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1、水平定向钻+夯管锤施工大管棚工法工法编号：GZSJGF 07-04-15中铁隧道集团有限公司北京分公司 葛亮、刘继强、林少杰一、前言大管棚超前支护是在软弱地层进行浅埋暗挖隧道施工常用的一种预支护形式。传统的大管棚施工方法一般为地质钻机钻进成孔或洛阳铲人工打设成孔，施工工艺较为落后，成孔方向精度差，侵占隧道净空现象屡有出现，且打设长度有限，没有护壁措施，严重影响管棚安装质量，引起地表较大沉降。中铁隧道集团有限公司在北京地铁五号线 06 标段东单车站大管棚支护和北京地铁十号线0 标段黄庄站大管棚支护工程中，采用水平定向钻机成孔+夯管锤夯进技术，成功施作了大管棚，保证了管棚的设计长度和设计精度，管棚
2、施工引起的沉降很小，获得了较好的技术效果，取得了一定的社会效益。本工法在两工程大管棚施工技术的研究总结中形成。二、工法特点（一）施工精度高水平定向钻机采用无线导向系统，可确保管棚导向孔的成孔误差在100mm 以内。夯管锤安装管棚时，管棚通过与导向孔方向一致的导轨进行安装，使管棚的安装精度误差可控制在100mm 以内。（二）地表沉降控制好施作导向孔时，全程采用泥浆护壁，可以保证施工过程中不塌孔并减少土层流失；夯管锤施工时，钢管沿导向孔夯入，其直径大于导向孔的直径，且管棚钢管前端为圆锥形并封闭，夯管时土体沿导向孔周边向外挤压密实，加速管棚周围的土层固结并补偿部分土层损失，使施工过程中地表沉降很小。
3、（三）施作长、大管棚潜力大采用夯管锤安装管棚，能有效提高管棚的作业长度和管径。目前的施工经验已可施作 50m 的长管棚，最大管径可达 377mm。根据工程的实际情况及地质条件，采取此工法施工管棚的长度和管径还有很大的上升空间。（四）机械性能好、施工速度快水平定向钻机和夯管锤这两种设备体积较小，就位、移动方便，机械性能好，施工速度较快。三、适用范围（一）各种软弱土层，以及含卵石的最大粒径1/3 管径的地层；（二）在地下水位以上的地层或地下水含量较低的地层。（三）单根管棚长度在 50m 以内、管径小于 400mm 的长大管棚。四、工艺原理运用水平定向钻机施作导向孔、再用夯管锤安装管棚，从而使施作完
4、成的管棚精度、质量达到更佳效果。（一）导向孔钻进施工原理在软质的土层中，导向钻进使用射流辅助切削钻头，钻头底唇面是一个斜面，用以控制钻进方向。当钻头连续回转时钻进直孔，而保持钻头不回转加压钻进时，则钻孔偏斜钻进。在钻具内或在紧接其后部位安装有电子信号探头（发射器） ，用于测量孔底钻具的位置信息，并将信息通过编码后以电磁信号发射给跟踪接收器。钻进过程中，探头（发射器）发射的信号到地表后，由导向人员手持的接收器接收。操作人员根据这些数据及其处理这些数据得到的图表，采取适当的技术措施调整孔内控制钻进方向的斜面板，从而控制钻孔的轨迹，达到设计的方向、深度和其他要求。（二）管棚夯进施工原理夯管锤为一个低
5、频、大冲击力的气动冲击器，由压缩空气驱动。在夯管施工过程中，夯管锤产生较大的冲击力，直接作用在钢管的后端，通过管体传递到前端头切削土体，并克服土层与管体之间的摩擦力使钢管不断进入土层。五、施工工艺（一）施工工艺流程水平定向钻机成孔+夯管锤夯进施工工艺流程见图 1。（二）施工方法及主要技术措施1、总体施工顺序先沿管棚设计线路（中线、标高）位置对设备进行定位，再用水平钻机按设计线路施作导向孔，完成导向孔后随即用夯管锤进行管棚安装。2、水平定向钻机成孔施工（1）工作场地整理完成后，按照设计顺序准确安装水平定向钻机。在安装牢固，管路连接准确无误后进行操作；（2）配置泥浆，准备钻进施工；（3）严格按使用
