导向跟管钻进大管棚施工工艺探讨

【摘 要】本文针对中南部铁路通道工程干阳沟黄土隧道险情段处理具体施工情况，对在施工过程中采用“导向跟管钻进技术”进行超长大管棚施工，把该技术作为险情段软弱围岩超前支护的主要辅助措施，单向一次性打设管棚长度60m，在施工中取到了明显的成效。通过对“导向跟管钻进技术”原理、工艺、施工控制的介绍，指出该技术的优点，希望对类似工程的施工有一定的参考和指导价值。

【关键词】超前支护；大管棚；跟管钻进；指导

在隧道施工过程中，因区域围岩情况的变化，隧道在掘进过程中常会遇到围岩失稳、漏顶等工程问题。在出现险情后，多采用大管棚工法作为险情段超前支护的主要措施。传统管棚施工工法具有很多局限性，费时费工且费料。但如何行之有效的进行大管棚施工，已成为控制工程质量和进度的关键。本文针对中南部铁路通道工程干阳沟隧道险情段的险情处理措施，考虑到施工难度和工效问题，有针对性的选用了大管棚的“导向跟管钻进技术”进行长管棚施工，单向一次性打设管棚长度60m，在施工中得到了成功应用，取得了明显的施工效果。

1 工程、地质情况

干阳沟隧道是山西中南铁路通道工程（洪洞至日照）线路上以黄土围岩为主的一条双线长隧道，全长8463m，隧道最大埋深约200m，最小埋深为10m。属于中南部铁路通道工程高风险隧道，也是整个中南部铁路通道工程的控制性工程。

该隧道进口掌子面当施工到距离洞口505m时，由于遇到异常暴雨天气，在DK362+215~DK362+245范围洞顶发生了透顶事故。透顶区域山顶沉陷宽度25m，长度30m，深度2~3m。洞内土体涌到DK362+184.1二衬处，且二衬台车1/3被塌方土体掩埋，由于人员撤离及时，无人员伤亡。

干阳沟隧道塌方发生段地质构造为中低山丘陵区，地层以松散堆积层为主，主要包括第四系全新统冲洪积砂质黄土、黏质黄土、粉土、上第三系上第三系粉质黏土、粉土、粗圆砾土，第四系上更统砂质黄土、中更新统黏质黄土，上第三系粉质黏土、粉土、粗圆砾土，属贫水段，工程地质较差。施工单位联合设计单位对现场地质和塌方体进行了详细的勘察和论证后，认为塌方土体总体较松散，土质以黄土为主，无自稳能力，后续塌方段险情处理，应采用超长大管棚进行超前棚护的方案，管棚钻机采用“导向跟管钻进技术”打设60m超长管棚，一次性进入原状土体，从而保证后续施工的安全，防止险情处理时次生灾害的发生。

2 超长大管棚施工准备

根据大管棚施工方案使用YQ100E型潜孔钻机采用“潜孔锤冲击成孔送管法”先打设两环10m的大管棚，然后再打设长度为60m的超长大管棚。先打设的两环10m的大管棚，为后续超长管棚的打设创造工作空间。具体施工断面示意如图一所示：

本文主要来讨论60m超长大管棚的施工工艺， 10m长管棚的打设不再赘述。

3 超长管棚的导向跟管钻进原理及布设

导向跟管钻进是用管棚代替钻杆，其最前端加装自制导向钻头，钻进过程使用导向仪能准确测定钻头在前方的位置和方向，据此确定钻进轨迹。同设计轨迹相比较，利用能进行方向控制的楔型钻头改变钻进方位，从而按设计轨迹钻通孔道，来保证后续开挖隧道的平面位置和纵向坡度不受影响。管棚连接采用内丝扣进行接长，利用水平定向钻将管棚分节依次旋转顶进围岩中。当管棚在定位传感器指引下打至设计长度后，安装加工好的钢筋笼，再进行注浆、封闭等工序作业，这样也就完成了一根超长大管棚的施工。其他管棚施工就是间隔一定的距离进行打设，施工工艺相同。超长管棚之间间隔距离应根据地质土层注浆板结效果而定，在这里我们定为间距33cm。

