北京地铁蒲黄榆车站管棚试验研究初步成果

北京地铁蒲黄榆车站管棚试验研究初步成果[ 作者：| 来源：| 时间：2005-11-4 22:15:03 ]摘要：本文主要介绍长管棚试验研究过程及取得的初步成果，试验分三步进行，模拟蒲黄榆车站管棚最不利布置工况，在钻机选型、导向系统、泥浆配制方面取得了适宜车站粘土层及粉细砂层管棚施工工艺参数。

关键词：水平定向钻机导向孔探棒地下定位系统地磁回扩器沉降监测一、概况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；我国在该技术上的开发落后于西方发达国家约20年，近几年在我国非开挖技术取得了长足的进步；非开挖地下管线施工技术目前包括水平定向钻进技术、气动夯管锥技术、气动冲击技术、微型隧道技术等；水平定向钻进技术特点是利用钻杆的柔性在导向系统的监测下沿设计线路轨迹钻进，到达目的地，卸下钻头换上回扩器进行回扩孔拖管。

北京地铁五号线2合同段蒲黄榆车站在世界上首次采用大跨度单拱单柱双层岛式结构，浅埋暗挖施工，最小埋深在5米左右，为确保施工安全，拟采用长大管棚作为超前支护，管棚沿车站拱部环向布置，间距为0.3m，长度146.6m，共103根。

由于施工146m长管棚，间距如此密集在国内外尚属首次，在前期的施工方法讨论中，德国TT专家主张采用从两侧顶管施工，美国威猛专家主张采用水平定向钻机施工；经过多次讨论论证后，决定采用水平定向钻机施工，为取得施工所需参数，进行正式施工前的管棚试验，共分三步进行。

二、试验研究项目（1）适合车站管棚施工的水平定向钻机（2）不同地层中钻进速度及工作效率（3）不同地层中泥浆配置及用量（4）导向仪选择及导向精度控制（5）回扩孔拖管技术（6）地表沉降监测分析（7）管棚注浆三、试验过程分析由于蒲黄榆车站两侧结合部采用中洞法施工，结构瘦小，宽度分三个洞室，每个洞宽3.3m，对钻机工作空间限制较大；试验时结合工作空间选择长度在5m以下，钻杆中心离钻机顶小于0. 8m的钻机，经过比选在试验中选用北京土行孙非开挖公司FW-100及黄海机械厂FDP-15A型水平导向钻机。

试验分三步进行。

㈠、第一次试验首先采用回拖力100KN的钻机做试验，验证钻机工作能力及相应的配置。

1、钻机参数：型号尺寸（长×宽×高）回拖力钻杆配置扭矩FW-100 3.5×1.2×0.8 100KN φ50mm，1m/根3200N.m2、工况布置：本次试验主要验证该钻机工作能力及对工作空间的要求，钻孔布置采用水平钻进，布置一个孔；地层为粉质粘土层。

钻孔布置如下：3、导向系统根据试验场地化工三厂现场建筑物及地下电缆较多的现况，本次试验导向系统采用美国DCI 公司生产的ECLIPSE无线地下定位系统，该系统包括地面接受器及遥显，地面接受器通过接收钻头内无线探棒发射的信号，探测钻头的具体位置，遥显上显示钻头钟面值及温度和接受器探测的钻头深度；钻机操作人员根据接收器探测结果，在导向人员指挥下，对钻头偏离设计轨迹及时进行调整，确保钻头沿设计轨迹钻进。

导向系统工作原理如下：②钻机工作效率第一孔90m,导向孔钻进耗时5小时；回拆钻杆5小时。

结论：本次试验地层为粉质粘土层，有一定的自稳能力，导向孔钻进过程中采用清水钻进；由于本次采用10t钻机作试验，钻杆直径较小（50mm），绕度大，在该类地层钻进时方向纠偏难控制，在钻进过程中地面接收器实测钻头位置偏差较大；且钻进过程中钻机扭矩达10MPa，达到钻机工作极限，结果不理想；需加大钻机本身的工作能力及相应的钻杆配置。

