定向鉆進指引系統在長大管棚施工中的應用

梁斌琦

摘要：大管棚作為超前支護的一種方式，常用于隧道穿越不良地質及軟弱地層施工。近年來，在建筑物密集、交通繁忙的城市中心地區的改造工程日益增多，采用明挖法施工的地下工程必須拆遷大量的地下管網和地面建筑物，對現有交通影響大、工程費用及安全風險高、環境保護問題突出，不得不改為暗挖法施工，管棚法作為一種重要的暗挖支護手段，再配合有效的注漿，能有效加固地層、防止地表塌陷，保證施工安全。在日本、美國及歐洲各國被廣泛采用。定向鉆進指引系統對于保證長大管棚定位精度、進而保證地層加固效果，提升大管棚工藝水平，有著較大的推廣價值。

關鍵詞：定向鉆進;指引系統;長大管棚;應用

Abstract： As a way of advanced support， the large pipe roof is often used in the construction of tunnels passing through poor geology and weak strata. In recent years， there have been an increasing number of renovation projects in urban areas with dense buildings and heavy traffic. Underground construction using open cut methods must demolish a large number of underground pipeline networks and ground structures， which has a great impact on existing traffic， high engineering costs， high safety risks and outstanding environmental protection issues， so the construction has to be replaced by the method of underground excavation. As an important method of underground excavation support， the pipe shed method， combined with effective grouting， can effectively strengthen the stratum， prevent surface collapse and ensure construction safety， so it is widely used in Japan， the United States and European countries. The directional drilling guidance system has great promotion value for ensuring the positioning accuracy of long and large pipe sheds， thereby ensuring the effect of stratum reinforcement and improving the technological level of large pipe sheds.

Key words： directional drilling;guidance system;long and large pipe shed;application

1? 工程概況

1.1 設計概況

該項目位于馬來西亞吉隆坡市中心，長大管棚下穿Jalan Tun Razak城市主干道及SMART隧道，管棚起止里程為CH200.000～CH254.720，長度54.720m，埋深6.3m，管棚接收端允許偏差50mm，精度要求極高，約1‰。管棚下穿SMART隧道，距離隧道底板為1.2～2.36m，SMART隧道底板設置?32抗浮錨桿。管棚穿越地層為卡斯特地貌，主要為硬質黏土層，局部為弱風化石灰巖，巖石強度約50MPa，有溶洞分布。地下水較豐富，主要為基巖裂隙水，地質情況復雜，施工難度大。

管棚設計參數：管棚規格為Φ108×6mm的熱軋無縫鋼管，每節長度3m;管棚豎向及水平間距均為350mm，呈“品”字形布置;管棚傾角為0°;管棚長度為47～57m;管棚連接采用絲扣連接，絲扣長度150mm，管棚精度為±50mm。

1.2 工程難點

①管棚最大長度57m，精度要求最大偏差不超過50mm，換算偏差1‰，設計要求地面沉降控制在10mm范圍內。由于管棚長度較長，如果精度得不到有效控制則有可能會侵入結構施工內，或者上偏遠離設計軌跡，嚴重時可能穿出SMART底板，管棚注漿加固效果也難以保證。因此，管棚施工精度控制是本隧道施工難點，是質量管控重點。②出口隧道下穿城市主干道，下穿位置埋深約6m，開挖寬度在10m以上，隧道和城市主干道斜交，城市主干道交通繁忙，施工期間車輛動載對管棚施工影響大。③卡斯特地貌中巖層軟硬不均的特性對鉆孔精度及成孔質量影響較大。

2? 方案比選

2.1 方案比選

在大管棚施工過程中，為保證成孔，采用雙動力潛孔鉆機鉆進，套管成孔;精度控制采用鉆頭位置加裝導向系統實時糾偏。通過對市場現有產品對比，調查了美國DCI的獵鷹系列、國產金地導向儀等，從精確度、穩定性、故障率等方面，本著經濟性、適用性的原則，選用精確度、穩定性相對較高的獵鷹F5指引系統。

2.2 定向鉆進指引系統原理

獵鷹F5指引系統由Aurora極光觸控屏遠程顯示器、接收器 、傳感器等三部分組成（如圖2所示）。主要原理為接收器將來自傳感器的無線信號轉換成深度、傾角、面向角、信號強度等信息，并且將這些信息發送給鉆機上的遠程顯示器，通過顯示器顯示的深度、傾角、面向角等信息指導管棚鉆進作業。

3? 現場操作要點

3.1 導向系統調試及應用

3.1.1 頻段優化? 在確保傳感器都已關機或位于距離接收器至少30m處時，將接收器拿到待鉆進路徑上有源干擾最大的一點，在接收器與鉆進路徑平行的狀態下，從主菜單開啟主菜單，選擇傳感器，然后選頻率優化功能（FO），頻率優化過程結束后，接收器會顯示九個頻段中每個頻段的有源干擾噪音讀數，進而可選用每個頻段中噪音最低的優化頻率。屏幕顯示的條柱越短，表明存在于該頻段的干擾電平越低。若要在整個待鉆進路徑上測量噪音讀數，只需要一邊在鉆徑上方行走，一邊觀看所顯示的頻率優化結果，接收器須與鉆徑保持平行狀態。隨著接收器繼續對背景噪音進行取樣，就會用一條短橫線在每個條柱的上方標出每個頻段的最大噪音讀數。