4 超长管棚施工工艺和问题处理

4.1 施工工艺流程

施工准备工作平台搭建测量放线钻机就位及调试钻头的加工导向孔的打设钻进作业安装钢筋笼孔口封闭注浆

4.2 施工过程控制

4.2.1 施工准备

施工准备主要是施工作业人员和机械设备的配置和调试。根据需要，每台钻机需配备4-6名操作工人，钻机采用SE-HG-500型专用管棚钻机。该型钻机给进力15t，安装在可自由行走的轨道机架上，最大行程6m，轨道上行进可以保证钻机安装牢靠且移动方便，施工时不易偏斜；管棚专用导向仪采用SEX-200型管棚专用导向仪，并配套有线数据棒，精度可达0.3º,倾角分辨率可达0.1º；另外还需一台BW-250型注浆泵和两台GHJ180灰浆搅拌机，为管棚打设到位后进行注浆加固。

4.2.2 工作平台搭建

由于作业场地狭小和充分利用施工现场资源，我们利用两榀I25a工字弧形钢拱架作为导轨，拱架沿隧道纵向间距为4.5m，前拱架比后拱架高20cm，这样就可以较为方便调整钻机的上倾角。平台支撑要牢固，采用I20工字钢进行纵向的稳固连接。为了防止在施钻时钻机产生不均匀下沉、摆动、位移等影响钻孔角度、位置等，两榀I25a工字弧形钢拱架拱架处加垫5-10cm厚的方形木板，增大拱脚接触面积，增加稳固性，如图二示。

图二 工作平台搭建示意图

4.2.3 测量放线

按照设计位置对上台阶大管棚孔位进行测量放线，按照33cm间距进行布设，对每个孔号进行编号，作好孔位标记。

4.2.4 钻机就位及调试

安装管棚钻机可以采用3t倒链作为提升动力，采用焊接的方式把钻机和导向拱架焊接牢固。调整钻机高度，将钻具与孔位对中，使孔位、钻机立轴和钻杆在一条直线上，并用仪器量测固定这一条直线的角度即上倾角度(一般使用地质罗盘或使用悬吊式量角器)。

4.2.5 钻头加工及安装

采用Ф108mm管棚制作楔形钻头，中部安装有线数据探棒作为钻头。楔形钻头与钻杆方向角度为20º, 水眼直径为8mm。信号线上辐设5mm钢丝绳防止信号线被扯断。为了保证钻进效果，可以将楔形钻头的导向板前段切割成锯齿状，导向钻头构造示意如图三所示：

图3 钻头构造示意图

4.2.6 导向孔的打设

按测量放线点标示的大管棚孔位，采用钻机自带潜孔冲击器打设4m导向孔。

4.2.7 钻孔作业

导向孔施工完毕后，即可安装钻头进行钻孔作业。需要打设的大管棚位于平曲线半径为2000m的圆曲线上，需要设置左偏移量为6mm/米。同时该段隧道纵向坡度为0.46％，施工开始时上倾角度按照2º进行控制，在钻孔中，如果发现管棚有下垂情况，即楔形钻头钻进角度发生偏下，可以把楔形钻头调到12点位置，即楔形钻头斜面朝下，直接顶进，此时由于楔形钻头底板斜面面积大，受到一个向上的托力，楔形钻头轨迹就会朝上运移。同理，在6点位置时纠偏可以使钻头钻进轨迹朝下，9点、3点时分别为左、右纠偏方向。如果角度合适，钻机匀速旋转钻进，钻头的钻进轨迹是平直的。当棚管打进至设计深度后，回拖撤回定位有线数据探棒。终孔位置大约抬高能够抬高0.3-0.5米，可以满足施工需求。

管棚施工中，用管棚代替钻杆，其最前端为导向钻头，后续管棚之间采用加工好的丝扣进行连接，利用水平定向钻机将棚管依次打人围岩中。同时使用注浆泵由管棚内注入泥浆，在钻头部位携钻屑沿管棚外壁流出，同时泥浆还能起到护壁作用。管棚连接后用电焊机焊接牢靠，防止因钻具扭矩过大产生滑丝而脱扣现象。如此循环钻钻至设计深度即可。钻孔速度要保持匀速，特别是钻头遇到异物时，应控制钻进速度，避免发生卡钻现象。

