淺議超長(zhǎng)大管棚施工技術(shù)在黃土隧道中的應(yīng)用

宋連東

（西安渭北航空工業(yè)組團(tuán)保障房開(kāi)發(fā)有限公司 陜西西安 710000）

?

淺議超長(zhǎng)大管棚施工技術(shù)在黃土隧道中的應(yīng)用

宋連東

（西安渭北航空工業(yè)組團(tuán)保障房開(kāi)發(fā)有限公司 陜西西安 710000）

摘要：超長(zhǎng)大管棚已在黃土隧道中廣泛應(yīng)用，然而精確定位卻一直影響著管棚的施工質(zhì)量。討論了200 m超長(zhǎng)管棚施工的鉆機(jī)選型、導(dǎo)向系統(tǒng)、泥漿配制及長(zhǎng)管棚注漿等技術(shù)，形成了一套超長(zhǎng)管棚施工工藝，為今后施工提供借鑒。

關(guān)鍵詞：地下工程 200 m超長(zhǎng)管棚 施工技術(shù)

1　前言

目前用于地鐵暗挖隧道控制地表下沉和加強(qiáng)圍巖的輔助施工技術(shù)方法主要有漿液壓注、凍結(jié)、垂直錨桿、管棚、水平高壓旋噴加固等。經(jīng)過(guò)近年來(lái)的不斷發(fā)展與實(shí)踐，強(qiáng)度大、支護(hù)效果好的管棚支護(hù)已成為控制地面下沉和加強(qiáng)隧道圍巖的主要技術(shù)手段。目前由于城市地鐵多數(shù)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(hù)已由原先的短、小超前支護(hù)向長(zhǎng)、大超前支護(hù)發(fā)展，加之城市變遷帶來(lái)的土層不確定性因素，這對(duì)管棚施工的精度、施工能力及相應(yīng)設(shè)備提出了較高要求，特別是超100 m管棚的高質(zhì)量、精確施工。為一次實(shí)現(xiàn)西安地鐵200 m超長(zhǎng)管棚的精確施工，引進(jìn)非開(kāi)挖技術(shù)中的水平定向鉆技術(shù)，在西安地鐵4號(hào)線區(qū)間存車(chē)線進(jìn)行了200 m超長(zhǎng)管棚的施工實(shí)踐，討論了

200m超長(zhǎng)管棚施工的鉆機(jī)選型、導(dǎo)向系統(tǒng)、泥漿配制及長(zhǎng)管棚注漿等技術(shù)，形成了一套超百米長(zhǎng)管棚的施工工藝。

2　工程概況

2.1工程簡(jiǎn)介

雁南四路站～大唐芙蓉園站區(qū)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(zhǎng)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(dá)大唐芙蓉園站。

大唐芙蓉園站南端設(shè)置210 m單存車(chē)線及36 m存車(chē)岔道段，全長(zhǎng)設(shè)置Φ108*5大管棚。

2.2管棚施工段地質(zhì)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(shù)要點(diǎn)

3.1工藝原理

非開(kāi)挖技術(shù)是從原始的鉆探技術(shù)衍生并逐漸發(fā)展起來(lái)的一種新興技術(shù)，是在不破壞地表的情況下鋪設(shè)各種地下管線的技術(shù)。我國(guó)該技術(shù)開(kāi)發(fā)落后于西方發(fā)達(dá)國(guó)家約20年。近幾年，我國(guó)非開(kāi)挖技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。非開(kāi)挖地下管線施工技術(shù)目前包括水平定向鉆進(jìn)技術(shù)、氣動(dòng)夯管錐技術(shù)、氣動(dòng)沖擊技術(shù)、微型隧道技術(shù)等。水平定向鉆進(jìn)技術(shù)是利用鉆桿的柔性在導(dǎo)向系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)下，沿設(shè)計(jì)線路軌跡鉆進(jìn)，到達(dá)目的地后，卸下鉆頭換上回?cái)U(kuò)器進(jìn)行回?cái)U(kuò)孔拖管。

