非开挖超长管棚施工技术

3-2-12非开挖超长管棚施工技术1前言1.1非开挖超长管棚施工技术现状非开挖技术是从原始的钻探技术衍生并逐渐发展起来的一种新兴技术，是在不破坏地表的情况下铺设各种地下管线的技术；现代非开挖技术（Trenchlesstechnology），在上世纪80年代从发达国家兴起、由岩土钻探技术衍生并逐渐发展成熟的一种新兴技术。与传统的挖路施工方法相比，非开挖施工技术具有不破坏地表、不影响交通、不涉及拆迁、施工周期短等优点，可广泛应用于电信、供水、供电、供气等市政工程，尤其适合无法明挖区域。我国在该技术上的开发，落后于西方发达国家约20年。近几年，我国非开挖技术取得了长足进步。非开挖地下管线施工技术目前包括水平导向钻进技术、气动夯管锥技术、气动冲击技术、微型隧道技术等。通常情况下长管棚单向施工长度较短，通常设置在隧道洞口拱部，破口前施作；如沈丹高速公路唐岭隧道洞口拱部设L=30m、φ108×5mm、@40cm管棚；北京地铁天坛洞门站采用L=18m、φ108×5mm管棚、@40cm；磁器口站采用L=18m和10m、@40cm、φ108×5mm管棚；崇文门站采用L=27m、φ108×5mm、@30cm管棚及L=36m、φ377×mm、@50cm管棚。国内外暗挖地铁建设中尚无类似蒲黄榆车站拱部超前长管棚布置形式（单根长146m、环向间距33cm、共103根）的设计案例。通过地面模拟试验，2004年采用非开挖水平导向钻进技术成功的实施了该工程。蒲黄榆车站拱部超前长管棚施工的成功，进一步推动了长管棚在地铁施工领域的应用，此后地铁施工领域的长管棚设计长度有所增加，陆续出现120m、75m等不同长度的长管棚；后期北京地铁四号线、十号线等均不同程度的采用了管棚作为超前支护，且长管棚的施工方法日趋多元化，如水平导向钻进技术、跟管钻进技术等非开挖长管棚施工技术得到长足发展。1.2非开挖超长管棚施工原理和工艺特点工艺原理：非开挖长管棚施工技术，即采用非开挖技术暗埋钢管形成管棚并注浆形成管棚支护，是利用水平导向钻机钻进形成导向孔，利用回扩器回扩孔，进而回拖钢管并对管棚钢管进行注浆的一种新兴工艺。工艺特点：采用非开挖水平导向钻进技术施工长管棚，能不破坏或拆迁地面建（构）筑物、不影响地面交通，有效的保护了周边环境；在导向系统导向下，采用膨润土泥浆护壁，从管棚入口端往出口端进行导向孔钻进，导向孔钻进完成后，卸下导向钻头，换上回扩器，在膨润土泥浆护壁下从出口端往入口端回扩孔、回拖钢管，最后对管棚钢管进行浆液灌注，形成长管棚。1.3适应范围非开挖水平导向钻进技术的长管棚施工，适用于地下两端有操作空间的环境，一端作为钻机工作室，另一端作为回扩孔及回拖管工作室；采用无线导向，管棚埋深宜在12m内，且管棚经过地段不能有强烈的信号干扰源；有线导向时无需地面导向，通过有线连接导向，管棚埋深范围可以更深；考虑施工精度，管棚相邻孔位间距宜在500～600mm。2工艺流程及操作要点2.1工艺流程图非开挖长管棚施工包括施工准备、测量定位、钻机就位、钻孔、回扩孔拖管、管棚注浆、泥浆1处理等工序，长管棚环向间距小，为防止窜管，宜采取间隔跳槽施工。长管棚非开挖施工工艺流程见下图。附图1非开挖长管棚施工工艺流程2.2测量定位长管棚施工前在钻机操作空间内和地面进行孔位空间测量定位。钻机操作空间内测量：在钻机施作管棚位置将管棚设计轴线和高程测设定位，便于钻机就位，钻机钻杆轴线与管棚设计轴线的沿长线相吻合。地面测量：在管棚设计轴线对应地面测定管棚中线，使地面轴线与设计管棚轴线保持一致；为便于测定管棚埋深，在地面长管棚对应轴线上纵向每1米测量出地面标高，便于与长管棚设计标高比较，从而计算长管棚理论埋深，便于导向孔钻进时地面接收器根据地面轴线和高程对导向孔钻进线路进行监测，并时时调整孔位的空间位置，以确保成孔精度。2.3钻机配置及钻机就位长管棚采用非开挖技术施工，管棚单根长度长，钻孔和回拖等作业阻力大，钻机性能及配置要求高，主要包括钻机扭矩、回拖力、管棚钻杆。