北京地鐵蒲黃榆車站管棚試驗研究初步成果
[摘要]本文主要介紹長管棚試驗研究過程及取得的初步成果，試驗分三步進行，模擬蒲黃榆車站管棚最不利布置工況，在鉆機選型、導(dǎo)向系統(tǒng)、泥漿配制方面取得了適宜車站粘土層及粉細砂層管棚施工工藝參數(shù)。[關(guān)鍵詞]水平定向鉆機 導(dǎo)向孔 探棒 地下定位系統(tǒng) 地磁 回擴器 沉降 監(jiān)測
一、概況
非開挖技術(shù)是從原始的鉆探技術(shù)衍生并逐漸發(fā)展起來的一種新興技術(shù)，是在不破壞地表的情況下鋪設(shè)各種地下管線的技術(shù)；我國在該技術(shù)上的開發(fā)落后于西方發(fā)達國家約20年，近幾年在我國非開挖技術(shù)取得了長足的進步；非開挖地下管線施工技術(shù)目前包括水平定向鉆進技術(shù)、氣動夯管錐技術(shù)、氣動沖擊技術(shù)、微型隧道技術(shù)等；水平定向鉆進技術(shù)特點是利用鉆桿的柔性在導(dǎo)向系統(tǒng)的監(jiān)測下沿設(shè)計線路軌跡鉆進，到達目的地，卸下鉆頭換上回擴器進行回擴孔拖管。 北京地鐵五號線2合同段蒲黃榆車站在世界上首次采用大跨度單拱單柱雙層島式結(jié)構(gòu)，淺埋暗挖施工，最小埋深在5米左右，為確保施工安全，擬采用長大管棚作為超前支護，管棚沿車站拱部環(huán)向布置，間距為0.3m，長度146.6m，共103根。
二、試驗研究項目
（1） 適合車站管棚施工的水平定向鉆機
（2） 不同地層中鉆進速度及工作效率
（3） 不同地層中泥漿配置及用量
（4） 導(dǎo)向儀選擇及導(dǎo)向精度控制
（5） 回擴孔拖管技術(shù)
（6） 地表沉降監(jiān)測分析
（7） 管棚注漿
三、試驗過程分析
由于蒲黃榆車站兩側(cè)結(jié)合部采用中洞法施工，結(jié)構(gòu)瘦小，寬度分三個洞室，每個洞寬3.3m，對鉆機工作空間限制較大；試驗時結(jié)合工作空間選擇長度在5m以下，鉆桿中心離鉆機頂小于0.8m的鉆機，經(jīng)過比選在試驗中選用北京土行孫非開挖公司FW-100及黃海機械廠FDP-15A型水平導(dǎo)向鉆機。試驗分三步進行。
㈠、第一次試驗
首先采用回拖力100KN的鉆機做試驗，驗證鉆機工作能力及相應(yīng)的配置。
1、鉆機參數(shù)：
型號 尺寸（長×寬×高） 回拖力 鉆桿配置 扭矩
FW-100 3.5×1.2×0.8 100KN φ50mm，1m/根 3200N.m
2、工況布置：
本次試驗主要驗證該鉆機工作能力及對工作空間的要求，鉆孔布置采用水平鉆進，布置一個孔；地層為粉質(zhì)粘土層。
鉆孔布置如下：
根據(jù)試驗場地化工三廠現(xiàn)場建筑物及地下電纜較多的現(xiàn)況，本次試驗導(dǎo)向系統(tǒng)采用美國DCI公司生產(chǎn)的ECLIPSE無線地下定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括地面接受器及遙顯，地面接受器通過接收鉆頭內(nèi)無線探棒發(fā)射的信號，探測鉆頭的具體位置，遙顯上顯示鉆頭鐘面值及溫度和接受器探測的鉆頭深度；鉆機操作人員根據(jù)接收器探測結(jié)果，在導(dǎo)向人員指揮下，對鉆頭偏離設(shè)計軌跡及時進行調(diào)整，確保鉆頭沿設(shè)計軌跡鉆進。
導(dǎo)向系統(tǒng)工作原理如下：
第一孔90m,導(dǎo)向孔鉆進耗時5小時；回拆鉆桿5小時。
結(jié)論：