水平定向鉆進(jìn)暗埋鋼管形成管棚, 是利用水平定向鉆機(jī)鉆進(jìn)，管棚作為鉆桿，采用有線導(dǎo)向、水循環(huán)跟管鉆進(jìn)方法一次將鋼管打進(jìn)200m。有線導(dǎo)向水循環(huán)跟管鉆進(jìn)法就是管棚鋼管最前端安裝一帶有有線導(dǎo)向儀的楔形鉆頭，鉆頭后面緊跟管棚鋼管，在鉆進(jìn)過(guò)程中采用水作為循環(huán)液排渣，鉆進(jìn)前先將循環(huán)液送至鉆頭前端后開(kāi)始鉆進(jìn)，鉆進(jìn)過(guò)程中隨時(shí)利用有線導(dǎo)向儀進(jìn)行跟蹤測(cè)斜，發(fā)現(xiàn)管棚鋼管偏離設(shè)計(jì)軌跡時(shí)進(jìn)行糾偏，直到將管棚鋼管打設(shè)到設(shè)計(jì)長(zhǎng)度進(jìn)行封孔注漿。

3.2施工方案

根據(jù)大唐芙蓉園站南端設(shè)置210 m單存車(chē)線及36m存車(chē)岔道段的工程特點(diǎn)及車(chē)站主體上方土質(zhì)及管線情況，綜合考慮暗挖車(chē)站的施工安全、質(zhì)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(jìn)、非開(kāi)挖鋪管技術(shù)，配置帶有導(dǎo)向裝置的定向水平鉆機(jī)進(jìn)行施作。在差異性土層中的管棚鉆井，考慮到精度、成本及進(jìn)度，鉆頭種類(lèi)的選擇尤為重要，具體如下：

（1）在鉆頭上加焊楔形板，對(duì)鉆黏土層及鉆井過(guò)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(jìn)行過(guò)程糾偏同時(shí)能夠提高鉆進(jìn)速度。

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

根據(jù)施工圖紙，存車(chē)線設(shè)置的12米的管棚工作室屬于存車(chē)線斷面，所以管棚實(shí)際打設(shè)長(zhǎng)度為198 m （210 m～12 m）。根據(jù)管棚工作室的各導(dǎo)洞施工順序（雙側(cè)壁導(dǎo)坑法），將管棚施工分為三個(gè)區(qū)域，施工順序?yàn)椋?號(hào)導(dǎo)洞→3號(hào)導(dǎo)洞→5號(hào)導(dǎo)洞。各區(qū)域管棚施工順序受鉆機(jī)臺(tái)架高度限制，每4個(gè)分為一組，并采用隔一打一的順序：2→4→1→3，6→8→5→7……。區(qū)間2#現(xiàn)場(chǎng)水、電可以滿足施工要求。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求，管棚工作室1號(hào)洞已施工到位，可以打設(shè)大管棚，3號(hào)、5號(hào)洞依次施工。

3.3超長(zhǎng)管棚鉆進(jìn)設(shè)備

根據(jù)該地段地質(zhì)情況，現(xiàn)場(chǎng)Φ108管棚打設(shè)采用水切割鉆進(jìn)方法，為確保管棚打設(shè)精度，采用有線導(dǎo)向儀控制鉆桿（管棚管）水平精度，用楔掌斜板導(dǎo)向鉆頭調(diào)整管棚管進(jìn)行打設(shè)。為保證安全、準(zhǔn)確、高效進(jìn)行施工，探棒安裝在導(dǎo)向鉆頭后部200 mm處。

導(dǎo)向儀系統(tǒng)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(jìn)方法是非開(kāi)挖管線施工的一種方法。該方法要求在鉆進(jìn)過(guò)程中能準(zhǔn)確測(cè)定鉆頭在地下的位置和方向。根據(jù)鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中的位置和方向同設(shè)計(jì)軌跡的差異，利用隨時(shí)可調(diào)節(jié)方向的鉆頭（一般為楔型鉆頭）改變鉆頭的鉆進(jìn)方向，從而按設(shè)計(jì)要求完成管線的鋪設(shè)。

探棒內(nèi)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(dǎo)向板的方向：導(dǎo)向板朝上即為12點(diǎn)，如同鐘面）。有線探頭可以發(fā)射無(wú)線電頻率信號(hào)給地面上的接收儀，在地表用手持式接收儀接收信號(hào)，可以顯示鉆頭左右偏差。

