北京市南水北调配套工程水平导向管棚施工方案

1北京市南水北调配套工程南干渠工程第五标段暗挖工程大管棚施工方案一、水平导向跟管钻进与传统管棚施工方法比较（一）水平导向跟管钻进施工方法介绍导向跟管钻进管棚施工是将施作管棚的钢管直接加工成钻杆，然后用水平钻机将此加工后的钢管分节钻入，当钻至设计深度后注浆，单根管棚就形成了。此施工方法的关键在：1、将钻入的第一根钢管加工成楔型钻头，此种钻头在旋转钻进时大致延直线前进，在不旋转而直接顶进时可按要求改变方向。2、在钻头位置安置有能测量倾斜角度及楔型钻头方向的传感器，传感器信号通过有线电缆传至操作手，操作手可根据测量的结果判断是否需要纠偏。3、钻进时，钻屑是通过泥浆循环带出孔外的，因此钻杆（加工后钢管）的管壁上不能有孔，有孔时泥浆便不能循环起来。（二）水平导向跟管钻进的注浆导向跟管钻进的注浆方法同传统管棚施工方法的注浆是不同的。导向跟管钻进方法是通过钻头处的泥浆循环孔在孔底进行注浆，在孔口进行封孔，封孔处留有出浆阀门，注浆时当孔口有水泥浆液流出后，将阀口关闭，然后加压注浆，直至保持一定设计压力或到达具体注浆数量。由于在钻进过程中，泥浆循环一直保持畅通（如不畅通，钻进便无法进行），因此管棚管内外是连通的。在施工中，一般当钻进至最2后一根钢管时，将普通泥浆换成配制好的水泥浆，用水泥浆钻进，钻进完成后，此时孔口流出的应是水泥浆了，然后封上孔口直接进行加压注浆。（三）水平导向跟管钻进的优点同传统管棚施工方法相比，导向限管钻进方法有如下优点：1、打设精度高，一次施工距离长。传统方法的管棚打设距离一般不超过20米，精度低，水平导向跟管方法施工距离可超过100米，精度可控制在5‰以内，传统管棚施工单根管棚长度短，管棚施工循环多，造成搭接管棚钢管材料浪费，且造成施工工期延长，施工效率低下。2、水平导向跟管方法成孔小，且由于是跟管钻进，对地层扰动小，地面沉降很小。传统方法先成孔，后下管，成孔较大，特别地层自稳性差时尤其如此。3、水平导向跟管方法的注浆是在成孔后很快完成的，而传统方法注浆在成孔并下完钢管后才进行，相比起来时间上有延时。4、水平导向跟管方法是通过管内压浆，孔底注浆，孔口返浆，因此将孔口的钢管外环封上后，注浆压力一般比较均匀。如果掌子面附近渗浆（一般掌子面高度的1.5倍范围内受扰动大，上部较易形成裂缝引起渗浆），孔底的注浆效果较易保证，而传统方法此种情况下的注浆效果较难保证。5、传统方法注浆，要求在钢管上打注浆孔，降低了钢管的钢度，钢管在顶入过程中会发生注浆孔堵塞，不能保证注浆成功，且由于是3在孔口注浆，而管棚是按上仰角打设的，注浆时把孔内空气压缩到管棚的前端，浆液无法充满管棚的整个钢管及四周，而水平导向跟管方法避免了此一缺点。二、工程概况（一）工程概述北京市南水北调配套工程南工渠工程第五标段为5+716.04m----7+262.04m，全标段为暗挖隧道工程，暗挖隧道埋深在7.2m—8.5m，该标段暗挖隧道拐点主要位于6+044.04m、6+297.41m和7+262.04m。开挖断面尺寸均为φ4600mm，其中在5+760-----7+262.04m段的暗挖隧道拱顶180o范围内设计超前预支护φ108mm大管棚。在大管棚施工段的5+981.09m和6+877.65m处分别设计有8#和9#施工竖井，竖井断面尺寸为8000×6000mm。大管棚施工段上覆土层中埋有管线情况如下：电力管线：桩号约5+819.90m，管顶高程49.40m，距隧道开挖线9.40m左右。燃气管道：桩号6+109.10m，管径700mm，管顶高程约44.70m，距隧道开挖线约4.70m。给水管道1：桩号约6+109.60m，管径200mm，管顶高程约45.80m，距隧道开挖线约5.80m。给水管道2：桩号约6+635.60m，管径200mm，管顶高程约45.30m，距隧道开挖线约5.30m。4给水管道3：桩号约6+732.80m，管径200mm，管顶高程约45.30m，距隧道开挖线约5.30m。给水管道4：桩号约6+906.30m，管径200mm，管顶高程约46.30m，距隧道开挖线约6.30m。电信管线：桩号约7+115.2m，管顶高程约46.0m，距隧道开挖线约6.0m。（二）工程地质1、根据地勘揭露出该标段地层从上到下分布如下：（1）人工填土①层：主要分布建筑区附近，含砖块、砾石、疏松、厚度不均匀，一般为0.80—2.30m。（2）粘性土②层：以粉土为主夹分质粘土层，厚度一般为1.20—2.60m。（3）细砂层④层：厚度一般为7.0—9.0m，局部更厚。桩号5+860—6+150m段厚度为1.5—5.0m的粘性土透镜体。（4）圆砾⑤层及卵石⑥层。2、管棚穿越区内地层主要为细砂地层，局部穿越人工填土层或圆砾地层。（三）水文地质条件区内地下水含水层主要为第四系孔隙含水层，地下水位较低，埋深大，为潜水，对管棚施工基本上没有影响。（四）管棚工程设计该标段管棚施工区段为5+760-----7+262.04m，共设计管棚工程量5为37551m，管棚管径为φ108mm，每米布置管棚3根。每循环布置管棚25根。单根管棚长度为60.0m，单循环管棚工程量1500m，管棚中心距隧道开挖线0.3m。管棚具体布置如图一，单位为mm。图一北京南水北调配套工程第五标段管棚布置断面图φ3400二衬初支11325三、施工部署因该标段内设计有两个竖井，竖井断面尺寸为8000×6000mm，在每个竖井内只能安装一台钻机工作。因此当竖井施工完成后，在每个竖井内安装一台钻机先期施工第一循环管棚，第一循环管棚施工完成后，管棚钻机调头施工反方向的第一循环管棚，这时，先期施工的对侧隧道开挖施工同时进行，这样，隧道开挖与管棚施工连续循环作业，有利于保障施工工期。