浅谈地铁施工中的管棚技术

王强

【摘 要】管棚技术又在暗挖施工中对于在软岩隧道施工中穿越破碎带、松散带、软弱地层，涌水、涌砂层发挥了重要作用。由于预埋超前管棚做顶板及侧壁支撑作用.为后续的隧道开挖奠定了坚实的基础，

【关键词】管棚施工；管棚技术；水平钻机；应用前景；风道；地下工程施工；地下管线

自1863年伦敦建成世界上第一条地铁以来，到1990年世界上已有30多个国家和地区的100余座城市建成地铁并投入了使用。几乎世界著名的城市如伦敦、纽约、柏林、巴黎、莫斯科、东京、新加坡、香港等都先后建成并形成地铁网络，促进了经济的发展。随着改革开放形势的发展和经济实力的增强，地铁在我国有着美好的发展前景。我国地铁建设起步较晚，但随着改革开放和国民经济的发展也日益得到重视。

地铁暗挖车站施工技术是一项新发展的技术，地下铁道车站常用方法多为明挖法、盖挖法，受特殊环境限制方采用暗挖法施作，暗挖车站施工技术更为复杂而管棚技术又在暗挖施工中对于在软岩隧道施工中穿越破碎带、松散带、软弱地层，涌水、涌砂层发挥了重要作用。由于预埋超前管棚做顶板及侧壁支撑作用.为后续的隧道开挖奠定了坚实的基础，且施工快、安全性高、工期短.被认为是隧道施工中解决冒项的最有效最合理的施工方法。下面就从以下几个方面来阐述具体地铁施工中的管棚技术。

管棚法被用于城市地下铁道的暗挖施工，在建筑物密集、交通繁忙的城市中心地区.采用明挖法施工地下工程必须拆迁大量的地层管网和地面建筑物，随着人们对环境保护的呼声越来越高及政府对环保的日益重视，承包商们不得不放弃既影响交通又不利于环境保护的明挖法而改用暗挖施工法，管棚法作为一种重要的暗挖施工法在日本、美国及欧洲各国被广泛采用。

管棚钻机是管棚法施工技术中最关键的设备，它的作用是沿着隧道断面外轮廓超前钻进并安设管棚。最早的管棚法施工采用的是普通水平钻机.随着管棚法大量应用.专用管棚钻机应运而生。世界上最早推出管棚钻机的是意大力RODIO公司的管棚钻机。随着一些著名的制造商也相继推出了专用的管棚钻机.如意大利的CASAGRANDE公司、SOILMEC公司、PUNTEL公司、美国INGERSOLL.RAND公司等。目前用于管棚施工的钻机分为坑道钻机、定（导）向钻机、水平钻机、夯管锤及专用管棚钻机 长隧道最好选用专用管棚钻机.短隧道如地下立交、地下过街道可考虑用其它类型的钻机。世界上虽长的大口径长管棚是日本八户市一段公路隧道施工采用的管棚，全长180m，全部采用长管棚施工， 从隧道两端设立了管棚推进基地各推进90m，水平钻机安设管棚。 中国地质装备总公司1987年开始研制开发专用管棚钻机，1989年北京西单地铁车站的承建商铁道部第十六工程局在采购管棚法施工设备时，中国地质装各总公司开发研制的土星钻机以钻孔精度高及价格低而中标，并在举世瞩目的北京西单地铁车站暗挖工程中获得成功的应用，铁道部第十六工程局先后购买了8台士星管栅钻机 在工程实践中，中国地质装备公司先后开发了5个品种的钻机并形成系列产品。管棚钻机广泛适用于水电、冶金、公路、建材、国防等施工单位，适用于中硬及硬岩中的凿岩工作，更适用于穿凿预裂爆破及水平、阶梯式爆破深孔，尤其对开边坡预裂孔及预应力锚索钻机更有其独到之处。

一、技术准备

（一）测量放线

施工前熟悉设计图纸并按设计进行管棚轮廓线位置放样，测量人员对孔位进行布置，孔口管的埋设，其方位角、仰角，外留长度、埋设长度须严格按设计执行。架立钻机时用罗盘、挂线相结合的方法，确保钻机轴线与管棚设计轴线相吻合，管棚中心定位经质检工程师和监理工程师检查合格后方可进行钻孔。

（二）钻孔导向

为了保证管棚钻进精度，拟采用高精度导向仪，用有线和无线相结合的导向方法，随时监控钻进方向，随时监控钻进方向，保证有效控制偏斜，其铺设精度为70米±30cm，即70米长度上下左右偏差不超过30cm。

