大直径长管棚超前.doc

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大直径长管棚超前支护技术在花园东路站中的应用

摘要：

介绍了北京地铁十号线花园东路站中大直径长管棚超前支护技术的施工工艺和技术保障措施，为大管棚技术的应用提供参考。

关键词：

大直径；管棚；超前支护

1引言

近年来，在软弱不良地层中修建地铁构筑物，为防止施工过程中地表下沉和围岩过度松驰造成坍塌，在开挖之前对围岩进行超前加固的有效性已经为业内人士所公认。

目前发展起来的方法有超前锚杆,超前小导管注浆和超前管棚。

而超前管棚因其支护长度大，支护有力填补了超前锚杆和超前小导管支护限制，在地铁穿越软弱松散、不稳定的复杂地层，或上部有重要管线等工程建设中得到了广泛使用。

目前随着工程的需要，管棚支护技术逐渐向大直径、长管棚发展，对施工工艺提出了更高的要求。

本文介绍北京地铁十号线花园东路站中超前管棚支护技术的成功应用，以期为类似工程提供借鉴。

2工程概况

北京地铁十号线花园东路站为北京地铁十号线第七座车站，位于北京市海淀区花园东路与北土城西路交叉口南侧的土城遗址公园下，整个车站总长326.80m，宽20.9m，共设四个出入口，总建筑面积13223m2。

车站主体的东西两端及两侧的风道位于绿地内，采用明挖法施工，均为两层三跨框架结构；中部穿越北太平庄路的北端，为了不影响道路交通并避免地下管线的改迁，采用暗挖法施工，为单层三跨连拱结构。

车站西北角为牡丹宾馆、北京牡丹电子集团公司；东北角为牡丹园东里、花园饭店、华盛家园小区及暂时停建的花园公寓；西南角为大片绿化带；东南角为22路公共汽车总站；车站南侧5-9m为现状小月河明渠，渠水流向由西向东，车站中部南侧约5～9m处为跨小月河的牤牛桥。

位于暗挖主体开挖面正上方800mm有一条呈南北走向2000×2350mm的电缆沟。

根据勘查资料所示管棚施工所处地层为粉质粘土⑥、⑥1层，该层硬塑为主局部软塑，Es为5.2～19.6MPa，属中高压缩性～低压缩性土，施工条件较好。

根据勘察资料分析，管棚施工位置主要受层间潜水影响，含水层为第④、⑤层中的粉、细砂层及粉土层，该层地下水为局部赋存；潜水局部为填土层，透水性一般，与地表水联系密切，其来源主要是大气降水、管道和小月河渗漏水，主要以蒸发和向下越流补给下层潜水方式排泄，并随季节性大气降水及上下水管漏水的变化而变化。

3管棚设计方案

根据花园东路站的地质情况及管线情况，花园东路站选用大管棚对地层进行超前支护。

初始设计的超前大管棚是由东、西两端分别打设，在车站中部搭接，每端长度约47m，后来由于西端已开挖，东端尚未动工的状况，遂采取由西端一端通长打设管棚，管棚长度约92m。

这样，由于管棚打设的设备及泥浆循环系统只建立一次，节省了工时；同时整体性能好，由于不搭接，避免了中部向上"高挑"的缺陷。

超前大管棚采用Φ146热轧无缝钢管，壁厚8mm，间距400mm，设于拱部，沿开挖轮廓外布置，管口中心外放至距开挖轮廓线400mm，拱部管棚由于靠近电缆沟，其管棚中心距离开挖轮廓线为200mm，外插角均为0.1°，管内灌注水泥浆；长管棚从西端明挖基坑打设一次，长度92m，采取9m超长水平定向钻机，控制长度每节9m。

为了探明地层情况，应先施工三连拱连接处的管棚，该处管棚施工完毕后待地质情况了解后再施工中拱顶部管棚，由此向两侧施工。

图1超前支护横断面示意图

图2管棚施工顺序图

4工程特点

⑴前期施工对围岩多次扰动，地表沉降较大，施工过程中应严格控制地表沉降。

⑵施工工序繁杂，孔位交错，施工干扰大。

⑶孔位多呈弧形布置，钻机就位困难。

⑷管棚深度长，直径大，施工难度大。

⑸位于隧道开挖面正上方有一条呈南北走向2000×2350mm的电缆沟，距离较近，大管棚施工精度及地表沉降难以控制。

5管棚施工

根据工程设计，质量标准结合施工场区地面条件，工程地质、水文地质条件，采用“有线仪器定向，一次性跟管钻进法”，即成孔和埋设管棚一次完成。

5.1水平定向钻进原理

水平定向钻进方法是非开挖管线施工的一种方法。

该方法要求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，利用能进行调节方向的钻头（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各种管线的铺设。

钻头示意图如下：

如图所示：

钻头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。

同理在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。

所以导向钻头是上下纠偏的关键。

至于左右偏差根据传感器尾端的发光装置来定，通过仪器测量参数来纠偏。

5.2棚管打设工法

根据本工程的工程地质、水文地质条件、施工场区环境等具体情况，为防止钻进过程中地下水及泥沙涌出，确保管棚打设工程质量，采用如下程序进行管棚打设：

1.开孔：

用专用开孔钻机开出长约300mm---1000mm的φ200孔位，然后预埋φ200的孔口管；

2.用φ146×8mm钢管做钻具，前端装有导向探头的导向专用钻头，采用泥浆护壁，利用有线导向仪监控，随钻进加尺（方位、角度发生变化时，随时进行修正），将棚管依次打入。

