中铁十局集团第七工程有限公司 陕西西安 710065
摘要：结合西安市地铁临潼线（9号线）一期工程TJSG10标地铁车站120米超长大管棚施工实践，分析、总结超长大管棚施工控制关键技术，对类似浅埋、松散杂填土土层、砂层等不良地质隧道施工具有很好的推广应用前景。
关键词：浅埋；暗挖；超长；大管棚施工
引言：
随着社会迅速发展，各大城市都准备修建地铁，在建筑物林立的城市市区进行地铁开挖也将越来越多，为保证地表建筑物安全使用，因此大管棚施工越来越重要，而大管棚打孔与埋管分步进行施工速度慢，影响工期，容易造成塌孔，成孔精度低等问题一直是困扰管棚施工的一大难题，针对这一难题，大管棚施工提升施工效率已成为一种趋势。
1.工程概况
西安地铁秦汉大道～终点区间矿山法隧道设计里程Y（Z）DK25+140.7～Y（Z）DK25+314.5，左右线全长均为173.8m。隧道围岩分级为Ⅵ级。右线区间覆土约5.12m～9.44m，区间覆土约12.2m～17.9m。区间隧道主要穿越土层3-2古土壤。隧道洞身主要穿越的3-2古土壤为针状孔隙发育，具团粒结构，含大量钙质网膜、蜗牛碎壳、云母片、钙质结核等，核径一般0.5～2cm，局部地段富集成层，IL=0.27，不具湿陷性，属偏低的中压缩性土。
2.总体施工方案
采用导向跟管钻进法施工，形成泥浆护壁将管棚一次打入，钻头采用楔子板导向钻头，在钻头内安装有线导向仪控制棒，配合导向仪进行钻孔精度控制。施工时将管棚钢管加工成钻杆，钢管之间采用丝扣连接，连接处进行满焊，通过水平钻机直接钻入地层，成孔与管棚埋设一次完成。通过管棚注浆，使拱部开挖线外周边围岩预先形成加固的保护环，利用保护环创造理想的开挖条件；利用连续管棚杆体在未开挖岩体中支护形成托梁整体，减少围岩传递给初支的荷载；利用连续大管棚支护、径向锚杆注浆等联合支护作用下将开挖破坏后围岩主要压力转移至周边注浆加固围岩，使隧道支护本身承受极少部分围岩压力，充分发挥支护与围岩本身共同作用进行支护来维持支护的稳定，有效保证掘进施工和初期支护的安全。
3.长大管棚施工关键技术
3.1施工工艺流程
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管棚导向跟管钻进法工艺流程图
3.2主要工艺操作要点
（1）测量定位
测量组根据设计图纸，现场实地放样出每根管棚的具体位置，采用水泥钉作准确标记，并用醒目的油漆对孔口位置作明显标识，对管棚位置进行编号。
（2）搭设作业平台
钻机平台用I20a的工字钢搭设，顶部满铺厚度为8cm×8cm方木条。立柱间距为1.5m×1.5m，立柱顶部横梁间距为1.5m，纵梁间距为1.5m，工字钢节点连接采用2块0.36m×0.22m×0.01m钢板配合4个M20mm长70mm螺栓连接，钢板与工字钢焊接连接。
（3）管棚开孔
施工前测量人员对已放样管棚位置点进行复测，误差超限者应进行调整。开孔定位，调试角度必须由专人负责，并且做好复检，确保无误。管棚开孔采用地质水钻进行对封闭掌子面慢速开孔，钻深20cm后转入正常钻速；高压水通过泥浆泵泵入至钻机动力头从钻头处射出高压水，冲击土层；在钻机的钻动下，钻头不断切割土体被切割成粉末状土体与钻头处的高压水通过钻机动力不断搅拌，一部分形成泥浆护壁，防止孔壁坍塌，减少地表不均匀沉降，最终实现管棚均匀荷载的目的；另一部分泥浆通过高压水连续不断的补充与稀释，从孔口处流出，返回沉淀池沉淀回收重复利用。钻进1.5m后卸下钻具安装管棚钢管进行钻进。
（5）管棚加工
采用台式多用钻床对φ108×8mm的管棚进行加工，根据长管棚的长度，考虑相邻钢管接头必须错开以及受现场施工条件限制的因素，奇数孔第一根下管长度3m，中间节6m，最后一根下管长度3m，偶数孔最全为6m。丝扣长度为150mm，丝扣为2mm的螺旋方丝，钢管一端为内丝，另一端为外丝，丝扣加工端正，不得偏位。
（6）钻机就位钻机定位
钻机要求与已设定好的放样点重合，必须精确核定钻机位置。用水准、挂线、钻杆导向相结合的方法，反复调整，确保钻机钻杆轴线与管棚轴线相吻合。钻机安置的位置距离工作面不小于1m为宜。钻机安置后，根据钻孔要求进行严格定位定向，把钻杆的平行线延伸固定下来，以达到钻机钻进的导向作用。
（7）钻孔
1）钻机调试完成后，安装钻具进行定位、开孔，开孔完成后安装管棚钢管及有线导向仪器进行钻进，精确测定孔的平面位置、方向和外插角，采用水平尺和导向仪互检办法精确施工角度，并对每个孔进行编号，未防止钻孔过程中相邻孔位坍塌，每次应间隔至少一个孔位施工。
2）钻孔时直接用φ108mm，壁厚8mm棚管钢管做钻杆，形成满眼钻进，有效地约束钻头。钢管前端安装φ150mm楔子板合金钻头，钻头前端有两个直径约6mm的小孔。泥浆泵将冲洗液先注满棚管，然后冲洗液通过小孔高压喷射出去，对土体进行切割破除，钻头楔形板旋转顶进过程中同时对土体进行修复性切割，形成泥浆护壁，使土体形成略大于管径的孔，原地层渣土通过与冲洗液的搅拌形成泥浆，泥浆从管壁与土体之间的间隙中外流，直至流到孔口。如此循环棚管不断前进。钻孔时由底至高，隔孔施钻。起钻时，钻机保持低速低压，待入孔2.0m后，适当加压。
