隧道特殊管棚支護工法－導向跟管鑽進法

1、 前言

近年來隨著各種隧道工程數量的大幅增加，各種支護手段相繼出現，而對於在軟弱、鬆散、富水地層中的支護問題,目前國內普遍采用超前加固的工法已得到岩土工程界的廣泛認同和應用，超前支護工法目前主要有超前小導管注漿、大管棚、深孔注漿、水平旋噴樁、水平攪拌樁和水平凍結等而就一次性支護深度來說大管棚是首屈一指的，目前國外以新奧法、國內近年采用礦山法施工的隧道已廣泛采用超前大管棚支護工法，盡管年來TMD法的使用越來越廣泛，即使如此，大管棚也常常應用於盾構機入口處以及一些較嚴重的破碎帶作為超前支護方法，可想而知大管棚的認可度就不言而喻了。但就傳統的管棚工法而言也是具有很多局限性的，比如支護作業因受施工環境如場地狹小、土質較差等條件的製約，目前廣泛采用的大管棚工法均一次性施作距離較短或者施作深度較大時往往偏差太大不能滿足設計要求而美中不足，往往在隧道內管棚施工時進行分段打設並要在分段開挖口處預先設置管棚工作室，這種傳統的管棚施工方法既費時費工又費料且回填時施工困難，北京就出過因工作室回填引起地麵道路起鼓高500直徑6米的事故。近期經過在理論上的探索和運用中的實踐，總結出一套新方法，此方法能解決目前大管棚連續施工時設立管棚工作室分段施工的大難題，在黃莊實驗施工時，一次性打設深度超過100米並取得了非常理想的效果。在此基礎上，我們深入研究了這種高效進行大管棚的施工方法，並針對北京地鐵施工的特點和要求製定了這套指導管棚施工的新工法---“導向跟管鑽進法”。
2、特點
（1）施工適應性強此方法施工不需要開設管棚工作室可在很多狹小複 雜的隧道中進行施工作業；
（2）方向可控性導向跟管鑽進法的鑽頭是楔形的，在鑽機水平頂進所產生反力的作用下改變方向；
（3）一次性打設深度較大可超過100米；
（4）成本低、效率高由於限定了水泥漿注入範圍,相對注入量大幅減少,每施工速度比深孔注漿提高2倍～3倍,周期縮短；
（5）效果好具有提高複合土體強度、防滲、抗滑、預支撐等多重效果。
3、實用範圍
a)管棚一次性打設深度較大（50米以上）
b)施工場地狹窄無管棚工作室
4、工藝原理
此方法是根據一種非開挖水平定向鑽進技術引申而來的。該方法要求在鑽進過程中每鑽進一段距離後測一次方位角並通過方位角進行糾偏。我公司根據這一特點並結合本公司在導向儀器研發方麵的優勢引申出利用方位角進行導向並控製鑽頭沿著預先設定的軌跡鑽進，此方法直接用工作鋼管作為鑽杆，在鑽頭部位安裝有線導向儀器，根據鑽頭在鑽進過程中的位置和方向同設計軌跡的差異，利用能進行調節方向的楔型鑽頭改變鑽頭的鑽進方向。鑽頭內裝有特製的傳感器，傳感器通過有線線纜同管外的顯示屏連接。顯示屏顯示鑽頭的傾角、麵向角，把鑽頭設在12點時，導向板朝下，鑽機直接頂進後，由於此時導向板底板斜麵麵積大，在土體摩擦力作用下，鑽頭軌跡向上運動。同理在6點位置糾偏可以使鑽頭朝下鑽進，9點、3點分別是為左、右糾偏方向。當鑽機勻速旋轉鑽進時，鑽杆軌跡基本是平直的。所以利用顯示屏反饋的信息來控製導向鑽頭在施工過程（控製原理見下圖）中的方位就是此工法的關鍵所在。

5、工法介紹
本工法根據上述原理設計鑽杆鑽進軌跡，要求是在設計軌跡與初期管棚搭接部位前2米左右位置處交匯後將角度逐步下調，在一定範圍內回歸到管棚打設中心線後水平鑽進。（見下圖）

A設計各種打設數據：
a.根據施工環境找出管棚打設的限製數據。主要數據有四個：
①通常以初支厚度再加上開挖線至初期管棚的底邊線距離作為導向跟管鑽進法的垂直控製距離我們將其設為H;
②總搭接長度M(一般﹥5米);
③管棚位置中心線與鑽進軌跡頂點距離N
④鑽杆的直徑D半徑d;
b.根據限製數據計算施工步驟的具體數據，包括打設的初始方位角 θ、第一次直線鑽進的長度即鑽杆在土中第一次拐向時的深度L1（一般為6米）、鑽進過程中每L段端點鑽頭所距開孔口中心點的垂直距離H1H2…Hn、L段端點鑽頭的角度θ1θ2…θn、具體打設的方位控製數據（Ln、hn、θn、）軌跡頂點到最後方位角調回水平時的投影K等等；
c．數據設計的基本原則是在保證M＝5米的前提下，通過H的值設計 鑽頭運動軌跡，使N的值嚴格控製在300mm以內。
B工藝流程

