隧道特殊管棚支护工法－导向跟管钻进法

1、 前言

近年来随着各种隧道工程数量的大幅增加，各种支护手段相继出现，而对于在软弱、松散、富水地层中的支护问题,目前国内普遍采用超前加固的工法已得到岩土工程界的广泛认同和应用，超前支护工法目前主要有超前小导管注浆、大管棚、深孔注浆、水平旋喷桩、水平搅拌桩和水平冻结等而就一次性支护深度来说大管棚是首屈一指的，目前国外以新奥法、国内近年采用矿山法施工的隧道已广泛采用超前大管棚支护工法，尽管年来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以及一些较严重的破碎带作为超前支护方法，可想而知大管棚的认可度就不言而喻了。但就传统的管棚工法而言也是具有很多局限性的，比如支护作业因受施工环境如场地狭小、土质较差等条件的制约，目前广泛采用的大管棚工法均一次性施作距离较短或者施作深度较大时往往偏差太大不能满足设计要求而美中不足，往往在隧道内管棚施工时进行分段打设并要在分段开挖口处预先设置管棚工作室，这种传统的管棚施工方法既费时费工又费料且回填时施工困难，北京就出过因工作室回填引起地面道路起鼓高500直径6米的事故。近期经过在理论上的探索和运用中的实践，总结出一套新方法，此方法能解决目前大管棚连续施工时设立管棚工作室分段施工的大难题，在黄庄实验施工时，一次性打设深度超过100米并取得了非常理想的效果。在此基础上，我们深入研究了这种高效进行大管棚的施工方法，并针对北京地铁施工的特点和要求制定了这套指导管棚施工的新工法---“导向跟管钻进法”。
2、特点
（1）施工适应性强此方法施工不需要开设管棚工作室可在很多狭小复 杂的隧道中进行施工作业；
（2）方向可控性导向跟管钻进法的钻头是楔形的，在钻机水平顶进所产生反力的作用下改变方向；
（3）一次性打设深度较大可超过100米；
（4）成本低、效率高由于限定了水泥浆注入范围,相对注入量大幅减少,每施工速度比深孔注浆提高2倍～3倍,周期缩短；
（5）效果好具有提高复合土体强度、防渗、抗滑、预支撑等多重效果。
3、实用范围
a)管棚一次性打设深度较大（50米以上）
b)施工场地狭窄无管棚工作室
4、工艺原理
此方法是根据一种非开挖水平定向钻进技术引申而来的。该方法要求在钻进过程中每钻进一段距离后测一次方位角并通过方位角进行纠偏。我公司根据这一特点并结合本公司在导向仪器研发方面的优势引申出利用方位角进行导向并控制钻头沿着预先设定的轨迹钻进，此方法直接用工作钢管作为钻杆，在钻头部位安装有线导向仪器，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楔型钻头改变钻头的钻进方向。钻头内装有特制的传感器，传感器通过有线线缆同管外的显示屏连接。显示屏显示钻头的倾角、面向角，把钻头设在12点时，导向板朝下，钻机直接顶进后，由于此时导向板底板斜面面积大，在土体摩擦力作用下，钻头轨迹向上运动。同理在6点位置纠偏可以使钻头朝下钻进，9点、3点分别是为左、右纠偏方向。当钻机匀速旋转钻进时，钻杆轨迹基本是平直的。所以利用显示屏反馈的信息来控制导向钻头在施工过程（控制原理见下图）中的方位就是此工法的关键所在。

5、工法介绍
本工法根据上述原理设计钻杆钻进轨迹，要求是在设计轨迹与初期管棚搭接部位前2米左右位置处交汇后将角度逐步下调，在一定范围内回归到管棚打设中心线后水平钻进。（见下图）

A设计各种打设数据：
a.根据施工环境找出管棚打设的限制数据。主要数据有四个：
①通常以初支厚度再加上开挖线至初期管棚的底边线距离作为导向跟管钻进法的垂直控制距离我们将其设为H;
②总搭接长度M(一般﹥5米);
③管棚位置中心线与钻进轨迹顶点距离N
④钻杆的直径D半径d;
b.根据限制数据计算施工步骤的具体数据，包括打设的初始方位角 θ、第一次直线钻进的长度即钻杆在土中第一次拐向时的深度L1（一般为6米）、钻进过程中每L段端点钻头所距开孔口中心点的垂直距离H1H2…Hn、L段端点钻头的角度θ1θ2…θn、具体打设的方位控制数据（Ln、hn、θn、）轨迹顶点到最后方位角调回水平时的投影K等等；
c．数据设计的基本原则是在保证M＝5米的前提下，通过H的值设计 钻头运动轨迹，使N的值严格控制在300mm以内。
B工艺流程