㈡、第二次试验根据第一次试验结果，本次试验采用回拖力15t的钻机进行试验，地层为粉质粘土层。

1、钻机参数：型号尺寸（长×宽×高）最大回拖力钻杆配置扭矩FDP-15A 4.5×1.5×1.5 150KN φ60mm、3m/根4200N.m2、工况布置：模拟车站拱部管棚布置，本次试验布孔6个，间距为50cm，按编号顺序间隔钻进，并进行钢管回拖试验；布置如下：3、泥浆系统本次试验地层为粉质粘土层，具有一定的自稳性，泥浆采用普通膨润土，马氏漏斗粘度在30秒左右，PH值控制在8.5-10，泥浆采用机械搅拌，钻进及回拖过程中为减少泥浆损耗，采用泥浆回收系统，经过处理后循环利用。

4、导向系统本次场地内有电缆，导向系统采用美国DCI公司生产的具有一定抗干扰能力的ECLIPSE无线地下定位系统，探棒为普通探棒，探棒电池采用普通2#电池，每两节电池使用时间为9个小时。

5、试验结果导向孔偏差：结论：本次试验钻机工作空间长、宽控制在5m×2m范围内；地层为粉质粘土层，泥浆采用普通膨润土，粘度在30秒左右，PH值控制在8.5-10，钻进过程中未出现孔壁坍塌箍紧钻杆现象；钻机在工作过程中扭矩和回拖力均能满足要求，导向孔钻进扭矩控制在15MPa以内，④、⑤、⑥号孔每个孔回拖12m钢管，回拖力在150KN内；钻进163m导向孔用时控制在7个小时以内；埋深在5m左右时采用ECLIPSE地下定位系统进行导向，定位系统能较好的探测钻头具体位置，在钻孔间距≥0.5m且操作熟练情况下，精度能控制在20cm之内。

㈢、第三次试验根据第一、二次试验经验，本次进一步模拟车站起拱段管棚布置形式，布孔3个，管棚中心间距为30cm，地层为粉细砂层。

1、工况布置：完全模拟车站管棚布置，地层为粉细砂层，本次试验布孔3个，管棚中心相互间距为30cm，纵向坡度为0.3%，由于间距较密，采取间隔钻进，先钻两侧管棚，再施工中间管棚，并回拖钢管，施工完一根后立即进行管棚注浆试验。

管棚布置图如下：2、泥浆系统本次试验地层为粉细砂层，自稳能力稍差，导向孔钻进及钢管回拖成功与否泥浆起作关键作用，本次泥浆采用易钻膨润土，并在膨润土内掺少量的聚合物（帮手），粘度在40秒左右，PH值控制在8.5-10，泥浆采用机械搅拌，并进行二次回收利用。

3、导向系统本次钻孔线路沿线有电缆、钢筋混凝土基础，对导向系统信号发射有一定干扰；试验采用美国DCI公司生产的ECLIPSE无线地下定位系统，加强型探棒，探棒发射信号强，探测深度为1 9.8m，实际试验过程中探棒发射信号随埋深的增加逐渐减小，加强型探棒电池采用DCI公司生产的专用锂电池。

4、回扩孔拖管本次试验回拖φ114×5mm钢管，每节长6m，接头采用三种方式连接，即外丝、内丝、焊接，回扩器直径159mm。

回拖试验分两种形式，第一孔先进行一次回扩孔再拖钢管，接头采用外丝连接，外丝接头拉拔试验丝口破裂时拉力达150KN，由于外丝接头比钢管大，回拖过程中阻力明显增大，最大时达150KN；第二孔边回扩孔边回拖钢管，回拖过程中阻力比先扩一次孔阻力大，接头采用焊接，每个接头焊接时间约10分钟；第三孔边回扩孔边回拖钢管，接头采用内丝连接，回拖力控制在120KN内。

6、试验结果导向孔偏差本次试验完全模拟车站管棚布置，地层为粉细砂层，与车站土层一致；采用间隔钻进，钻完一个导向孔回拖钢管后及时进行管棚注浆；146m导向孔钻进时间为6.5个小时左右，钻进过程中每钻进一米即进行钻头位置测量，测定前、后点及钻头深度，发现偏位及时纠正，钻进过程中接收器测定钻头偏差最大不超过20cm；回拖146mφ114×5mm钢管时间为8.5个小时，回拖钢管接头采用内丝较理想；管棚注浆采用砂浆泵先灌注纯水泥浆再压注砂浆效果较好，管壁周围充满浆液，有效的填充满钢管与回扩孔之间的间隙，并有部分浆液扩散到周围土体。