即在8#竖井内，第一台管棚钻机从5+977.09m开始往小里程方向施工第一循环管棚，管棚终端里程为5+917.09m。第一循环管棚施工完成后，将钻机调头从5+985.09m开6始施工大里程方向第一循环管棚，该循环管棚终端里程为6+045.09m。在大里程方向管棚施工的同时，小里程方向隧道施工同时进行。小里程隧道开挖及支护施工完成后，管棚钻机接着施工小里程第二循环管棚。同样，大里程隧道开挖支护施工同时进行。依次类推。在9#竖井内，先安装一台管棚钻机从6+873.65m开始施工小里程方向的第一循环管棚，施工结束后，将管棚钻机调头施工大里程方向的第一循环管棚，照8#竖井内施工布置依次类推。根据隧道施工进度情况，场地条件允许，隧道进洞后，每个断面可以安排一台管棚钻机施工，这样，整个标段内安排四台管棚钻机，合理实现各工序的街接，加快施工进度，缩短施工工期。根据管棚设计单根管棚长度为60.0m，每循环的管棚施工周期为15天。其中设备进场安装1天，管棚施工时间为13天，设备撤场1天。四、工程技术要求1、根据隧道坡度0.7‰，管棚打设角度为0.90%，打设角度误差控制在3‰以内，管棚外插角误差控制在2‰以内。2、管棚孔位误差控制在±50mm以内。3、管棚打设长度误差控制±200mm以内。4、采用Φ108×6mm管棚钢管作为钻杆，管棚钢管之间采用丝扣连接，扣长60mm，前后两个循环的管棚沿隧道方向应相互搭接3.0m，为了避免钢管同步搭接，大管棚前端第一根可以采用两种规格，单号第一根打设3m钢管，双号第一根打设4.5m钢管，其它钢管统一规格。确保超前支护安全。为了保证质量，打设时采用跳打的施工顺序。7五、施工方案（一）方案概述根据现场地质条件、埋有管线位置及设计要求，本工程管棚施工采用水平导向跟管钻进法。水平导向跟管钻进方法原理水平导向跟管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：图二导向钻头示意图如图所示：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。8（二）进洞管棚施工方法为确保管棚施工精度，每一循环管打设完后，到与下一循环管棚开始搭接处管棚高度比下一循环隧道开挖线高0.5m，因此根据隧道坡度，进洞管棚施工前，开孔角度按0.90%开孔，开孔孔径为Φ133mm，开孔长度超过护坡桩100mm。管棚施工按设计角度采用导向跟管钻进施工。实现与下一循环管棚搭接，管棚打设长度为63.0m。（三）隧道内管棚施工的方法隧道内管棚施工前，隧道开挖段应适当扩开挖断面尺寸，缓坡开挖，到管棚施工掌子面处时处扩0.50m，预留处管棚孔位，管棚孔位中心距开挖线0.30m，并浆掌子面喷锚处理，保持掌子面土体稳定性。钻机架子后退5m安装，管棚角度按0.90%打设至孔底，管棚铺设效果如图三。二衬初支管棚前后管棚搭接3.0管棚竖井图三管棚铺设效果图第二循环管棚设计起始掌子面钻机安装位置（四）拐弯处管棚施工方法9拐弯处管棚施工根据弯曲段曲率及弯曲段长控制管棚打设时的内插角或外插角，采用我公司自行研制的无线导向系统进行钻进跟踪导向。六、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。1、设备组装前的准备工作及钻机设备安装1.1设备组装前的准备工作(1)设备检查。检查是否有缺件及好坏程度；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，有则补焊；(3)各种部件是否有变形，有则进行校正。1.2钻机设备安装(1)钢垫板规格=长×宽=250×250mm；胀管螺栓直径=φ16mm；钢垫板与基础固定要牢，强度要高；(2)H型钢轨找平误差3mm；(3)底盘对角线找方误差±3mm；(4)斜拉筋需绷紧，交叉拉力基本相等；10(5)四柱对角误差±5mm；(6)升降系统：卡瓦等上紧，加强整体性；(7)所有螺母必须拧紧，发现溢扣者必须换掉；(8)丝杠、顶杠要顶紧、有效，安装要牢固，确保不因震动而松动或脱落。2、调试钻机（方位、倾角）（1）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；（2）孔位确需移动时，须设计与监理同意，并且计算回归角度；（3）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；（4）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。3、钻具组装（1）钻头楔掌板旋转直径φ≤120mm，楔型面与钻具（钻杆）交角≤20°；（2）水眼直径为8-10mm；（3）钻具前部的导向钻头，探头必须经检验，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。4、冲洗液流通系统（1）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。11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；（2）冲冼液必须先配制好后使用，严禁使用中同时加清水、加料；（3）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；（4）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浆液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、导向钻进（1