C主要施工過程：
（1）組裝鑽具（見下圖）

①取位置安放探棒；
②安裝焊接泥漿係統單向閥
③焊接楔形板（通常與鑽杆角度為20°）
④安裝焊接水眼板（水眼為8mm）
（2）鑽進作業
a、鑽機就位後放出開孔中心線；
b、安裝孔口管管長1米直徑通常為大於鑽杆直徑5cm目的在於防止孔 口因鑽杆摩擦和泥漿的衝刷下坍塌；
c、按照初始角θ勻速鑽進L1後，鑽頭調在6點位置以θ1角度勻速頂進 L2，此時鑽頭的位置為h2；
d、測出h2時的各種數據與設計在該位置的數據比較，根據兩者之差在下 一步鑽機勻速鑽進L3時加以調節並作為下一孔位的施工參數；
e、按照h2與設計數據的差調整後勻速鑽進到設計數據h3點；
f、按照cde過程循環進行，鑽頭在N的設計值處調到0並按設計將角度 調到負值；
g、繼續循環調整在hn點時鑽頭再次被調為水平此時可按照普通施工方 法進行施工，需要提醒的是在鋼管彈性作用下以後的勻速鑽進必定會造成鑽頭運動軌跡始終向下因此每隔3米還要進行一次糾偏；
注：
①實際施工過程中我們為了施工人員便於操作將θ用百分比來 替換即x％（當鑽杆以某一角度鑽進時每鑽進100米h值為1米）
②L值控製要求嚴格時可根據實際情況將勻速鑽進改為原地 旋轉一段時間後繼續頂進。
（3）注漿
1. 卸掉鑽杆與鑽機的連接後將預先設置在鑽杆內與探棒信號線綁在一 起的鋼絲繩回拖，回拖時應每10米在進行一次測量檢驗實際的軌跡與設計相差數據。
2. 注漿
注漿原理是混合漿液通過注漿口特製的節門後，在壓力作用下流經鋼管、管外環裝空隙，將管內空氣擠壓排出並將環裝空隙充填密實的過程（見下圖）。

注漿步驟：
a漿液配製攪拌均勻（漿液采用水泥膨潤土混合漿，嚴禁注漿過程中加水加料）；
b開始注漿，注漿量以混合漿液從環裝空隙口流出為準；c停止注漿，7小時後卸除管口節門。 注漿材料：水泥P.O32.5，優質膨潤土配比（質量比）：水：水泥：膨潤土（1：1：0.03）注漿壓力：0.6-1.0MP；

6、主要設備選型

7、質量要求
(1)開孔孔位偏差≤±50mm，若須移位，應調整開孔角度進行回歸；
(2)開孔位置不允許向內偏斜。設計向外偏角（放射角）偏差在0.1~0.2°範圍內；
(3)管棚的終端最大偏差控製在±200mm以內；
(4)鑽頭頂進過程中每一L的端點h值與設計偏差必須≤1％；
(5)為了保證鋼管連接的同軸性，每根鋼管都必須加車4mm絲扣，采用絲扣連接。絲扣連接一定要擰緊、到位，然後加焊；
(6)終孔後，管棚的注漿壓力要控製在0.8—0.8 MP之間，注漿壓力不宜邊大。注漿量以出漿口流出水泥漿為準。
(7)管棚打設長度與設計長度誤差不得大於200mm；

8、工程實例
1）工程名稱：北京地鐵十號線（萬柳－勁鬆）花園東路站－八達嶺高速站區間工程

2）打設環境：隧道進深約13米內已用傳統的管棚方法作了支護，初期管棚底 邊線在距開挖線約300mm處，初支厚度約350mm即h＝650mm場地不具備開管棚工作室的條件（詳見正、側視圖）打設總長度分別為40m、53m，用“導向跟管鑽進法”打設要求M≤5米,N≤300mm。

3）數據設計（下圖）：
a. 原始數據：h＝650mm，m＝5米，N=300mm ，D=108mm 
b. 數據設計：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

管棚打設步驟設計：
步驟1：埋設孔口管

步驟2：勻速鑽進L1=6米（下圖）

步驟3：頂進L2=3米（下圖）

步驟4：鑽進L3=2米（下圖）

步驟5：按照步驟3、4鑽到Hn點後鑽頭向下鑽進（下圖）

步驟6：鑽到K=9m，角度＝0º時鑽機勻速鑽進（下圖）

步驟7：每鑽進3米測量一次方位角並加以調整直至設計深度。
注：實際施工時由於此地段土體摩擦阻力較大鑽機直接頂進3米比較困難，我 們改為以每5m為一個控製斷，每個控製斷的角度下調標準為3％，每頂進3m＋鑽進2m改為：每頂進1米再鑽進1米循環，施工的原理方法步驟均不變。
9、效益分析在特殊環境大管棚施工中采用了這種新方法，可避免在打設大管棚之前建施工管棚工作室，以及管棚打設完成後將工作室重新支護回填，節約成本、工期減少因工作室回填帶來的各種安全隱患。再用綜合成本計算後證明此工法造價隻有傳統管棚造價的90％，尤其支護深度較大時其優越性將更加明顯。因此，此工法是一種經濟、安全、技術可行值得推廣應用的好方法。(本文來自 建研機械)