打設(shè)角度如果偏下，可以把鉆頭調(diào)整到12點(diǎn)，即導(dǎo)向板朝上，直接頂進(jìn)，此時(shí)由于導(dǎo)向板底板斜面面積大。受到一個(gè)向上的力，鉆頭軌跡就會(huì)朝上運(yùn)動(dòng)。同時(shí)在6點(diǎn)糾偏可以使鉆頭軌跡朝下，9點(diǎn)、3點(diǎn)分別是為左、右糾偏方向。如果角度合適，鉆機(jī)會(huì)勻速旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，此時(shí)鉆桿軌跡一般是平直的。終孔偏差可以控制在5 ‰以內(nèi)。

3.4施工工藝流程

現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備人員→設(shè)備進(jìn)場(chǎng)→測(cè)量放線→鋪設(shè)軌道→設(shè)備組裝調(diào)試→調(diào)試鉆機(jī)（方位、傾角）→鉆具組裝進(jìn)孔→沖洗液循環(huán)→導(dǎo)向鉆進(jìn)→管棚加尺（接線、接口補(bǔ)焊）→孔斜測(cè)量→導(dǎo)向鉆進(jìn)→直至設(shè)計(jì)深度終孔→回取探頭→管內(nèi)及環(huán)狀間隙注漿→移至下一孔位。

3.4.1設(shè)備組裝前的準(zhǔn)備工作

（1）施工現(xiàn)場(chǎng)必須保證水通、電通、路通，水電距施工現(xiàn)場(chǎng)不超過(guò)30M。設(shè)置泥漿收集線路及泥漿箱。

（2）設(shè)備檢查。檢查中有否缺件及好壞程度：電機(jī)、鉆機(jī)、泵等測(cè)試，運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常，所有部件是否完好；液壓系統(tǒng)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(kāi)焊，有則補(bǔ)焊。

（4）各種部件是否有變形，有則進(jìn)行校正。

3.4.2測(cè)量放線（包括：方位線、水平點(diǎn)、孔位點(diǎn)）

3.4.3鉆機(jī)設(shè)備安裝

（1）鋼墊板規(guī)格=長(zhǎng)×寬=250×250 mm；漲管螺栓直徑=Φ16 mm；鋼墊板與基礎(chǔ)固定要牢，強(qiáng)度要高；

（2）H型鋼軌找平誤差∠3 mm；

（3）底盤(pán)對(duì)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(duì)角誤差±5 mm；

（6）升降系統(tǒng)：螺絲擰緊，發(fā)現(xiàn)溢扣者必須換掉；

（7）所有螺母必須擰緊，發(fā)現(xiàn)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(dòng)而松動(dòng)或脫落。

3.4.4調(diào)試鉆機(jī)（方位、傾角）

（1）鉆機(jī)入孔的方位角及傾角，必須在測(cè)量隊(duì)提供的可靠的測(cè)量數(shù)據(jù)上進(jìn)行；

（2）孔位確需移動(dòng)時(shí)，須設(shè)計(jì)與監(jiān)理同意；

（3）根據(jù)試驗(yàn)檢驗(yàn)導(dǎo)向鉆頭的糾偏能力，在施工經(jīng)驗(yàn)積累的基礎(chǔ)上，確定開(kāi)孔方位和傾角是否增回糾偏角；

（4）計(jì)算傾角時(shí)應(yīng)將隧道坡度考慮在內(nèi)，鋼管打設(shè)時(shí)原則上不允許向內(nèi)偏斜。

3.4.5鉆具組裝

（1）鉆頭楔掌板旋轉(zhuǎn)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(dǎo)向鉆頭，探棒必須經(jīng)檢驗(yàn)，保證質(zhì)量合格，性能可靠，安裝齊全；

3.4.6沖洗液流通系統(tǒng)