配置钻机时可根据管棚所处位置穿越的地质情况具体选定，如蒲黄榆车站146m长管棚采用非开挖技术施工时，钻机扭矩4000N.m，回拖力150KN，采用φ60mm、L=2m钻杆。根据长管棚设计轴线，在长管棚入口端操作空间内安设钻机；钻机精确就位后需对钻机平台进行加固，防止钻机作业过程中发生晃动；开钻前检查钻机钻杆轴线与管棚设计轴线是否一致，确保钻杆入口位置准确。2.4导向孔钻进从管棚入口端往出口端进行导向孔钻进施工。导向孔钻进施工是在泥浆护壁、导向系统导向控制下进行的，钻杆前端安装导向钻头，导向钻头前端设导向板，随钻杆旋转钻进，钻头导向板即旋转切削土体向前推进；钻杆分节安装，单根钻杆长度一般为2m，相邻钻杆采用丝扣连接。导向孔钻进施工受导向系统、泥浆系统、水平导向钻机性能、导向孔径及钻机操作等因素影响。钻进过程中根据管棚埋深不同，分别采用无线导向系统或有线导向系统；为防止钻进过程中孔壁坍塌，采用膨润土泥浆护壁，并经常检测泥浆的各项指标，确保孔壁稳定。2.4.1导向系统导向系统是导向孔钻进中的一个关键环节。导向系统与长管棚埋深、管棚经过地层内干扰源等因素有关。根据管棚埋深和干扰源情况，选择无线导向系统或有线导向系统。目前国内对导向系统的研究和开发尚处于起步阶段，长管棚施工多采用进口的导向系统；如美国ECLIPSE无线导向系统、ECLIPSE有线导向系统、地磁地下定位系统，英国雷迪导向系统等。通过试验及施工实践分析，长管棚埋深在10m以下时，导向孔钻进采用ECLIPSE无线地下定位施工准备测量定位钻机就位导向系统泥浆系统管棚注浆泥浆处理回扩孔、拖管导向孔施工泥浆系统2系统，配备普通探棒，导向系统信号传输基本能满足要求。长管棚埋深在10～12m时，由于导向系统信号减弱，无线普通型导向系统地面接收器已无法正确探测到钻头内探棒发射的信号，宜采用ECLIPSE无线地下定位系统，配备加强型探棒，该探棒理论探测深度19.8m。附图2ECLIPSE无线导向系统长管棚埋深超过12m后，无线导向系统钻头内的探棒发射信号到达地面后信号较弱，受地层内管线、电缆及洞内钢筋混凝土等干扰源的干扰，地面接收器已无法接收到钻头内探棒发射的正确信号，宜采用普通有线导向系统或地磁地下定位系统。地磁地下定位系统无需地面导向，是有线导向系统，每钻进一根钻杆须进行导线连接。地磁地下定位系统见下图。附图3地磁地下定位系统（电脑、遥显、接收器、地磁探棒）2.4.2导向控制(1)无线导向系统导向控制无线导向系统导向控制时，是通过地面接收器接收钻头内探棒发射的信号来判断钻头的位置。导向钻头内设探棒安装孔和射流孔，射流孔与钻杆中心泥浆孔连通；探棒安装孔与泥浆射流孔分开，探棒安装孔须密闭，防止水渗入，影响探棒发射信号。探棒发射信号受地层和附近环境干扰源的干扰，实测的数据由于信号的干扰衰减而存在误差。试验发现，在同样环境下探棒埋深相同(相近)时，接收器实测数据与理论数据存在一个基本固定的差值。因此，在导向仪测定钻头深度时，可根据该固定误差进行深度计算，判断钻头深度。由于钻头是钢制品，钻头本身对探棒发射信号也有影响，故应在钻头探棒发射信号长度区域进行开槽处理，钻头开槽长度比探棒长度宜长30mm左右，开槽数量宜达到4个槽以上；开槽个数和长度对信号发射影响较大，当采用加强型探棒时，钻头上开槽数量宜达到5个槽以上，探棒方可发射正确信号。钻头开槽缝应采用密封胶密闭，防止外部水沿开槽缝渗入钻头探棒安装孔内。3导向钻头使用前应进行探棒标定，即采用地面接收器在地面测量探棒距离，与钢尺测量距离对比，调整后确保接收器探测距离与钢尺量距一致。探棒标定时应把探棒置于钻头内标定，单独进行探棒标定与装入钻头内进行探棒标定存在误差，而实际导向孔钻进作业是将探棒置于钻头内，故每次导向孔钻进前必须进行标定，且为了钻进过程中接收器探测深度的准确性，标定时应当把探棒置于钻头内进行标定。导向深度偏差控制：在导向孔钻进前按管棚设计进行钻进线路纵坡设计，确定好设计纵坡后，导向孔钻进过程中根据该纵坡进行钻头倾角控制。