Q4 素填土、3-1-1 Q3 新黃土、 3-2-2 Q3 古土壤、4-1-3 Q2 老黃土、4-2-2 Q2 古土壤、4-1-2 Q2 老黃土、以下為4-2-2 Q2 古土壤和4-1-2 Q2 老黃土交替成層。隧道位于古土壤和老黃土地層中。地下水位為地表下10 m。

3　施工方案及施工技術要點

3.1工藝原理

非開挖技術是從原始的鉆探技術衍生并逐漸發展起來的一種新興技術，是在不破壞地表的情況下鋪設各種地下管線的技術。我國該技術開發落后于西方發達國家約20年。近幾年，我國非開挖技術取得了長足的進步。非開挖地下管線施工技術目前包括水平定向鉆進技術、氣動夯管錐技術、氣動沖擊技術、微型隧道技術等。水平定向鉆進技術是利用鉆桿的柔性在導向系統的監測下，沿設計線路軌跡鉆進，到達目的地后，卸下鉆頭換上回擴器進行回擴孔拖管。

水平定向鉆進暗埋鋼管形成管棚, 是利用水平定向鉆機鉆進，管棚作為鉆桿，采用有線導向、水循環跟管鉆進方法一次將鋼管打進200m。有線導向水循環跟管鉆進法就是管棚鋼管最前端安裝一帶有有線導向儀的楔形鉆頭，鉆頭后面緊跟管棚鋼管，在鉆進過程中采用水作為循環液排渣，鉆進前先將循環液送至鉆頭前端后開始鉆進，鉆進過程中隨時利用有線導向儀進行跟蹤測斜，發現管棚鋼管偏離設計軌跡時進行糾偏，直到將管棚鋼管打設到設計長度進行封孔注漿。

3.2施工方案

根據大唐芙蓉園站南端設置210 m單存車線及36m存車岔道段的工程特點及車站主體上方土質及管線情況，綜合考慮暗挖車站的施工安全、質量、工期、成本、精度以及管線的沉降控制等因素，決定采用一次跟管鉆進、非開挖鋪管技術，配置帶有導向裝置的定向水平鉆機進行施作。在差異性土層中的管棚鉆井，考慮到精度、成本及進度，鉆頭種類的選擇尤為重要，具體如下：

（1）在鉆頭上加焊楔形板，對鉆黏土層及鉆井過程的糾偏能夠起到良好作用。

（2）在硬塑性土層中，把鉆頭的楔形板制作成鋸齒形，既能夠進行過程糾偏同時能夠提高鉆進速度。

（3）在堅硬物體存在的土層中，在鉆頭的鋸齒上面加焊合金鋼釘，對此地層的鉆進速度及質量均有保障。

根據施工圖紙，存車線設置的12米的管棚工作室屬于存車線斷面，所以管棚實際打設長度為198 m （210 m～12 m）。根據管棚工作室的各導洞施工順序（雙側壁導坑法），將管棚施工分為三個區域，施工順序為：1號導洞→3號導洞→5號導洞。各區域管棚施工順序受鉆機臺架高度限制，每4個分為一組，并采用隔一打一的順序：2→4→1→3，6→8→5→7……。區間2#現場水、電可以滿足施工要求。根據設計圖紙要求，管棚工作室1號洞已施工到位，可以打設大管棚，3號、5號洞依次施工。

3.3超長管棚鉆進設備

根據該地段地質情況，現場Φ108管棚打設采用水切割鉆進方法，為確保管棚打設精度，采用有線導向儀控制鉆桿（管棚管）水平精度，用楔掌斜板導向鉆頭調整管棚管進行打設。為保證安全、準確、高效進行施工，探棒安裝在導向鉆頭后部200 mm處。

導向儀系統包括接收儀、遙顯儀及探棒。遙顯儀和探棒為有線連接。水平定向鉆進方法是非開挖管線施工的一種方法。該方法要求在鉆進過程中能準確測定鉆頭在地下的位置和方向。根據鉆頭在鉆進過程中的位置和方向同設計軌跡的差異，利用隨時可調節方向的鉆頭（一般為楔型鉆頭）改變鉆頭的鉆進方向，從而按設計要求完成管線的鋪設。