（1）沖洗液具體配比由專(zhuān)業(yè)泥漿工程師根據(jù)本地層情況確定。泥漿需經(jīng)充分?jǐn)嚢瑁鶆蚺渲贫伞?/p>

（2）沖洗液必須先配制后使用，嚴(yán)格在使用中同時(shí)加清水、加料；

（3）沖洗液流通系統(tǒng)：沖洗液制備→儲(chǔ)漿池→泥漿泵→送水器→鉆具→管外環(huán)狀間隙→孔口回水閥口→回漿管（溝）。鉆時(shí)過(guò)程中必須保持上述各流通環(huán)節(jié)的暢通。

（4）在施工過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)不同地層，合理調(diào)節(jié)泵壓、泵量，以免因沖洗液不足引起通道堵塞或因過(guò)大導(dǎo)致過(guò)量泥漿外排。此工程中，一般宜取中低壓、中水量。

3.4.7導(dǎo)向鉆進(jìn)

（1）導(dǎo)向鉆進(jìn)前應(yīng)對(duì)鉆機(jī)定位情況、方位、傾角情況，孔口管對(duì)中情況，沖洗液流通以及導(dǎo)向儀顯示情況進(jìn)行全面復(fù)檢，確認(rèn)正常后進(jìn)行試鉆；

（2）鉆進(jìn)前須先開(kāi)泵，待沖洗液流通正常后，方可鉆進(jìn)；

（3）鉆進(jìn)時(shí)，泵壓應(yīng)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(jìn)；

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

（5）導(dǎo)向技術(shù)人員隨著不斷鉆進(jìn)，必須時(shí)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(diǎn)，在每個(gè)點(diǎn)位探測(cè)信號(hào)，及時(shí)糾偏。當(dāng)糾偏無(wú)效時(shí)，應(yīng)停止鉆進(jìn)，及時(shí)報(bào)告項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，研究對(duì)策后再施工。現(xiàn)場(chǎng)須及時(shí)進(jìn)行導(dǎo)向數(shù)據(jù)記錄和鉆具有效長(zhǎng)度及每次加管長(zhǎng)度詳細(xì)記錄；

（6）鉆孔出現(xiàn)涌水時(shí)，應(yīng)盡量保持泵壓，泵量不能變小，以平衡孔內(nèi)壓力；

（7）沖洗液不正常時(shí)，嚴(yán)禁繼續(xù)鉆進(jìn)。泵工應(yīng)注意觀察沖洗變化情況，及時(shí)上報(bào)有關(guān)負(fù)責(zé)人。3.4.8 管棚連接、接線

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

（2）管棚連接：因管棚打設(shè)長(zhǎng)度長(zhǎng)，傳統(tǒng)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(nèi)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(gè)根可以采用兩種規(guī)格，單號(hào)第一根打設(shè)3M鋼管，雙號(hào)第一根打設(shè)1.5M鋼管，其它鋼管采用一個(gè)規(guī)格。

（3）連接的電線應(yīng)選用導(dǎo)電性能好，外殼絕緣性能好且耐磨的電線。單孔打設(shè)驗(yàn)收合格后，通過(guò)管內(nèi)壓注水泥漿，對(duì)管內(nèi)及管外環(huán)狀間隙進(jìn)行充填；再轉(zhuǎn)入下一孔位施工。

3.5施工關(guān)鍵技術(shù)及安全、環(huán)保措施

根據(jù)項(xiàng)目工期安排及實(shí)際情況，計(jì)劃每12小時(shí)施工一根大管棚，24小時(shí)連續(xù)施工。現(xiàn)場(chǎng)物資準(zhǔn)備見(jiàn)表1所示。勞動(dòng)力配置見(jiàn)表2所示。超長(zhǎng)管棚施工關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)如下：

（1）水平定向鉆進(jìn)時(shí)，每打設(shè)一根鋼管可以監(jiān)測(cè)1-2次鋼管是否偏斜，如有偏斜立即校正。

（2）大管棚設(shè)計(jì)呈拱形分布，按照設(shè)計(jì)圖紙長(zhǎng)度制作。棚管規(guī)格：采用φ108×5 mm無(wú)縫鋼管。鋼管材質(zhì)要求薄厚均勻。棚管中心距暗挖初支結(jié)構(gòu)外皮輪廓線為35cm左右。進(jìn)孔外傾角：1～2°。注漿材料：水泥漿。