钻进过程中基本保持钻头倾角控制在允许误差内，同时考虑接收器实测数据与设计埋深的差值，导向孔钻进过程中将实测数据扣减该差值进行长管棚埋深控制。导向平面偏差控制：在导向过程中，必须测定钻头内探棒前点和后点及钻头正下方位置，通过连接前点和后点并与钻头正下方位置相交确定导向钻头平面位置。采用ECLIPSE无线导向系统时，钻头平面位置确定见下图。地面接收器558处于钻头正上时出现的横线480500前点后点钻进方向前点与后点连线与横线交点表示钻头位置图十二钻头左右位置确定示意图附图4无线导向系统钻头平面位置确定示意图导向孔钻进轨迹平面位置及深度偏差调整是通过调整导向钻头导向板方向、顶进一定长度的钻杆来实现纠偏。在无线导向系统导向孔钻进过程中，地面导向人员根据接收器探测结果，发现偏差后通过对讲系统指挥钻机操作员进行钻头调整，确保导向孔沿设计轨迹钻进。地面接收器监测发现偏差后，及时通过通讯系统指挥钻机操作手进行调整。(2)地磁导向系统导向控制导向系统还包含有线定位系统及地磁定位系统。有线定位系统是通过连接线把探棒与遥显连接，探棒发射信号通过连接线传递到遥显上；ECLIPSE有线地下定位系统信号是通过连接线传递的，因此受周围环境干扰小，钻头埋深及平面位置偏差同样需要通过地面接收器测定。地磁定位系统具备传统有线导向系统的全部特性。该系统包含地磁探棒、地磁接收器、地磁遥显、电脑、无磁钻头、无磁钻杆等。地磁定位系统是利用地球磁场及地磁有线探棒发射磁场，确定钻进线路的磁偏角，探棒发射信号通过钻头与遥显的连接线将信号传输到遥显上，遥显与电脑连接，在电脑上显示钻进线路的纵断面及平面图，与事先设计线路比较，发现偏差及时调整，从而确保导向孔钻进与设计线路重合。但地磁地下定位系统依赖地球磁场及探棒发射的磁场进行定位，而普通钢管对该系统有较大影响，为减少钢制品对地磁地下定位系统的影响，必须采用无磁钻头，且钻头与钻杆连接的前6米也必须采用无磁钻杆；确保地磁钻头信号传输的准确性。地磁地下定位系统导向控制时，无需地面导向，但接收器也可以在地面进行监测，校核钻头钻进轨迹。正式钻进前在电脑上设定钻进轨迹的平面图和剖面图，并对地磁探棒进行初始数据采集，4根据地面测量放出的设计轨迹线，地磁探棒放置到初始轨迹位置，遥显直接采集地磁探棒初始位置，包括方位角和标高。导向孔钻进时，地磁系统电脑、遥显及钻头内地磁探棒通过导线传递钻进轨迹信号；地磁探棒通过导线传递钻头钻进轨迹的平面和剖面位置，与电脑上的设计轨迹比较，判断是否需要进行钻进轨迹调整。钻机操作员根据电脑上监测信息进行调整，调整方法与无线导向系统相同。地磁导向系统电脑设计轨迹见图5。附图5地磁系统电脑显示长管棚平面和高程设计及钻进轨迹图实践证明：粉质粘土层内的长管棚轨迹纠偏比较容易，而粉细砂层长管棚轨迹偏差纠正比较困难，有时必须反复调整导向板角度顶进对钻进轨迹进行修正。2.5泥浆系统泥浆系统是导向孔钻进过程中的又一关键环节，泥浆不但能护壁，而且还能在钻进过程中冷却钻头，并作为悬浮钻屑的流动体，泥浆以膨润土及外加剂为原料按一定比例配置而成，不同地层对泥浆粘度有不同要求。特别是粉细砂和松散的中粗砂层对泥浆配置要求非常高。膨润土泥浆采用马氏漏斗粘度进行测定，膨润土泥浆适宜的PH值环境为8.5～10；粉质粘土层有一定自稳能力，膨润土泥浆粘度控制在20秒左右，粉细砂层膨润土泥浆马氏漏斗粘度控制在30～35秒，中粗砂层膨润土泥浆马氏漏斗粘度控制在35～45秒，可根据地层地质情况进行比选。膨润土泥浆用量一般为孔径的3～5倍左右，配置时需机械搅拌；泥浆流量大，回收处理后须检查粘度及PH值后方可按标准进行循环利用。为确保砂层成孔质量，泥浆配置时可以采用进口易钻膨润土。2.6回扩孔拖管导向孔施工完毕后进行回扩孔及回拖钢管施工，回扩孔拖管施工受回扩孔径、膨润土泥浆配置、回拖钢管连接形式等因素影响。导向孔从一端往另一端钻进，导向孔径较管棚孔径小，必须进行回扩