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导向楔形板钻头
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管棚钻进原理图
3）在钻进过程中跟管随钻头进行跟进，采用φ108壁厚8mm分节式无缝钢管，采用螺纹套丝连接，并且接缝进行满焊，丝扣螺纹段长度150mm。在钻进过程中禁止钻杆回旋，防止钻头、钻杆脱节，造成掉钻现象。
4）为防止地下水土流失，控制沉降。在管棚施工时采用中小水量、低转速、中低压力、快速给进的钻孔原则。钻进时泵压控制在0.4～0.8MPa，泵量为20-50L/min为宜，保持中低压力，匀速中速钻进。并在管棚开孔后在孔口安装孔口回水阀，控制水压，确保钻孔时孔内回水量小于等于进水量，以平衡孔内压力。
5）角度控制：每跟进一节管棚，必须使用导向仪器进行施工角度检查，如果发现偏转，立即采用楔形钻头进行角度纠正。
6）认真作好钻进过程的原始记录，及时对土体进行地质判断、描述，作为洞身开挖时的地质预测预报的参考资料，指导洞身开挖。
（8）导向及精度控制
1）导向控制：在钻头部位安装有线导向仪信号棒，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PLD显示屏连接。当钻机匀速旋转钻进时，钻杆轨迹基本是平直的。利用显示屏反馈的信息来控制导向钻头在施工过程中的方位。
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导向纠偏系统原理图
2）精度控制：为确保管棚打设精度，采用有线导向仪（导向仪系统包括接收仪、探棒为有线连接）控制钻杆的水平精度，用楔掌斜板导向钻头调整管棚管进行打设。为保证安全、准确、高效进行施工，探棒安装在导向钻头后部200mm处。
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导向钻头示意图
在钻进过程中能准确测定钻头在地下的位置和方向。根据钻头在钻进过程中的位置和方向同设计轨迹的差异，利用随时可调节方向的钻头（一般为楔型钻头）改变钻头的钻进方向，从而按设计要求完成管棚的打设。
探棒内装有特制的传感器，传感器直接由15V直流供电。显示屏显示钻头的倾角（水平角度）、面向角（导向板的方向：导向板朝上即为12点，如同钟面）。
打设角度如果偏下，可以把钻头调整到12点，即导向板朝上，直接顶进，此时由于导向板底板斜面面积大。受到一个向上的力，钻头轨迹就会朝上运动。同时在6点纠偏可以使钻头轨迹朝下，9点、3点分别是为左、右纠偏方向。如果角度合适，钻机会匀速旋转钻进，此时钻杆轨迹一般是平直的。终孔偏差可以控制在5‰以内。
3）纠偏控制：显示屏可实时显示钻头部位的仰俯角度和楔形板的朝向。正常打设管棚过程中，棚管一边旋转一边前进，如果钻头处角度低于设计轨迹角度，则将楔形板旋转至正上方，此时停止旋转、直接顶进，钻头楔形板通过土层的反作用力产生向上前进的趋势，此时角度会逐渐上升，达到往上纠偏的效果，角度达到设计规定后再继续旋转前进。同样道理，上、下、左、右各个方向均可以进行纠偏。
（9）注浆
1）注浆参数
注浆浆液采用水泥浆，注浆参数：水泥浆水灰比1：1，注浆压力0.5～0.8MPa，施工中应根据实际地质情况，在满足设计要求的情况下，对注浆参数进行适当的调整。
2）注浆顺序
管棚注浆遵循“先两侧后中间、由稀到浓”的原则。注浆施工由两端开始施工，向隧道拱顶方向推进，开始时的注浆的浆液浓度要低一点，逐渐加浓至设计浓度。
3）管棚注浆
注浆应严格按照设计压力进行，压力控制在0.5～0.8 MPa，注浆前先检查管路畅通和机械运转状况，注浆前对掌子面进行封闭，确保注浆过程不漏浆，注浆要填充满钢管及周围的间隙，注浆量必须满足设计要求。注浆顺序为先低孔后高孔，先注无水孔后注有水孔，从两拱脚向拱顶对称进行。
每根管棚打设完毕及时注浆，浆液通过注浆泵、注浆管、将水泥浆压入管棚内，管棚浆液注满后水泥浆通过钻头流出，再经过环状间隙返回，从孔口处流出。
注浆时应连续注浆，孔口出水泥浆后，封住孔口，然后再加注1-3次，浓浆流出为准，保证间隙充填饱满；可根据孔内情况，为保证注浆质量，应一边注浆一边放气，以保证管外“环状间隙”注浆饱满；通过前期1-3根管棚注浆量取平均值，计算后期每一根管棚的注浆量，注浆时不得小于计算的注浆量。
4.结束语
西安市地铁临潼线（9号线）一期工程TJSG10标采用长大管棚施工技术，避免了施工震动，对地层适应性强，解决了先钻孔再顶管的二次施工，使大管棚钻进、铺设一次成型，提高了施工效率，缩短了工期，对开挖前方岩体形成支护，对隧道掘进施工形成有效防护，保证掘进施工的安全，为类似工程的施工提供可靠的决策依据和技术指标，创造了很好的社会效益。
参考文献：
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