探棒內裝有特制的傳感器，傳感器直接由15V直流供電。顯示屏顯示鉆頭的傾角（水平角度）、面向角（導向板的方向：導向板朝上即為12點，如同鐘面）。有線探頭可以發射無線電頻率信號給地面上的接收儀，在地表用手持式接收儀接收信號，可以顯示鉆頭左右偏差。

打設角度如果偏下，可以把鉆頭調整到12點，即導向板朝上，直接頂進，此時由于導向板底板斜面面積大。受到一個向上的力，鉆頭軌跡就會朝上運動。同時在6點糾偏可以使鉆頭軌跡朝下，9點、3點分別是為左、右糾偏方向。如果角度合適，鉆機會勻速旋轉鉆進，此時鉆桿軌跡一般是平直的。終孔偏差可以控制在5 ‰以內。

3.4施工工藝流程

現場準備人員→設備進場→測量放線→鋪設軌道→設備組裝調試→調試鉆機（方位、傾角）→鉆具組裝進孔→沖洗液循環→導向鉆進→管棚加尺（接線、接口補焊）→孔斜測量→導向鉆進→直至設計深度終孔→回取探頭→管內及環狀間隙注漿→移至下一孔位。

3.4.1設備組裝前的準備工作

（1）施工現場必須保證水通、電通、路通，水電距施工現場不超過30M。設置泥漿收集線路及泥漿箱。

（2）設備檢查。檢查中有否缺件及好壞程度：電機、鉆機、泵等測試，運轉是否正常，所有部件是否完好；液壓系統是否通暢，密封完好度，液壓油泄露狀況。

（3）檢查所有焊接部位是否有開焊，有則補焊。

（4）各種部件是否有變形，有則進行校正。

3.4.2測量放線（包括：方位線、水平點、孔位點）

3.4.3鉆機設備安裝

（1）鋼墊板規格=長×寬=250×250 mm；漲管螺栓直徑=Φ16 mm；鋼墊板與基礎固定要牢，強度要高；

（2）H型鋼軌找平誤差∠3 mm；

（3）底盤對角線找平誤差±∠3 mm；

（4）斜拉需繃緊，交叉拉力基本相等；

（5）四柱對角誤差±5 mm；

（6）升降系統：螺絲擰緊，發現溢扣者必須換掉；

（7）所有螺母必須擰緊，發現溢扣者必須換掉；

（8）絲杠、頂杠要頂緊、有效，安裝要牢固，確保不因震動而松動或脫落。

3.4.4調試鉆機（方位、傾角）

（1）鉆機入孔的方位角及傾角，必須在測量隊提供的可靠的測量數據上進行；

（2）孔位確需移動時，須設計與監理同意；

（3）根據試驗檢驗導向鉆頭的糾偏能力，在施工經驗積累的基礎上，確定開孔方位和傾角是否增回糾偏角；

（4）計算傾角時應將隧道坡度考慮在內，鋼管打設時原則上不允許向內偏斜。

3.4.5鉆具組裝

（1）鉆頭楔掌板旋轉直徑Φ≤115，楔型面與鉆具（鉆桿）交角≤20℃；

（2）水眼直徑為8-10 mm；

（3）鉆具前部導向鉆頭，探棒必須經檢驗，保證質量合格，性能可靠，安裝齊全；

3.4.6沖洗液流通系統

（1）沖洗液具體配比由專業泥漿工程師根據本地層情況確定。泥漿需經充分攪拌，均勻配制而成。

（2）沖洗液必須先配制后使用，嚴格在使用中同時加清水、加料；

（3）沖洗液流通系統：沖洗液制備→儲漿池→泥漿泵→送水器→鉆具→管外環狀間隙→孔口回水閥口→回漿管（溝）。鉆時過程中必須保持上述各流通環節的暢通。

（4）在施工過程中，應根據不同地層，合理調節泵壓、泵量，以免因沖洗液不足引起通道堵塞或因過大導致過量泥漿外排。此工程中，一般宜取中低壓、中水量。

3.4.7導向鉆進

（1）導向鉆進前應對鉆機定位情況、方位、傾角情況，孔口管對中情況，沖洗液流通以及導向儀顯示情況進行全面復檢，確認正常后進行試鉆；

（2）鉆進前須先開泵，待沖洗液流通正常后，方可鉆進；

（3）鉆進時，泵壓應控制在0.4-0.8 MPa，泵量為20-50 L/min為宜，保持中低壓力，勻速中速鉆進；

（4）為防止水土流失，控制沉降，必要是需采用孔內保壓措施。要始終保持回水量小于或等于進水量；

（5）導向技術人員隨著不斷鉆進，必須時刻觀察探頭角度變化情況，在地面上沿線路中線每5 m定點，在每個點位探測信號，及時糾偏。當糾偏無效時，應停止鉆進，及時報告項目負責人，研究對策后再施工。現場須及時進行導向數據記錄和鉆具有效長度及每次加管長度詳細記錄；