4.2.8 安装钢筋笼

钢筋笼由4根φ22钢筋对称焊接组成，中间采用φ42mm*10cm导管按照100cm进行固定，外附间距为1m的φ10圆钢箍筋。焊接应平顺，牢固，防止脱焊等现象的发生。

管棚钻进到位后，使用钻机顶进加工好的钢筋笼。钢筋笼的顶部要做成尖状，以满足钢筋送进时起到导向作用。前一节钢筋笼与后节钢筋笼之间采用焊接连接，焊接应牢固。送钢筋笼过程中切不可蛮送，如遇异物无法顶进时应把钢筋笼来回活动一下，无阻碍时方可继续送入。由于管棚管道在施工时往往经过孔位调整，管道是曲线状态，施工早期造成钢筋笼无法顺利进入的现象时有发生，我们就及时调整了钢筋笼中间固定环的直径为φ22钢筋，后期施工钢筋笼送入比较顺利。

4.2.9 孔口密封

用带注浆管的钢板与管棚端头焊接牢固，注浆连接管可采用阀接式，必须焊接牢固严密，以防注浆压力较大时崩脱和漏浆。将管棚与钻孔环形空隙间用砂浆封堵密实，封堵环形空隙前必须用高压风将孔口部位混凝土墙面上的泥土及浮尘清理干净。

4.2.10 注浆

管棚全部打设完毕后，即可开始对管棚进行注浆作业。为了确保注浆质量，首先向孔内压注水灰比为l：1的水泥浆液，注浆压力控制在0.2～0.6MPa，注浆量控制在1.5～2.0倍理论裸孔容积，当压力达到0．6MPa并稳定后停止注浆。然后关闭注浆阀，同时封堵出浆管。

5 后续施工效果

管棚施工完成后，根据打设角度计算，管棚角度及打设方向均得到有效控制，为后续施工为了检查管棚支护技术的施工效果，保证开挖施工安全，在管棚和注浆孔施工结束后，必须施工检查孔，对施工效果进行检查。在后续开挖施工过程中地表沉降较小，拱顶沉降较小，都在允许范围之内。

6 导向跟管钻进技术的优点

通过上述施工过程控制，我们再同传统大管棚施工方法相比，导向跟管钻进方法优点总结如下：

6.1 在隧道内打设管棚无需预设管棚导向墙，能按特殊要求的轨迹钻进；

6.2 能有效控制棚管打设方向，精度高，外插角可预设；

6.3 将管棚作钻杆直接打入，不扩大孔位，工效高；

6.4 管棚施作距离长，一次性施作可超过50m；

6.5 孔底注浆，孔口返浆，必要时封口注浆，可扩大管外土体注浆面积；

6.6 在工作空间过小情况下可以施工，不需要使用大型机械配合顶管作业。

7 结束语

干阳沟隧道施工过程中通过应用“导向跟管钻进技术”进行长管棚的施工，最大程度的满足了现场的施工需要，减少了工序，节约了工期，取得了的成功。通过实践证明，在特殊施工条件下使用“导向跟管钻进技术”进行长管棚施工，实现对管棚钻进方向的可控性，施工精度较高，减少了隐患的发生，其工程造价明显低于传统管棚施工造价，满足预期设计要求，施工后地表沉降较小，拱顶沉降较小。管棚排列整齐,可以更好的满足土体受力，能够更好的满足工程需要。通过对该施工工艺的介绍，希望对类似工程的施工有一定的参考和指导价值。

参考文献

[1]中华人民共和国铁道部，TB10204- 2002 铁路隧道施工规范，中国铁道出版社，2002.

[2]史越倩;张成喜;姜楠楠;;水平定向钻穿越工程技术探讨[A];中国土木工程学会城市燃气分会输配专业委员会2007年会论文集[C];2007年.

作者简介：

张奉，男，1979.08，本科，长沙理工大学，土木工程专业。

杨文平，男，1979.01，工程硕士，长安大学，建筑与土木工程专业。

周大兵，男，1982.09，本科，南华大学，道路与桥梁专业。