6、技术规程使用导向仪器，先细心调试，直到精度测量误差小于 10cm 为止； （4）在每一根钻杆钻进过程中严格控制钻进参数，导向员导向过程中要及时与司钻人员联系沟通，确保钻孔施工准确无误，使成孔位置精确。图 1 水平定向钻机成孔夯管锤夯进施工工艺流程图施工准备仪器调试导向孔成孔 泥浆制作、钻进监测夯管锤就位验收设备撤场管内注浆填充空压机调试钢管满焊连接设备安装夯进钢管（5）在地表布设地面沉降点，严格按测量技术规范要求进行监测，准确测量各项参数，随时准确掌握地面沉降情况；（6）钻机钻进时采用“快旋慢推”和全程泥浆护壁法，从工艺上保证导向孔的成孔质量；（7）如管棚间距较小时，采用间隔钻进法进行施作，以
7、减少施工对土壤扰动的影响，起到更好的地表沉降控制作用。（8）钻进到设计深度后，逐节快速撤出钻杆。（9）导向孔大小根据管棚直径、地层情况合理选择，如果管棚直径较大，还需要对导向孔进行扩孔施工，扩孔施工与导向孔施工方法相同。（10）水平定向钻机钻进施工示意图见图 2。图 2 水平定向钻机钻进施工示意图3、导向孔控制（1）精度控制：利用钻机钻头上安装的电子信号探头（发射器）发出信号，在地面上采用手持式跟踪接收器进行跟踪，反馈钻头所处的准确位置，并及时对孔位进行纠正。（2）成孔效果控制：在确保导向孔的成孔精度后，还必须保证成孔效果，需一直维持孔壁的稳定到管棚安装成功。孔壁稳定性的好坏将对后续的管棚安装
8、精度起到关键作用。钻孔护壁采用膨润土调配成的泥浆，在导向孔钻进过程中作为钻进液进行护壁，同时起到携带钻屑、冷却钻头、喷射钻进等功能。另外，导向孔内的钻进液还有悬浮和润滑作用，利于管棚的安装。4、管棚安装导向孔施作完毕后，采用小口径夯管锤进行管棚安装施工。根据夯管锤施工原理，夯管的施工精度控制主要是在导轨及夯击频率上，其次取决于施工地段的地质条件。而采用钻进液导向钻进先施工管棚的导向孔，在很大程度上减小了地质条件对夯管施工精度的影响。因此，管棚安装时，根据施工现场的实际情况，尽可能选用长导轨。根据工作室大小，尽可能采用较长管节，以提高整体管棚的施工精度；夯管锤夯击频率控制是在每根管棚施作前 6m
9、 内采用低频进行夯进，完成前 6m 后采用标准夯击频率进行夯进。另外，为利于管棚前进和后续管内注浆，将管棚前端加工成锥形并焊接封闭。钢管接长管时，将接口焊接圆顺、平整、牢固。5、夯管锤夯进施工（1）导向孔成孔后，快速进行水平定向钻机移位、导轨安设和夯管锤就位等工作。做到导轨与导向孔方向一致，位置准确牢固，夯管锤与管棚安装牢固，对位准确，管路连接准确无误。（2）调试高压空气压力，确保风路畅通，准备进行夯击。（3）测量复核导轨安装方向，导轨精度误差严格控制在规定允许范围之内。（4）连接夯管锤和管棚钢管，采用张紧带使夯管锤和钢管紧密连接，必要时可在接口处采用点焊加固。（5）每根管棚按前 6m 低频夯
10、进，之后用标准夯击频率夯进。（6）夯管锤夯进施工示意图见图 3。图 3 夯管锤夯进钢管施工示意图6、管内填充为增加管棚支护结构的刚度，更好的起到承载作用，用水泥砂浆或水泥浆等填充管棚，从管末端分段后退多次灌注填充，注浆压力根据管棚长度而定。7、沉降控制（1）采用先成小孔后夯进大管的原则，管棚前端加工成圆锥形并封闭。夯进时，钢管将导向孔壁土体向外挤压密实，在一定程度上减少沉降发生。（2）施作导向孔时用膨润土泥浆护壁，以保证施工中不塌孔并减少土层流失，可有效控制成孔过程中的沉降发生。（3）根据需要在管棚壁上开小孔，通过钢管实施注浆，以充填管内外土体，起到控制沉降作用。六、劳动组织根据工程的特点及工
11、期的要求设置组织机构，配备劳动人员，明确岗位职责。管棚施工主要劳动力组织见表 1（表中人数按一套钻机、一套夯管锤、一个施工班考虑） 。劳 动 力 组 织 及 人 员 配 备 表 表 1序号 工种 人数 主要工作内容1 值班技术人员 1 施工技术指导、质量记录2 测量人员 2 设备定位、监控施工精度3 钻机机长（操作手） 1 水平定向钻机操作及保养4 导向员 1 水平定向钻机的跟踪接收器操作5 夯管锤操作手 1 夯管锤操作及保养6 安全员 1 安全管理7 材料员 1 材料管理8 电焊工 2 焊接钢管9 电工 1 用电操作10 机械工 1 机械设备修理11 普工 6 机械设备就位操作等合 计 18