㈣、管棚注浆试验1、注浆机选择由于管棚长度较长（146m），钢管与回扩孔之间的间歇较大，必须采用注浆压力大，输送距离长的注浆机；经过对YBE型全液压注浆泵及UB4型砂浆泵和UB8型砂浆泵进行性能比较，其中UB8型砂浆泵最大工作压力能达6MPa，最大排量达8m3/h，最大水平输送距离达250m，在性能上能满足长管棚注浆要求。

2、注浆试验首先采用UB8型砂浆泵在地面进行埋管注浆试验，分四种情况进行埋管注浆试验。

第一次试验：钢管长度为6m，直径114mm，钢管四周钻梅花型孔，孔眼直径10mm，纵向间距600mm，环向布孔三排；钢管埋深600mm，注浆管长度40m；试验采用水泥砂浆，外掺粉煤灰，水泥：粉煤灰：砂=1：0.625：1.5；注浆后从孔眼里扩散部分浆液，最大扩散达10 0mm直径的球型范围，注浆压力达1.5 MPa，钢管四周回填土仅在孔眼周围有浆液扩散，土质有明显改善，但钢管顶部仍有部分空隙未充满浆液。

第二次试验：本次试验钢管长6m，外套PVC管，使钢管悬空，四周均有10mm左右空隙，便于浆液从孔眼往外喷射填充满整个PVC管；钢管梅花布孔，纵向间距改为300mm，环向布孔三排；试验浆液为砂浆，水泥：粉煤灰：特细砂=1：0.5：0.5；注浆后浆液扩散到PVC管内，但PVC管顶部仍有3cm高的空隙，钢管内顶部也有2cm高度的空隙，效果一般。

第三次试验：根据前两次试验，本次采用12m钢管，梅花型布孔，其中一段采用PVC管包裹，其余采用回填土回填碾压密实；浆液采用纯水泥浆，浆液中增加外加剂（微膨胀剂），注浆分两次进行，待浆液初凝后及时进行二次浆液压注，注浆压力1.5MPa。

本次试验效果明显增强，其中PVC管内充满浆液，回填土部分浆液扩散最大半径为80mm。

管棚内钢管注浆试验：第一根钢管长146m，注浆分次进行，先灌注纯水泥浆，待浆液充满整个钢管并从通气孔内往外喷射浆液为止，停止一段时间后再灌注水泥砂浆，水泥：砂=1：0. 2，浆液较稠；第二根钢管长146m，采用水泥砂浆一次性灌注，由于砂浆稠度大，灌注效果较差，钢管尾部仅出现少量浆液，浆液未充满钢管；第三根钢管长146m ,分两次灌注，第一次采用纯水泥浆，外加微膨胀剂及增加流动性和和易性的外加剂，注浆压力达2MPa，浆液扩散到钢管四周空隙，待第一次浆液初凝后采用纯水泥浆进行二次浆液灌注；挖孔分析第三种注浆效果好，浆液扩散到钢管四周，填满管壁四周空隙，钢管内仅有2cm左右的空隙，水泥浆液强度在10MPa以上。

四、试验初步成果试验过程中采用两种机型，三种工况，模拟蒲黄榆车站管棚布置最不利段进行试验；在钻机选型、工作效率、导向系统选择及精度控制、泥浆配置、回扩孔拖管等方面取得初步成果。

1、钻机选型根据蒲黄榆车站风道与车站结合部空间限制，钻机本身长度在5m以下，钻杆中心到钻机最顶缘距离在0.6m以内，钻杆中心到两侧宽度控制在1.5m以内；根据试验施作146m长管棚回拖φ114mm钢管，选择国产回拖力150KN钻机较合适，钻机长度控制在5m内，宽度控制在2 m内。

2、工作效率根据试验，采用回拖力150KN钻机，施做146m长φ80mm导向孔，使用ECLIPSE无线地下定位系统导向时，需6小时30分钟左右，即每小时钻进22.5m；回拖φ114mm钢管，采用外丝连接时，一次性边回扩孔边回拖，需8个小时零10分钟左右，当接头采用焊接时时间更长。