（3）大管棚打設(shè)時(shí)必須跳孔打，終孔跟蹤注漿，注漿必須保證管內(nèi)外環(huán)間隙注滿填充實(shí)。如果不跳打，接著再打下一個(gè)孔。地層軟硬不均，鉆進(jìn)時(shí)鋼管很難控制偏斜，無(wú)法保證大管棚質(zhì)量。在管棚打設(shè)時(shí)必須按照施工方案進(jìn)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(jù)鋼管內(nèi)和鋼管外的環(huán)狀間隙計(jì)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(nèi)注漿由管外排出水泥漿，停15～30min進(jìn)行二次補(bǔ)漿，確保管內(nèi)外填充質(zhì)量、注漿必須控制好注漿量、注漿壓力等每一個(gè)環(huán)節(jié)，保證達(dá)到設(shè)計(jì)要求為標(biāo)準(zhǔn)。

4　結(jié)論

暗挖區(qū)間存車(chē)線段200 m超長(zhǎng)管棚應(yīng)用一次性跟管鉆進(jìn)、非開(kāi)挖鋪管技術(shù)在黃土層中對(duì)區(qū)間大斷面隧道的預(yù)支護(hù)，由于鉆頭制作及使用合理，鉆進(jìn)過(guò)程中未出現(xiàn)卡鉆、堵鉆現(xiàn)象。同時(shí)，有效控制了地下施工對(duì)地面引起的沉降，隧道開(kāi)挖完成后地表最大累計(jì)沉降量在80 mm 以內(nèi)；地下管線最大累計(jì)沉降量控制在40 mm 以內(nèi)。通過(guò)導(dǎo)向糾偏，管棚的偏差（豎向偏差和水平偏差）控制均在2 ‰以內(nèi)，端頭誤差控制均在20 cm 以內(nèi)，長(zhǎng)度偏差均在15cm 以內(nèi)。隧道開(kāi)挖過(guò)程中未出現(xiàn)大量的土體掉塊現(xiàn)象，有效防治了地鐵暗挖隧道施工時(shí)上方土體坍塌情況的發(fā)生，為本地鐵隧道施工打下了堅(jiān)實(shí)的質(zhì)量、安全基礎(chǔ)。實(shí)踐表明，采用200 m的超長(zhǎng)管棚一次施工的方案具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，不僅能減少工程量、縮短工期，還可以取得明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，從而為后續(xù)施工創(chuàng)造有利條件，并保證工程順利實(shí)施。

參考文獻(xiàn)：

［1］方克軍.北京地鐵蒲黃榆車(chē)站超前長(zhǎng)管棚試驗(yàn)研究［J］. 鐵道建筑技術(shù),2005,05：20-25.

［2］劉峰,劉仁達(dá),王正美. 淺談長(zhǎng)管棚在隧道軟弱圍巖施工中的應(yīng)用［J］.公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版）,2010,07：277-279.

［3］蔣建林,王洪源,付於堂. 長(zhǎng)管棚施工技術(shù)在董箐電站特大隧洞中的應(yīng)用［J］.水利水電技術(shù),2007,07：69-71.

［4］夏邦瑤,代金旭,羅家詳.隧道長(zhǎng)管棚超前支護(hù)施工工藝及其對(duì)鉆機(jī)性能要求探討［J］. 探礦工程（巖土鉆掘工程）,2007,12：52-54.

［5］黃平先.用長(zhǎng)管棚通過(guò)F_9平導(dǎo)突水坍塌地段施工嘗試［J］.隧道建設(shè),1987,04：49.

［6］李清波.地鐵換乘站95m長(zhǎng)管棚在大差異性土層中的應(yīng)用［J］.施工技術(shù),2014,S1：53-56.

［7］鄭世杰. 超前長(zhǎng)管棚技術(shù)在崔家沖隧道施工中的應(yīng)用［J］. 鐵道建筑技術(shù),2011,S1：137-139+154.

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(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：中國(guó)分類(lèi)號(hào)：U231+3A

文章編號(hào)：1673-1816（2016）01-0056-05

收稿日期：2015-11-14

作者簡(jiǎn)介：宋連東（1981-），男，漢，工程師，研究方向土木工程。