本次試驗地層為粉質(zhì)粘土層，有一定的自穩(wěn)能力，導(dǎo)向孔鉆進過程中采用清水鉆進；由于本次采用10t鉆機作試驗，鉆桿直徑較小（50mm），繞度大，在該類地層鉆進時方向糾偏難控制，在鉆進過程中地面接收器實測鉆頭位置偏差較大；且鉆進過程中鉆機扭矩達10MPa，達到鉆機工作極限，結(jié)果不理想；需加大鉆機本身的工作能力及相應(yīng)的鉆桿配置。
㈡、第二次試驗
根據(jù)第一次試驗結(jié)果，本次試驗采用回拖力15t的鉆機進行試驗，地層為粉質(zhì)粘土層。
1、鉆機參數(shù)：
型號 尺寸（長×寬×高） 最大回拖力 鉆桿配置 扭矩
FDP-15A 4.5×1.5×1.5 150KN φ60mm、3m/根 4200N.m
2、工況布置：
模擬車站拱部管棚布置，本次試驗布孔6個，間距為50cm，按編號順序間隔鉆進，并進行鋼管回拖試驗；
布置如下：
本次試驗地層為粉質(zhì)粘土層，具有一定的自穩(wěn)性，泥漿采用普通膨潤土，馬氏漏斗粘度在30秒左右，PH值控制在8.5-10，泥漿采用機械攪拌，鉆進及回拖過程中為減少泥漿損耗，采用泥漿回收系統(tǒng)，經(jīng)過處理后循環(huán)利用。
4、導(dǎo)向系統(tǒng)
本次場地內(nèi)有電纜，導(dǎo)向系統(tǒng)采用美國DCI公司生產(chǎn)的具有一定抗干擾能力的ECLIPSE無線地下定位系統(tǒng)，探棒為普通探棒，探棒電池采用普通2#電池，每兩節(jié)電池使用時間為9個小時。
5、試驗結(jié)果
導(dǎo)向孔偏差：
本次試驗鉆機工作空間長、寬控制在5m×2m范圍內(nèi)；地層為粉質(zhì)粘土層，泥漿采用普通膨潤土，粘度在30秒左右，PH值控制在8.5-10，鉆進過程中未出現(xiàn)孔壁坍塌箍緊鉆桿現(xiàn)象；鉆機在工作過程中扭矩和回拖力均能滿足要求，導(dǎo)向孔鉆進扭矩控制在15MPa以內(nèi)，④、⑤、⑥號孔每個孔回拖12m鋼管，回拖力在150KN內(nèi)；鉆進163m導(dǎo)向孔用時控制在7個小時以內(nèi)；埋深在5m左右時采用ECLIPSE地下定位系統(tǒng)進行導(dǎo)向，定位系統(tǒng)能較好的探測鉆頭具體位置，在鉆孔間距≥0.5m且操作熟練情況下，精度能控制在20cm之內(nèi)。
㈢、第三次試驗
根據(jù)第一、二次試驗經(jīng)驗，本次進一步模擬車站起拱段管棚布置形式，布孔3個，管棚中心間距為30cm，地層為粉細砂層。
1、工況布置：
完全模擬車站管棚布置，地層為粉細砂層，本次試驗布孔3個，管棚中心相互間距為30cm，縱向坡度為0.3%，由于間距較密，采取間隔鉆進，先鉆兩側(cè)管棚，再施工中間管棚，并回拖鋼管，施工完一根后立即進行管棚注漿試驗。
管棚布置圖如下：
本次試驗地層為粉細砂層，自穩(wěn)能力稍差，導(dǎo)向孔鉆進及鋼管回拖成功與否泥漿起作關(guān)鍵作用，本次泥漿采用易鉆膨潤土，并在膨潤土內(nèi)摻少量的聚合物（幫手），粘度在40秒左右，PH值控制在8.5-10，泥漿采用機械攪拌，并進行二次回收利用。
3、導(dǎo)向系統(tǒng)
本次鉆孔線路沿線有電纜、鋼筋混凝土基礎(chǔ)，對導(dǎo)向系統(tǒng)信號發(fā)射有一定干擾；試驗采用美國DCI公司生產(chǎn)的ECLIPSE無線地下定位系統(tǒng)，加強型探棒，探棒發(fā)射信號強，探測深度為19.8m，實際試驗過程中探棒發(fā)射信號隨埋深的增加逐漸減小，加強型探棒電池采用DCI公司生產(chǎn)的專用鋰電池。
4、回擴孔拖管
