隧道大管棚水平导向跟管钻进法

隧道长大管棚水平导向跟管钻进法施工工艺
曾厚丰
（中铁二十一局三公司思剑高速第五合同段）
摘要：省思南至剑河高速公路第五合同段观音岩隧道右线剑河端存在淤泥、富水地层等软弱地质，采用水平导向跟管钻进法施工40m长的大管棚，成功解决了淤泥地质不易成孔的难题，很好控制地表沉降，确保了隧道开挖的安全进洞。

本文重点介绍水平导向跟管钻进法施工工艺。

关键词：淤泥地质长大管棚水平导向跟管钻进法
一、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。

在隧道洞口段，一般采用大管棚施工，如果洞口地质为软弱破碎岩体、流塑状粘土、岩溶充填流泥或流沙等不良地质地段，由于围岩自稳能力极差，采用普通的潜孔钻冲击成孔送管法施工时出现涌水导致孔壁坍塌，钻进时容易坍塌，甚至突水涌泥，给施工带来极大的困难，使工程耗资大，施工时间长，管棚施工质量无法达到设计要求。

省思南至剑河高速公路第五合同段观音岩隧道左线剑河端施工中遇到流塑状粘土，并与地下水、地表水贯通，多次发生突水涌泥。

在严重困难、施工受阻的情况下，经分析对比，决定采用水平导向跟管钻进法施工，使隧道管棚成功解决流泥地质不易成孔的问题。

二、工艺特点
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100m；
4、成本低、效率高由于限定了水泥浆注入围，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。

三、适用围
管棚水平导向跟管钻进施工工艺适用于围岩自稳能力极差(发育的石灰岩溶带、软弱流泥富水地层、软弱破碎松散岩体)的各种类型的山岭隧道和地下工程。

四、 水平导向跟管钻进施工工艺
4.1 导向跟管钻进原理
导向跟管钻进是借鉴水平定向钻进技术发展而来。

水平定向钻进是非开挖管线施工的一种方法，要旨在：钻进过程中能准确测定钻头在地下的位置和方向，据此确定钻进轨迹同设计轨迹的差异，利用能进行方向涮节的导向钻头(一般软土层中用楔型钻头)改变钻进方位，从而按设计轨迹钻通铺管孔道，其后再经扩孔、拉管等工序，完成地下管线的铺设。

导向钻头构造示意图如图1所示如下：
图1 导向跟管钻进原理图
导向钻头装有特制的定位传感器，传感器通过信号线穿过钻杆连接孔外的显示器。

显示器显示导向钻头的倾角和面向角(显示器上有一角度指示钟，导向板斜面朝下时为12点)。

导向钻头钻进角度如果偏下，可以把导向钻头调到12点，即导向板斜面朝下，直接顶进，此时由于导向板底板斜面面积大，受到一个向上的托力，导向钻头轨迹就会朝上运移。

同理，在6点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，导向钻头的钻进轨迹是平直的。

4.2 施工方法
管棚施工中，用棚管代替钻杆，其最前端加装如上所述的导向钻头，后续棚管之间采用丝扣进行连接，利用水平定向钻机将棚管依次打人土体中。

在钻进过程中，依据导向钻头置的定位传感器传出的角度信号，对钻进角度进行调节，使棚管按设计轨迹钻进。

当棚管打进至设计深度后，撤回定位传感器，随后立即向管注浆。

同传统大管棚施工方法相比，导向跟管钻进方法有如下优点：
(1)能有效控制棚管打设方向，精度高；
(2)管棚施作距离长，工效高，一次性施作可超过100m ；
(3)将钢管作钻杆直接打入，不扩大孔位，注浆后地面沉降接近零；
(4)孔底注浆，孔口返浆，必要时封口注浆，可硬化管外土体；
发光体装置信号线
钢丝绳支撑水眼
导向装置
(5)能按特殊要求的轨迹钻进，在隧道打设管棚无需预设管棚工作室。