3.1.2 接收器與傳感器配對? 選擇配對模式，然后選傳感器配對請求，將傳感器的紅外（IR）端口放在距離接收器左側的IR端口5cm以內的地方，持續穩定地握住傳感器，進行配對，持續時間最長10秒。

3.1.3 單點校準? ①校準期間，傳感器一定要安裝在傳感器艙室內;②將接收器和傳感器（位于艙室內）彼此平行地放在水平的地面，兩設備均開機;③從主菜單內選擇校準，然后選單點校準（如圖3所示）;④用卷尺確認傳感器中心線到接收器內側邊緣的距離為3m（如圖4所示），然后點擊繼續開始校準;⑤不要移動接收器。如果校準成功，就會出現勾號，并會發出四聲嘀嘀聲（如圖4）。

3.1.4 開始作業? 將傳感器連同艙室與鉆機鉆桿連接，一般安裝在距鉆頭1m處，以避免振動對數據采集的影響，連接后開始鉆進。

3.1.5 實時監測? 鉆進作業時，手持接收器在鉆進路徑傳感器正上方進行實時監測，一般每3m進行一次，采集相關數據信息同步傳輸至鉆機上的顯示屏。

3.2 管棚施工

3.2.1 施工工藝流程圖（見圖5）

3.2.2 導向墻施工

導向墻為鋼筋混凝土結構，導向墻內埋設工字鋼支架三榀，以固定導向管。導向管采用Φ166mm、壁厚5mm、單節長度2m的鍍鋅鋼管。導向鋼管長度為2m，導向管須與鋼架連接牢靠，防止澆筑混凝土時產生位移。固定后檢查其精度，確保導向管方向、位置無誤。檢查合格后澆筑導向墻砼。

3.2.3 鉆機安裝及就位

①鉆機就位前，確保基底堅實、平整，可采用碎石換填或混凝土硬化，以保證鉆進平穩，減少鉆進時可能發生的不安全因素。②鉆機安裝應有專業人員完成，完成后必須經過各個性能測試，能夠達到相應指標后方可正式作業。③調整鉆機位置，保證鉆桿方向與導向管軸線重合。利用儀器測量及現場掛線、鉆桿導向等方法調整，確保鉆孔精度。

3.2.4 鉆孔施工

①鉆機調試完成后，精確測定孔的平面位置、方向和外插角，采用水平尺和導向儀互檢辦法精確施工角度，并對每個孔進行編號。②鉆孔采用直徑146mm的高強度反絲套管，前端安裝Φ152鉆頭;采用Φ89的內鉆桿、連接頂沖式Φ115鉆頭。采用隔孔施鉆、低速起鉆，入孔4.0m后，適當加壓提速。③出口隧道管棚施工時遇到SMART隧道抗浮錨桿，應退出全部鉆桿及套管，采用Φ152金剛石鉆頭代替普通套管鉆頭繼續鉆進，鉆穿錨桿后可換回普通套管鉆頭繼續鉆進。④為防止地下水土流失，控制沉降，在管棚施工時采用中小水量、低轉速、中低壓力、快速給進的鉆孔原則。鉆進時泵壓控制在0.4～0.8MPa，泵量為20～50L/min為宜，保持中低壓力，勻速中速鉆進。并在管棚開孔后在孔口安裝孔口回水閥，控制水壓，確保鉆孔時孔內回水量小于等于進水量，平衡孔內壓力。⑤鉆孔結束后，拔出內鉆桿及鉆頭，裝入Φ108mm管棚鋼管，由于采用套管成孔，成孔直徑126mm，因此將108管棚裝入孔內還是很容易的，通過鉆機動力頭旋轉進入孔內，并在孔外導向墻位置預留300mm，方便注漿使用。放入管棚鋼管后，即可拔出Φ146套管，完成鉆孔施工。⑥做好鉆孔記錄，按規定留存渣樣，分析推斷洞身地質情況。⑦精度控制。1）鉆孔精度控制：采用美國DCI獵鷹F5型無線導向系統控制鉆孔精度。無線抗干擾探棒安裝于鉆頭后1m位置的探棒室內，通過接收器實時采集鉆進過程中鉆頭位置、鉆進方向及角度等數據，同步無線傳輸至顯示器，根據采集到的數據與設計參數比對，指導鉆進作業。2）糾偏控制：正常鉆進過程中，套管跟進。監測過程中發現偏移，按照糾偏參數重新調整鉆進角度及位置，保證鉆進軌跡。

4? 效果驗證

為了進一步驗證管棚施工精度，采用地下管線探測儀在管棚末端探測深度及位置，通過實測數據與理論數據比較，管棚施工精度基本滿足設計要求。同時，采用地表鉆孔取芯驗證注漿加固效果，注漿體擴散范圍及強度均滿足設計要求。

5? 結束語

獵鷹F5定向鉆進指引系統在長大管棚施工中操作簡便，采集數據及時、真實，精度控制效果明顯，在非開挖地下穿管施工中廣泛應用。但本項目施工環境復雜，無源干擾（如各類金屬物體，例如管道、鋼筋、溝板等）對獵鷹F5定向鉆進指引系統影響較大，會降低傳感器有效范圍或造成測量讀數不準確，特別是在鉆進下穿SMART隧道時，其底板為鋼筋混凝土結構，該范圍會降低或升高接收器收到的來自傳感器的信號量，進而導致錯誤的深度讀數，或造成信號被完全遮蔽或定位錯誤，有待進一步提高定向鉆進指引系統的抗干擾性能。

參考文獻：

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