（三）机具准备

进场场机具主要有水平钻机、空压机、风镐、泥浆泵、砂浆泵、泥浆搅拌机、水平导向系统、电焊机等

二、主要施工方法和措施

本工程设计管棚长度为70m，管棚选用φ159的热轧无缝钢管，t=8mm，环向间距400mm，钢管间采用丝扣连接，每段长度3-6m。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，为防止钻进中地下水及泥沙涌出，确保管棚打设工程质量，并依据我单位在非开挖定向铺管方面的施工经验，决定选用孔口设密封装置，“一次性导向跟管钻进法”，即成孔和打设支护管一次完成。采用ф159×8mm管做钻具，楔形导向钻头，焊在管棚前端，一次性使用。钻头内放置导向探头（含回取装置）、固定单向阀的导向专用钻头，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），将支护管依次打入。同时将支护管接口焊接严密，直至达到设计长度（施工工艺流程见图2）。主要施工程序如下：

（一）操作平台搭设

平台搭设前须夯实地基，以保证钻进过程中操作系统的稳定及钻进精度。钻机平台采用枕木搭建，平台满铺松木板，根据管棚孔的位置，分层调整钻机平台。钻机平台搭设好以后进行钻孔，钻孔顺序由高孔位向低孔位进行， 可缩短移动钻机与搭设平台时间，便于钻机定位、定向。见图3操作平台布置图。

（二）管位凿孔

在设计管棚孔位放线定位后，人工凿除基坑围岩孔位，遇围护桩位管棚采用桩身钻孔取芯，芯孔直径约200mm。根据管棚设计长度及该段地质情况，管棚打设外插角为0.30-0.50，并按设计初支外弧线外放30cm（即管棚中心点距初支外弧线距离）。孔位凿除要准确，打设时与围岩封闭密实。

（三）钻机就位

1.准备工作

（1）检查设备是否有缺件，好坏程度。电机、钻机、泵等测试运转是否正常，所有部件是否完好；液压系统是否通畅，密封完好度，液压油泄漏状况。

（2）检查所有焊接部位是否有开焊，各种部件是否有变形，有则进行更换。

（3）钻具组装

①钻头楔掌板旋转直径Φ≤115mm，楔型面与钻具（钻杆）交角≤20°；

②水眼直径Φ为8-10mm；

③钻具前部的导向钻头，探棒必须经检验，保证质量合格，性能可靠，安装齐全；

④探头盒后部加装灯光以备随时测斜之用。

（四）钻机设备组装

设备组装顺序为：钢垫板固定→H型钢轨摆正找平→下行车组装→轨道焊接→下节立柱安装→第一层角钢→第二层槽钢→锁紧斜拉筋→4柱对角找方→摆放工作台板→水平钻机安装→电器安装→前后丝杠、顶杠安装→试运转。

（五）钻机定位

进钻前，用经纬仪以坐标法在掌子面标定管棚孔位。钻孔方位要求与线路中线平行，必须精确核定钻机位置。架立钻机时用精密陀螺仪检测、经纬仪、挂线相结合的方法，确保钻机轴线与管棚设计线相吻合。钻机定位时，根据钻孔深度钻杆轴线与管棚轴线有一定数值的仰角，以抵消钻深后钻杆自重增加所产生的下垂。

（六）钻孔、管棚跟进

（1）管棚加工及连接

管棚材料应顺直，进场后报监理工程师检验，材质符合设计及规范要求。检验合格后采取在现场分节加工，每节钢管长度为3.0-6m，钢管间采用丝扣连接，丝扣长度为60mm，管箍长200mm，并均采用厚壁钢管制作。钢管每间隔30cm布置一孔眼，梅花形错开，孔眼直径为Φ10mm。

（2）钻进

由于采用跟管钻进法，钢管安装和钻机进尺是同一过程。钻头采用与钻管等径的楔型钻头，楔板回转半径略大于钻管半径，钻头前端有Φ8-10mm的水眼，当钻头正常回转钻进时钻管沿直线前进。水平钻进中受钻具自重影响，钻具前部产生下垂现象，钻具顺时针旋转，产生右旋力，造成钻孔偏斜。因此确定开孔角度时，根据以往经验和试验孔成果，需要给开孔方位角与垂直角以合理的纠偏值，并根据已成孔测斜结果随时予以调整纠偏角度。

开孔方位=线路走向+钻孔放射角水平分量+水平纠偏角

开孔仰角=钻孔放射角垂直分量+钻进纠偏垂直角

注：计算中应将线路坡度考虑在内。

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。

在一般地层中，同径管一次性跟管钻进时应掌握以下原则：中小水量、低转速、中低压力、均匀给进。一般钻压800-1600kg；转速30～60转/min（砂层取其低值，粘性土取其高值最高≤100转/min），泵量30-100升/min。水平钻进，粗碎屑易在钻具底部沉淀，造成钻孔上仰或左右偏斜。因此钻进中注意：

①加强冲洗液质量管理；

②合理控制泵压、泵量，以保证钻进碎屑在强悬浮力的作用下部分带出孔外；

③根据不同地层，调整和控制好钻压、转速，保持适度匀速给进。

④时刻掌握导向探头返回数据，及时纠偏钻进角度。

冲洗液循环系统工艺流程：

①冲洗液循环系统：

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

②排放污水系统：

基坑边污水沉淀池及排水沟管→坑底污水池挖砌→潜污泵安置→铺设排污水管路→电路连接→试运转。

三、质量保证及应急措施

（1）为了保证管棚钻进质量，采取跳孔钻进，钻孔由高孔位向低孔位进行开孔孔位偏差≤±50mm，若须移位，应调整开孔角度进行回归；开孔孔位距隧道开挖线设计为300mm，不允许向内偏斜。管棚的偏斜应控制在5‰以内，终端最大控制间距为300mm。