同时将钢管接口焊接严密，直至达到设计长度。

5.3施工工艺

施工工艺流程：

三通一平→人员设备进场→铺设"H"钢轨道→设备组装调试→埋设孔口管→调试钻机（方位、倾角）→钻具组装进孔→冲洗液循环→导向钻进→回次加尺（接线、接口补焊）→孔斜测量→导向钻进→直至设计深度终孔→回取探头盒→管内及环状间隙注浆→移至下一孔位。

5.3.1调试钻机（方位、倾角）

钻机入孔的方位角及倾角，必须在测量队提供的可靠的测量数据上进行；孔位确需移动时，须计算回归角度；根据试验检验导向钻头的纠偏能力，在施工经验积累的基础上，确定开孔方位和倾角是否增加纠偏角，并以书面形式通知机台；计算倾角时应将隧道坡度考虑在内，钢管打设时原则上不允许向内偏斜。

5.3.2冲洗液流通系统

冲洗液具体配比由专业泥浆工程师根据具体地层情况确定。

泥浆需经充分搅拌，均匀配制而成。

配制时，必须严格执行配比；冲冼液必须先配制好后使用，严禁使用中同时加清水、加料。

冲洗液流通系统：

冲洗液制备→储浆池→泥浆泵→送水器→钻具→管外环状间隙→孔口回水阀门→高吊管→回浆管（沟）。

钻进过程中必须保持上述各流通环节的畅通。

在施工过程中，应根据不同地层，合理调节泵压、泵量，以免因冲洗液不足引起通道堵塞或因过大导致过量泥沙外排。

此工程中，一般宜取中低压、中小水量。

5.3.3导向钻进

导向钻进前应对钻机定位情况、方位、倾角情况，孔口管对中情况，冲洗液流通以及导向仪显示情况进行全面复检，确认正常后进行试钻；钻进前须先开泵，待冲洗液流通正常后，方可钻进。

钻进时，泵压应控制在0.6-1.0MPa，泵量为10-30L/min为宜。

保持中低压力，匀速中速钻进；为防止水土流失，控制沉降，必要时需采用孔内保压措施。

要始终保持回水量小于或等于进水量。

导向技术人员随着不断钻进，必须时刻观察探头角度变化情况，角度偏差大于0.3°时，应及时纠偏。

当纠偏无效、偏差大于0.6°时，应停止钻进，及时报告项目经理，研究对策后再施工。

现场须及时进行导向数据记录和钻具前端长度及每次加管长度详细记录。

钻孔出现涌水时，应尽量保持泵压，泵量不能变小，以平衡孔内压力；冲洗液不正常时，严禁继续钻进。

泵工应注意观察冲洗液变化情况，及时上报有关负责人；导向钻进至20及40米时，应分别进行一次测斜。

发现超限，及时补救。

5.3.4回次加尺、接线、焊接

每根管在下坑前必须进行质量检查。

管材不得有弯曲，丝扣四周壁厚均匀，丝扣完好合格。

管材内的铁屑、赃物及锈皮等必须清除干净。

下坑时避免与硬物相碰，以免损伤管扣。

钻进中，每次加尺后，须先钻进后起出进行棚管丝扣接缝焊接（即先钻后焊），以免钻进时的扭力造成开焊。

要求每个接缝焊接进行自检，保证焊接质量。

连接的电线应选用导电性能好，外壳绝缘性能好且耐磨的电线。

接头处要用两层热缩套管套好，用热吹风机吹烤贴牢。

回次加尺、接线、接管以及焊接过程中，均注意不得将异物遗留或掉入打设管内。

5.3.5探头盒回取及终孔注浆

用φ8mm的钢丝绳将探头盒取出，取出时应每10米测量一次孔斜情况；单孔打设验收合格后，通过管内压注水泥浆，对管内及管外环状间隙进行充填；单孔验收合格后，在现场立即办理验收合格签证，再转入下一孔位施工。

6施工主要难点及应对措施

⑴管棚深度长，钻进时有可能会大量出水、出泥沙。

为避免这种情况的出现，施工中采用先进的导向定位仪器随钻定位钻头的倾角，利用泥浆护壁循环钻进（沙层可加润滑剂减小摩擦力）。

在孔口安装法兰、节门，控制出浆，保持孔内压力，在终孔后立即注浆，防止沉降。

⑵管线较复杂，附近有电力管道和降水井，且电力管道距离开挖线只有30cm左右。

施工中为保障距电力管道较近的几个管棚的打设安全，开孔角度定为0度，以水平角度一直钻进，直到下穿通过电力管道2米后上调，一根钻杆内调到设计角度。

⑶施工场地小、钻机支架固定困难。

针对这种情况采取的解决办法是在平台上铺“工”字钢轨道，钻机支架安在轨道上，利用油缸，可以自由升降和水平移动，而支架和钻机用钢管与钢筋相焊接保证稳定性。

⑷时逢雨季，影响进度。

施工中由于主要是在钻机平台上作业，下雨时用雨布遮住管棚架顶部挡雨，来保证施工进度。

7结论

⑴工程实践表明，超前大管棚施工速度快，支护及时有力，能有效地阻止和限制围岩变形，保护了开挖面上方的重要管线，并为后期开挖施工提供安全保护。

⑵长管棚施工时，钻进时易造成沉降，超前注浆效果不好，容易造成塌方。

采用先进的有线仪器进行定向，并控制孔内压力，可以控制地表沉降和塌方。

⑶铺设“工”字钢轨道可以自由升降和水平移动钻进，使得长大管棚的钻进方便可行。