C主要施工过程：
（1）组装钻具（见下图）

①取位置安放探棒；
②安装焊接泥浆系统单向阀
③焊接楔形板（通常与钻杆角度为20°）
④安装焊接水眼板（水眼为8mm）
（2）钻进作业
a、钻机就位后放出开孔中心线；
b、安装孔口管管长1米直径通常为大于钻杆直径5cm目的在于防止孔 口因钻杆摩擦和泥浆的冲刷下坍塌；
c、按照初始角θ匀速钻进L1后，钻头调在6点位置以θ1角度匀速顶进 L2，此时钻头的位置为h2；
d、测出h2时的各种数据与设计在该位置的数据比较，根据两者之差在下 一步钻机匀速钻进L3时加以调节并作为下一孔位的施工参数；
e、按照h2与设计数据的差调整后匀速钻进到设计数据h3点；
f、按照cde过程循环进行，钻头在N的设计值处调到0并按设计将角度 调到负值；
g、继续循环调整在hn点时钻头再次被调为水平此时可按照普通施工方 法进行施工，需要提醒的是在钢管弹性作用下以后的匀速钻进必定会造成钻头运动轨迹始终向下因此每隔3米还要进行一次纠偏；
注：
①实际施工过程中我们为了施工人员便于操作将θ用百分比来 替换即x％（当钻杆以某一角度钻进时每钻进100米h值为1米）
②L值控制要求严格时可根据实际情况将匀速钻进改为原地 旋转一段时间后继续顶进。
（3）注浆
1. 卸掉钻杆与钻机的连接后将预先设置在钻杆内与探棒信号线绑在一 起的钢丝绳回拖，回拖时应每10米在进行一次测量检验实际的轨迹与设计相差数据。
2. 注浆
注浆原理是混合浆液通过注浆口特制的节门后，在压力作用下流经钢管、管外环装空隙，将管内空气挤压排出并将环装空隙充填密实的过程（见下图）。

注浆步骤：
a浆液配制搅拌均匀（浆液采用水泥膨润土混合浆，严禁注浆过程中加水加料）；
b开始注浆，注浆量以混合浆液从环装空隙口流出为准；c停止注浆，7小时后卸除管口节门。 注浆材料：水泥P.O32.5，优质膨润土配比（质量比）：水：水泥：膨润土（1：1：0.03）注浆压力：0.6-1.0MP；

6、主要设备选型

7、质量要求
(1)开孔孔位偏差≤±50mm，若须移位，应调整开孔角度进行回归；
(2)开孔位置不允许向内偏斜。设计向外偏角（放射角）偏差在0.1~0.2°范围内；
(3)管棚的终端最大偏差控制在±200mm以内；
(4)钻头顶进过程中每一L的端点h值与设计偏差必须≤1％；
(5)为了保证钢管连接的同轴性，每根钢管都必须加车4mm丝扣，采用丝扣连接。丝扣连接一定要拧紧、到位，然后加焊；
(6)终孔后，管棚的注浆压力要控制在0.8—0.8 MP之间，注浆压力不宜边大。注浆量以出浆口流出水泥浆为准。
(7)管棚打设长度与设计长度误差不得大于200mm；

8、工程实例
1）工程名称：北京地铁十号线（万柳－劲松）花园东路站－八达岭高速站区间工程

2）打设环境：隧道进深约13米内已用传统的管棚方法作了支护，初期管棚底 边线在距开挖线约300mm处，初支厚度约350mm即h＝650mm场地不具备开管棚工作室的条件（详见正、侧视图）打设总长度分别为40m、53m，用“导向跟管钻进法”打设要求M≤5米,N≤300mm。

3）数据设计（下图）：
a. 原始数据：h＝650mm，m＝5米，N=300mm ，D=108mm 
b. 数据设计：θ＝9％,θ1＝7％,θ2＝5％,θ3＝3％,θ4＝0,L1＝6米   L2=3米,L3＝2米,L4=3米,L5=2米,L6=3米,L7=2米,L8=4米 , k=9米

管棚打设步骤设计：
步骤1：埋设孔口管

步骤2：匀速钻进L1=6米（下图）

步骤3：顶进L2=3米（下图）

步骤4：钻进L3=2米（下图）

步骤5：按照步骤3、4钻到Hn点后钻头向下钻进（下图）

步骤6：钻到K=9m，角度＝0º时钻机匀速钻进（下图）

步骤7：每钻进3米测量一次方位角并加以调整直至设计深度。
注：实际施工时由于此地段土体摩擦阻力较大钻机直接顶进3米比较困难，我 们改为以每5m为一个控制断，每个控制断的角度下调标准为3％，每顶进3m＋钻进2m改为：每顶进1米再钻进1米循环，施工的原理方法步骤均不变。
9、效益分析在特殊环境大管棚施工中采用了这种新方法，可避免在打设大管棚之前建施工管棚工作室，以及管棚打设完成后将工作室重新支护回填，节约成本、工期减少因工作室回填带来的各种安全隐患。再用综合成本计算后证明此工法造价只有传统管棚造价的90％，尤其支护深度较大时其优越性将更加明显。因此，此工法是一种经济、安全、技术可行值得推广应用的好方法。(本文来自 建研机械)