摘要：以京沈客专高丽营隧道工程下穿超高压燃（油）管道段为工程背景，针对浅埋软弱地层中超长管幕的工艺工法进行了具体研究，提出了“无线导向、前拉后顶挤扩孔拉管”的超长管幕施工方法并进行了工程应用。该方法由定向钻孔设备在无线导向仪的指引下，钻设形成小孔径定位引孔，通过回扩头对定位引孔进行多次扩径，直至预定孔径。实践证明，该方法克服了螺旋出土顶进法施工易产生管幕偏离、旋转的技术难题，同时也具有很好的地层变形控制能力，能够满足设计要求，可为类似工程参考。
关键词：超长管幕；前拉后顶；挤扩法；无线导向
1 工程概况、
1.1 概述
新建北京至沈阳客专高丽营隧道地处北京市顺义、昌平郊区平原，起止里程DK33+310～DK34+510，全长1200m，暗挖段430m，共设计1号和2号两个竖井；其中从2号竖井端DK34+079～DK34+160段存在多条下穿管线：1根通信光缆、1根Φ300mm石油管道、2根Φ1000mm超高压燃气管线以及1根Φ500mm超高压燃气管线。该段隧道地面覆土5.0~7.2m，穿越地层粘土Ⅵ级围岩，超高压天然气管道和石油管道管距隧道开挖轮廓线仅3.9~5.2m，设计采用超前管幕+格栅钢架支护结构和双侧壁导坑施工方法。
1.2 超前管幕设计及控制要求
DK34+079～DK34+160段超前管幕为Φ299×12mm钢管，环向间距400mm，共55根，钢管间采用外接式锁扣进行连接，锁扣材料为80×50×8mm角钢。管幕水平方向采用直线打设，竖直面上分别沿线路坡度打设，即DK34+079～DK34+160段设计为10.9‰的上坡，长81m。为了提高管幕的抗弯能力，钢管打设完毕后采用水泥砂浆或水泥净浆封孔注浆。
2 超长管幕施工方法选择背景
高丽营隧道2号竖井DK34+079～DK34+160段超长管幕施工过程中，由于管幕较长、施工技术难度大、控制要求较高等因素，实施过程中根据对成孔质量、成孔速度、沉降监测等方面的综合比较以及对工艺的不断优化；通过比选，最终确定了“无线导向、前拉后顶挤扩孔拉管”施工方法。
该施工方法工作原理为：先采用Φ89mm专用地质钻杆从2号竖井段向出口明挖段利用无线导向进行引孔，引孔出洞后在钻杆尾端安装φ400mm圆锥形扩孔钻头（设计要求扩孔器直径为管幕钢管直径的1.0～1.5倍），然后在其后端安装分动器，再连接管幕钢管，最后通过钻机的钻杆高速旋转回拉和挤扩孔，将同步安装的管幕钢管回拉到位。
3 “无线导向、前拉后顶挤扩孔拉管”超长管幕施工方法
“无线导向、前拉后顶挤扩孔拉管”超长管幕关键施工步骤如图1，施工工艺流程如图2，
图1 “无线导向，前拉后顶挤扩孔拉管法”超前管幕施工步骤
结合依托工程，具体可描述为：先采用Φ89mm地质钻杆从出口明挖段DK34+160处向2号竖井段进行导向引孔，引孔出洞后将比管幕钢管直径稍大的锥形扩孔钻头（φ320mm）连接到地质钻杆尾端上，扩孔钻头通过分动器和自制连接器连接管幕钢管，采用前拉后顶的方式将管幕钢管由2号竖井拉至出口明挖段处，引孔过程中采用无线导向技术导向。
4 “无线导向、前拉后顶挤扩孔拉管法”超长管幕施工过程
4.1 引孔
4.1.1冲洗液制备与循环
冲洗液采用高效膨润土及外掺剂配制而成，钻进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。为防止地面沉降，严格控制出泥量，同时通过回水阀门与泵压的有效控制，始终保持回浆量小于进浆量。
4.1.2 引孔钻进
引孔采用“无线导向、一次性跟管钻进”施工工艺。为尽量减少长距离钻进过程中钻杆下挠，优选了GP40钻机和Φ89mm地质钻杆；在导向引孔过程中，利用无线导向技术和斜板式钻头（如图3），实时对钻杆的钻进轨迹进行及时纠偏。钻杆前端安装的斜板式钻头设计了两个直径约6mm的小孔，泥浆泵将冲洗液先注满棚管，然后冲洗液通过两个小孔高压喷射出去，对土体进行切割破除，钻头旋转顶进过程中同时对土体进行修复性切割，使土体形成略大于管径的孔（其钻孔直径大于钻杆外径值应控制在20～30mm以内，尽量减少因钻孔纠偏所造成的扩孔值），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，钻杆不断前进。
4.1.3 导向、纠偏控制