本次試驗回拖φ114×5mm鋼管，每節(jié)長6m，接頭采用三種方式連接，即外絲、內(nèi)絲、焊接，回擴器直徑159mm?；赝显囼灧謨煞N形式，第一孔先進行一次回擴孔再拖鋼管，接頭采用外絲連接，外絲接頭拉拔試驗絲口破裂時拉力達150KN，由于外絲接頭比鋼管大，回拖過程中阻力明顯增大，最大時達150KN；第二孔邊回擴孔邊回拖鋼管，回拖過程中阻力比先擴一次孔阻力大，接頭采用焊接，每個接頭焊接時間約10分鐘；第三孔邊回擴孔邊回拖鋼管，接頭采用內(nèi)絲連接，回拖力控制在120KN內(nèi)。
6、試驗結(jié)果
導(dǎo)向孔偏差
㈣、管棚注漿試驗
1、注漿機選擇
由于管棚長度較長（146m），鋼管與回擴孔之間的間歇較大，必須采用注漿壓力大，輸送距離長的注漿機；經(jīng)過對YBE型全液壓注漿泵及UB4型砂漿泵和UB8型砂漿泵進行性能比較，其中UB8型砂漿泵最大工作壓力能達6MPa，最大排量達8m3/h，最大水平輸送距離達250m，在性能上能滿足長管棚注漿要求。
2、注漿試驗
首先采用UB8型砂漿泵在地面進行埋管注漿試驗，分四種情況進行埋管注漿試驗。
第一次試驗：鋼管長度為6m，直徑114mm，鋼管四周鉆梅花型孔，孔眼直徑10mm，縱向間距600mm，環(huán)向布孔三排；鋼管埋深600mm，注漿管長度40m；試驗采用水泥砂漿，外摻粉煤灰，水泥：粉煤灰：砂=1：0.625：1.5；注漿后從孔眼里擴散部分漿液，最大擴散達100mm直徑的球型范圍，注漿壓力達1.5 MPa，鋼管四周回填土僅在孔眼周圍有漿液擴散，土質(zhì)有明顯改善，但鋼管頂部仍有部分空隙未充滿漿液。
第二次試驗：本次試驗鋼管長6m，外套PVC管，使鋼管懸空，四周均有10mm左右空隙，便于漿液從孔眼往外噴射填充滿整個PVC管；鋼管梅花布孔，縱向間距改為300mm，環(huán)向布孔三排；試驗漿液為砂漿，水泥：粉煤灰：特細砂=1：0.5：0.5；注漿后漿液擴散到PVC管內(nèi)，但PVC管頂部仍有3cm高的空隙，鋼管內(nèi)頂部也有2cm高度的空隙，效果一般。
第三次試驗：根據(jù)前兩次試驗，本次采用12m鋼管，梅花型布孔，其中一段采用PVC管包裹，其余采用回填土回填碾壓密實；漿液采用純水泥漿，漿液中增加外加劑（微膨脹劑），注漿分兩次進行，待漿液初凝后及時進行二次漿液壓注，注漿壓力1.5MPa。本次試驗效果明顯增強，其中PVC管內(nèi)充滿漿液，回填土部分漿液擴散最大半徑為80mm。管棚內(nèi)鋼管注漿試驗：第一根鋼管長146m，注漿分次進行，先灌注純水泥漿，待漿液充滿整個鋼管并從通氣孔內(nèi)往外噴射漿液為止，停止一段時間后再灌注水泥砂漿，水泥：砂=1：0.2，漿液較稠；第二根鋼管長146m，采用水泥砂漿一次性灌注，由于砂漿稠度大，灌注效果較差，鋼管尾部僅出現(xiàn)少量漿液，漿液未充滿鋼管；第三根鋼管長146m ,分兩次灌注，第一次采用純水泥漿，外加微膨脹劑及增加流動性和和易性的外加劑，注漿壓力達2MPa，漿液擴散到鋼管四周空隙，待第一次漿液初凝后采用純水泥漿進行二次漿液灌注；挖孔分析第三種注漿效果好，漿液擴散到鋼管四周，填滿管壁四周空隙，鋼管內(nèi)僅有2cm左右的空隙，水泥漿液強度在10MPa以上。
四、試驗初步成果
試驗過程中采用兩種機型，三種工況，模擬蒲黃榆車站管棚布置最不利段進行試驗；在鉆機選型、工作效率、導(dǎo)向系統(tǒng)選擇及精度控制、泥漿配置、回擴孔拖管等方面取得初步成果。
1、鉆機選型