五、施工实例
5.1工程概况
省思南至剑河高速公路第五合同段观音岩隧道右线剑河端设计采用长40m管径为Φ108*8mm，间距为400mm的大管棚。

该洞口开挖边仰坡后，发现存在淤泥等软弱地质。

在大管棚施工时，采用普通的潜孔钻冲击冲孔送管法时出现涌水导致孔壁坍塌，无法保证管棚质量达到设计要求，采取水平导向跟管钻进法施工40m长的大管棚，成功控制地表沉降，确保了隧道开挖的安全进洞。

经后期隧道开挖显示，管棚施工质量合格。

本文重点介绍水平跟管钻进法施工工艺。

5.2工艺流程
5.3 施工机具设备及方法
5.3.1 施工准备
(1)管棚制作：大管棚采用6～9m的管节，钢管上钻中15mm孔，间距为300mm，呈梅花形布置。

(2)移动钻机至钻孔部位，调整钻机高度，将钻具放入导向管中，使导向管、钻机立轴和钻杆在一条直线上，并用悬吊式量角器量测这一条直线的角度，使管棚的外插角等符合设计要求。

5.3.2 钻孔
跟管钻进采用单动双管回转钻进工艺，具体施工钻具：外管由注浆套管与主动钻杆组合，管由小钻头与主动钻杆共同组合而成。

钻进过程碴土由外管环空问隙通过复合接头处排除，当钻进进尺缓慢，套管充填碴土较多排除不完全时，用管钻具回转钻进排除套管的碴土，完毕后接上外管钻具重新回转钻进，注浆套管用电焊机焊接牢靠，防止因钻具扭矩过大丝扣产生滑丝而脱扣现象，导致后续套管再无法接上。

如此循环钻进直至注浆套管下至设计深度，退出管钻具即可。

5.3.3 孔口密封
(1)用带连接注浆管的钢板与管棚钢管焊接牢固(注浆连接管可采用阀接式；亦可采用插接绑扎式，但绑扎必须牢固，以防注浆压力较大时崩脱)。

(2)将管棚钢管与钻孔环形空间用于硬砼料封堵密实，封堵环形空间前必须用压力风将孔口部位砼墙面上的泥土及浮尘清理干净。

5.3.4 注浆
(1)由于采用间隔施工大管棚，为了避免先期注浆结石影响后期成孔(主要是渗入地层中的水泥结石极易造成钻孔偏斜，诱发孔事故)，大管棚第一次注浆压力不宜过大，待周围管棚施工完成后加大注浆压力再次注浆。

(2)为了确保注浆质量，再次应向孔压注水泥浆
注浆压力控制在0.2～0.4MPa，注浆量控制在1.5～2.0倍理论裸孔容积，然后向孔压注水灰比0.6的水泥浆，当压力达到0．6MPa并稳定后停止注浆。

5.4 施工效果及评价
为了检查管棚支护技术的施工效果，保证隧道施工安全，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。

检查孔沿隧道掘进方向自中部向上左右两帮各施工一个。

从取心钻探结果看，取出的岩芯如实反映了各土层的加同情况，水泥浆液扩散凝固效果较好，钻孔在取芯检查深度围出水甚微，满足预期设计要求。

隧道施工后地表沉降较小，拱顶沉降较小，都在允许围之。

渗漏水不明显。

管棚排列较整齐，施工精度较高。

六、结论
实践证明，导向跟管钻进技术对打设大管棚是有效的，但具体施工工艺仍需进一步完善。

今后要重点在以下几个方面做改进工作：
(1)定量计算，确定各种具体条件下的大管棚设计参数，如管径、间距、长度、注浆量和压力等；
(2)加强数控导向管棚钻机的研制，以提高工效；
(3)土质为可塑状态时，可以试用无缝钢管代替直缝焊管，壁厚也可适当减小，材料成本可降低，且仍能满足管棚设计强度要求。

(4)不能将管棚施工单纯地看作一种隧道施工的超前支护手段，而应作为超前支护、超前探测和施工监测的综合手段，形成新的管棚设汁与施工理念。

参考文献：铁道部第二工程局.铁路工程施工技术手册·隧道.;中国铁道.1995。