引孔的精度是决定管幕施工成败的关键因素。为实时得到引孔钻头的位置和方向，在引孔钻头部位安装无线导向信号棒，根据钻进过程中钻头的位置、方向与设计轨迹的差异，利用能进行调节方向的斜板式钻头改变钻进方向，实现导向纠偏和控制。其原理为：通过无线导向仪实时捕捉钻头部位的仰俯角度和斜板的朝向，当钻头处角度低于设计轨迹角度，则将斜板面旋转至正上方，通过土层的反作用力产生向上前进的趋势，钻进角度逐渐上升，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。同理，上、下、左、右各个方向均可以进行纠偏。钻进过程中通过无线导向仪对钻头倾角进行控制，倾角偏差控制在±0.3%以内，一般测试频率为每米或每节钻杆一次。
4.2 前拉后顶挤扩孔拉管施工
引孔完成后，即可进行回拖挤扩孔施工。在2号竖井内拆除钻头，并在钻杆尾端先后安装圆锥形扩孔钻头（见图4）和分动器，在分动器后端安装连接管幕钢管连接器（见图5），安装完成后，利用工作井和接受井中的钻机分别同步进行前拉后顶挤扩孔拉管施工。为控制沉降量、减少对地层的扰动，管幕钢管采用同步液压缓慢回拉、顶进的方式进行，扩孔器直径320mm，略大于管幕钢管。管幕钢管施工过程中顶、拉压力值控制在20MPa左右，管幕钢管回拉安装完成时间约24～36h，前拉后顶挤扩孔拉管施工时的钻具组合如图6所示。
图6 扩孔时的钻具组合示意图
4.3 配管及管幕钢管连接
（1）配管。各孔位以3m节的钢管为标准施工管，前端钻头配1m、1.5m或2m的调整管节，将相邻孔位的接缝错开，最后一节管根据设计长度进行加工，如此则可满足每个断面管口接缝小于整体管幕的50%。
（2）管幕钢管连接。采用坡口焊接，并采用小片的6mm厚钢板在接头处焊接加固，锁口位置要定位准确，焊接质量要满足要求。
4.4 注浆
（1）安装好管幕后，将验收合格后，即对管内和管外进行注浆。浆液由ZJ-400高速制浆机拌制。
（2）注浆材料：注浆材料为1:1水泥浆。
（3）注浆主要对管内及管外环状间隙进行充填，封孔注水泥砂浆从孔口开始，浆液通过管幕，充填钢管。管外采用1:1水泥浆从管头钢管外环状间隙处安装注浆管和排气孔，管内从管头钢管低处安装注浆管和高处安装排气孔，当排气孔流出浆液后，关闭排气孔，继续灌注浆，使浆液充满钢管及周围空隙。注浆压力控制在0.3～1.0MPa，根据单孔孔内情况灵活控制泵压，当排气孔流出浆液后，关闭排气孔,续灌注浆,孔内压力保持在0.2～0.5MPa范围内，稳定3～5分钟后停止注浆；第一次注浆结束后，在停留6～7h后进行二次补浆，二次补浆压力控制在0.5～0.8MPa。注浆要有保压措施，环状间隙保压靠单向阀与关闭回水阀门及孔口密封；幕管内保压靠单向阀与孔口密封装置。
5 监控量测
5.1 测点布设
超前管幕施工过程中，主要对地表沉降以及管线变形进行监测。实际施工过程中，地表沉降观测点每条燃气管线左右侧附近布设18个，管道正上方布设2个，共设3个断面；管线变形测点参照相关规范采用直接测量的方法进行，测点布置和埋设方式如图7。
实施过程中，采用双控指标，即实测绝对值和速率值。设F=实测值/控制标准值，同时满足沉降速率小于3mm/d。
6 结语
高丽营隧道采用“无线导向、前拉后顶挤扩孔拉管法”完成了拱顶部分81m长φ299×12mm的管幕，管幕打设偏斜误差≦100mm；对已完成管幕区域内的管线监测的累计最大沉降量为3mm，管线每延米差异最大沉降值为0.5mm/m＜3 mm/m（要求值），满足要求。
实践表明，“无线导向、前拉后顶挤扩孔拉管”超长管幕施工法成功克服了螺旋出土顶进法施工超前管幕时产生旋转力量将管幕钢管带偏的难题，同时也具有很好的地层变形控制能力，非常适合车站等一些特大断面隧道、重要下穿工程或超浅覆盖、对地面沉降要求较高而水文地质情况特别复杂的地下空间的超前支护。
参考文献：
[1]曾润忠 著.《下穿铁路的浅埋隧道长距离管幕施工》南昌 铁道建筑2009年 第9期
[2]颜振聪 著《下穿铁路隧道长大管幕施工精度控制技术》福建建筑 2010年 第2期
[3]中铁二局集团有限公司 主编.《高速铁路隧道工程施工技术规程（Q/CR9604-2015）》.北京 中国铁道出版社 2015
论文作者:彭龙,于光远,卞桂荣
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第29期
论文发表时间:2018/3/1
标签：导向论文; 钢管论文; 钻杆论文; 钻头论文; 竖井论文; 过程中论文; 隧道论文; 《建筑学研究前沿》2017年第29期论文;