（6）鉆孔出現涌水時，應盡量保持泵壓，泵量不能變小，以平衡孔內壓力；

（7）沖洗液不正常時，嚴禁繼續鉆進。泵工應注意觀察沖洗變化情況，及時上報有關負責人。3.4.8 管棚連接、接線

（1）半成品管在下坑前必須進行檢查。管材不得彎曲。管材內的鐵屑、贓物及銹皮等必須清除干凈。下坑時避免與硬物相碰；

（2）管棚連接：因管棚打設長度長，傳統的絲扣連接套絲深度大于2 mm，造成管棚壁變薄，滿足不了施工扭力要求，所以鋼管采用內加套管電焊連接，為了避免鋼管同步搭接，大管棚前端第一個根可以采用兩種規格，單號第一根打設3M鋼管，雙號第一根打設1.5M鋼管，其它鋼管采用一個規格。

（3）連接的電線應選用導電性能好，外殼絕緣性能好且耐磨的電線。單孔打設驗收合格后，通過管內壓注水泥漿，對管內及管外環狀間隙進行充填；再轉入下一孔位施工。

3.5施工關鍵技術及安全、環保措施

根據項目工期安排及實際情況，計劃每12小時施工一根大管棚，24小時連續施工。現場物資準備見表1所示。勞動力配置見表2所示。超長管棚施工關鍵技術要點如下：

（1）水平定向鉆進時，每打設一根鋼管可以監測1-2次鋼管是否偏斜，如有偏斜立即校正。

（2）大管棚設計呈拱形分布，按照設計圖紙長度制作。棚管規格：采用φ108×5 mm無縫鋼管。鋼管材質要求薄厚均勻。棚管中心距暗挖初支結構外皮輪廓線為35cm左右。進孔外傾角：1～2°。注漿材料：水泥漿。

（3）大管棚打設時必須跳孔打，終孔跟蹤注漿，注漿必須保證管內外環間隙注滿填充實。如果不跳打，接著再打下一個孔。地層軟硬不均，鉆進時鋼管很難控制偏斜，無法保證大管棚質量。在管棚打設時必須按照施工方案進行施作。

（4）大管棚注漿采用水泥漿，水灰比為1︰1，注漿量根據鋼管內和鋼管外的環狀間隙計算多少立方，然后看地層滲漏情況確定每一根鋼管的注漿量。注漿要求管內注漿由管外排出水泥漿，停15～30min進行二次補漿，確保管內外填充質量、注漿必須控制好注漿量、注漿壓力等每一個環節，保證達到設計要求為標準。

4　結論

暗挖區間存車線段200 m超長管棚應用一次性跟管鉆進、非開挖鋪管技術在黃土層中對區間大斷面隧道的預支護，由于鉆頭制作及使用合理，鉆進過程中未出現卡鉆、堵鉆現象。同時，有效控制了地下施工對地面引起的沉降，隧道開挖完成后地表最大累計沉降量在80 mm 以內；地下管線最大累計沉降量控制在40 mm 以內。通過導向糾偏，管棚的偏差（豎向偏差和水平偏差）控制均在2 ‰以內，端頭誤差控制均在20 cm 以內，長度偏差均在15cm 以內。隧道開挖過程中未出現大量的土體掉塊現象，有效防治了地鐵暗挖隧道施工時上方土體坍塌情況的發生，為本地鐵隧道施工打下了堅實的質量、安全基礎。實踐表明，采用200 m的超長管棚一次施工的方案具有明顯的技術經濟性，不僅能減少工程量、縮短工期，還可以取得明顯的經濟和社會效益，從而為后續施工創造有利條件，并保證工程順利實施。

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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

文獻標識碼：中國分類號：U231+3A

文章編號：1673-1816（2016）01-0056-05

收稿日期：2015-11-14

作者簡介：宋連東（1981-），男，漢，工程師，研究方向土木工程。