12、七、机械设备机械设备的选择主要由地层条件、导向孔大小、管棚直径和长度等条件确定。常用的机械设备主要为 TT40 水平定向钻机和 TT145 夯管锤，一般每个工作面各配备 1 台。作业面较大，以及需赶工期时，可各配备多台。（一）TT40 水平定向钻机技术参数TT40 水平定向钻机技术参数参见表 2。TT40 水 平 定 向 钻 机 技 术 参 数 表 表 2系统 设备构成 技术参数 系统 设备构成 技术参数长 235cm 高 1750mm宽 140cm 重量 1240kg高 130cm 发动机 KHD DEUTE 柴油主机 操作重量 860kg 总功率 41KW最大主轴扭矩 1500NM100R
13、PM 液压油箱 200L实际回拖力 4 吨 燃油箱 60L冲击力 11 吨液压动力系统最大液压压力 270bar操作能力电子系统 12V 整体式锻造设计 是最大流量 50L/min 钻杆长度 1.25m水系统容量 1100L 钻杆直径 48mm长 1400mm钻杆最小弯曲半径 38m液压动力系统 宽 750mm 钻进 最大钻孔直径 250mm（二）TT145 夯管锤技术参数TT145 夯管锤技术参数参见表 3。TT145 夯 管 锤 技 术 参 数 表 表 3序号 项目 单位 技术参数1 直径 mm 1452 长度 mm 15453 重量 kg 1374 声压级 dba 975 工作压力 Mp
14、a 0.60.76 冲击次数 次/分 3107 耗气量 立方米/分 48 夯进管径 mm 1004009 夯击力 吨/次 8010 耗油量 升/小时 0.7（三）辅助设备配备辅助设备配备参见表 4。辅 助 设 备 配 备 表 表 4序号 名 称 型号 数量 备注1 空压机 POS750S 1 提供夯管动力2 电焊机 BX1-350 2 焊接钢管3 泥浆泵 WQ6-16-0.75 3 导向孔护壁4 泥浆车 东风 141 型 2 5 方罐车八、质量控制1、钻孔定位角度误差1，钻孔深度误差10cm，钻孔末端精度误差10cm。2、导向孔钻进前，对水平定向钻机的性能进行测试，特别是斜面板、电子信号探头和
15、手持式跟踪接收器的性能严格测试，确保达到钻机的最佳设计参数。3、手持式跟踪接收器一般用于深度不超过 21m 的钻孔导向。受地形等干扰和深度的限制，穿越繁忙的地段时，宜在夜间人、车少时施工导向孔。4、钻进导向孔时，每 23m 进行一次测量计算，作出钻孔轨迹图，必要时采用测控软件进行轨迹控制。导向员应严格按使用规范操作手持式跟踪接收器，并加强和钻机操作手的联系。5、根据地层情况，选择合适的泥浆配比，并根据施工过程不断调整设计配比。6、导轨安设严格按导向孔的设计方向进行，角度误差1，标高误差1cm。7、 ，严格控制夯管锤的施工参数，特别是夯击频率，保证钢管更好的沿导向孔铺设。8、管棚的连接要顺直，焊
16、接要牢固、圆顺。9、对各道工序和各种工艺操作进行施工技术交底，并作好钻机轨迹记录及夯管施工记录。10、加强管棚施作过程中对地表的监控量测，根据结果优化导向孔的开孔尺寸、泥浆配比及夯管锤的型号、夯进频率等。九、安全及环保措施1、全体施工管理人员应事先充分了解现场的地质资料，查明施工现场地下的所有管线、管道等地下障碍物情况，以便予以保护。施工至管线、管道附近时，要细心作业，严格控制施工参数，确保地下既有设施安全。2、根据工程的具体情况编制详细的安全操作规程与细则，制定切实可行的安全技术措施，钻机、跟踪接收器和夯管锤操作人员应经培训后执证上岗，并达到充分熟练的程度。3、现场人员之间必须有很好的联系，钻机操作人员、导向人员、监测人员、夯管锤操作人员等应用无线设备进行联系，共同完成施工操作。4、钻机操作时，钻杆受力不要超出制造商允许的最大扭矩和拉应力；如遇钻进突然减慢或停止，应确定是否碰到障碍物，然后再进行钻进作业；穿越