（2）施工前测量人员须校对布置好的孔位，孔口管埋设的方位角、仰角，外留长度、埋设长度须严格按设计执行，开钻后钻孔角度须复测。

（3）孔口管回水管焊接牢固，在插入孔内部分的孔口管麻片缠绕要均匀密实。厚度适度，须保证用大锤能将孔口管贯入孔内。孔口管安装好密封盒后，检查是否平直，必须保证角度准确。

（4）钻机定位要稳固，钻具安装好后，做到与孔口密封装置同心，保证密封效果。钻机定位后，根据管位高度，将给进架吊至误差50mm范围内，用仪器精确测定其仰角和方位角，通过前后微调进行调整，给进架卡瓦固定后进行复测，以确保施工质量。

（5）钻进前须先开泵，待循环正常后方可启动钻机进行钻进。为防水土流失，控制沉降，应通过回水阀门严格控制回水量，始终保持回水量小于或等于进水量。

（6）钻进时泵压控制在1.2Mpa以上，泵量为50～100L/min为宜。随着不断地钻进，结合地质情况的变化，对技术参数不断地适时调整。钻孔出现涌水时，尽量保持泵压，泵量不能变小，以便平衡孔内压力。

（7）冲洗液参数的调整要结合地层变化、孔内情况进行确定。冲洗液循环不正常时，严禁继续钻进。

（8）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，及时报告现场值班技术员，研究对策后再施工。

（9）钻孔合格后及时安装钢管，其接长时连接必须牢固。注浆浆液必须充满钢管，注浆量和压力应符合设计要求。

（10）施工前应对施工影响范围内和管线进行探测，核对管线资料，最大埋深，根据调查结果做出相应防范措施。

（11）钻进中出现地下水泥沙涌出时：

①压紧密封装置的压兰；适当改小泵送水量；

②如发现地下水压力太大，可迅速加固孔口管；增加涨管螺栓和爪片数量，以便加固孔口管，防止孔口管外移。

四、质量验收和标准

（一）材料质量验收

钢管、水泥等材料符合设计及规范规定，并附有产品合格证、出厂检验报告和进场复试报告，经现场监理工程师检验合格后方可进行施工。

（二）质量验收标准

（1）施工资料齐全，符合《市政基础设施工程资料管理规程》（DBJ01-71-2003）要求。

（2）施工质量符合轨道交通《车站工程施工质量验收标准》（QGD-006-2005）、《地下铁道工程施工及验收标准》（GB50299-1999）及其他相关规范的规定。

（三）施工允许偏差和检查方法

按施工工艺程序，每道施工程序及其主控项目和一般项目的验收结果均应符合设计及施工规范的规定。主要施工项目允许偏差及检查方法如表1所示。

主要施工允许偏差表 表1

五、文明安全施工要求

（一）文明施工要求

（1）严格要求全体施工人员对文明施工的重要意义必须有充分的认知，使之成为每个人的自觉行为，施工现场符合北京市文明施工标准化要求。

（2）材料堆码整齐，交错叠放高度不得超过1.5米，做到横成排、竖成行。机械设备、材料、物资的搬运、装卸时应保证周围施工设施。

（3）导管和管棚安装前应将工作面封闭严密、牢固，清理干净。对钻进时产生废浆和涌出的地下水，应及时排出，泥砂按时清理，并运卸到指定地点。

（4）冲洗液池、沉淀池、排水沟应合理布局；泥浆泵、配电柜须架空高度应大于0.60m。

（5）超过噪音限度的施工作业，必须控制，如切割机、刨木机等；加强现场防火教育，落实消防措施，配备足够的灭火器材。

（6）加强文明施工管理，爱护施工机具和材料，减少浪费。

（二）安全措施

（1）垫高钻机所使用的木板一定要稳固，防止产生沉降、位移及塌落。

（2）电器设备、电缆、电线必须有漏电保护、防水保护。

（3）照明设备以保证各工种正常生产、安全生产为原则，灯具布局合理，尽量减少来回拉拽电线、移动照明灯为宜。

（4）施工中使用的电力线（注意有否老化，漏电现象）、风管线、水管线要布置整齐，有条理。

（5）施钻时，按机械操作规程操作，严防机械伤人。

（6）注浆前严格检查机具、管路及接头处的牢靠程度，以防压力过大爆炸伤人。

（7）要注意及时排水，防止作业面泥泞。

（8）钢管内注浆时，操作人员必须带好口罩、眼镜及胶手套。

（9）必须具备良好的照明条件。

（10）实时注意掌子面的情况，防止注浆压力过大掌子面开裂