根據(jù)蒲黃榆車站風(fēng)道與車站結(jié)合部空間限制，鉆機本身長度在5m以下，鉆桿中心到鉆機最頂緣距離在0.6m以內(nèi)，鉆桿中心到兩側(cè)寬度控制在1.5m以內(nèi)；根據(jù)試驗施作146m長管棚回拖φ114mm鋼管，選擇國產(chǎn)回拖力150KN鉆機較合適，鉆機長度控制在5m內(nèi)，寬度控制在2m內(nèi)。
2、工作效率
根據(jù)試驗，采用回拖力150KN鉆機，施做146m長φ80mm導(dǎo)向孔，使用ECLIPSE無線地下定位系統(tǒng)導(dǎo)向時，需6小時30分鐘左右，即每小時鉆進22.5m；回拖φ114mm鋼管，采用外絲連接時，一次性邊回擴孔邊回拖，需8個小時零10分鐘左右，當接頭采用焊接時時間更長。導(dǎo)向孔鉆進時需鉆機操作及導(dǎo)向人員各一名，裝卸鉆桿人員一名，泥漿配置人員兩名，回拖時增加三名鋼管連接人員。
3、導(dǎo)向系統(tǒng)及導(dǎo)向控制
由于超前長管棚距離長，導(dǎo)向孔精度很難控制，導(dǎo)向系統(tǒng)是導(dǎo)向孔鉆進成功與否的關(guān)鍵，目前最先進的導(dǎo)向系統(tǒng)是美國DCI公司生產(chǎn)的地磁地下定位系統(tǒng)；本次試驗采用DCI公司生產(chǎn)的ECLIPSE無線地下定位系統(tǒng)，配置普通型和加強型兩種探棒，普通型探棒采用普通2#電池即可，每兩節(jié)電池使用時間大致在9個小時左右，而加強型探棒發(fā)射信號強，耗電量大，必須采用特制鋰電池，施工過程中根據(jù)埋深的不同選擇不同的探棒，當埋深在7m內(nèi)時采用普通探棒信號強度能滿足鉆進要求，當深度在7～10m范圍內(nèi)時采用加強型探棒能滿足要求。
由于無線地下定位系統(tǒng)是通過地面接收器接收探棒發(fā)射的信號來判斷鉆頭的位置，而探棒發(fā)射信號又受環(huán)境的干擾，實測的數(shù)據(jù)必然由于信號的干擾衰減而存在誤差，經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)在同樣環(huán)境下探棒埋深相同（相近）時接收器實測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)存在一個基本固定的差值；由于鉆頭是對探棒發(fā)射信號也有影響，因而標定時把探棒置于鉆頭內(nèi)進行標定與單獨進行探棒標定也存在差值，因此標定時應(yīng)當把探棒置于鉆頭內(nèi)進行標定。在進口處鉆頭傾角保持一致的情況下，接收器實測數(shù)據(jù)與設(shè)計數(shù)據(jù)比較，可能存在一個差值，在導(dǎo)向孔鉆進過程中實測數(shù)據(jù)統(tǒng)一進行該差值的調(diào)整，試驗過程中利用該理論進行導(dǎo)向孔鉆進控制，挖孔檢查及出口結(jié)果基本滿足定差理論。
試驗中模擬蒲黃榆車站管棚設(shè)計線路，鉆進坡度為定值，鉆進過程中鉆機操作人員通過遙顯上的傾角值對鉆頭傾角進行控制，鉆頭傾角偏差控制在±0.3%以內(nèi)，發(fā)現(xiàn)偏差通過遙顯上鉆頭鐘面值對鉆頭進行傾角調(diào)整；左右偏差通過接收器測得鉆頭的前后點，通過連線確定鉆頭左右偏差，測試頻率為每米測一次。通過試驗采用ECLIPSE無線地下定位系統(tǒng)進行導(dǎo)向，當埋深在6m以內(nèi)時鉆孔偏差基本能控制在20cm之內(nèi)。
另外導(dǎo)向系統(tǒng)還有ECLIPSE有線地下定位系統(tǒng)及地磁地下定位系統(tǒng)，地磁地下定位系統(tǒng)是利用地球磁場及有線探棒發(fā)射磁場確定鉆進線路的磁偏角，無磁鉆頭上的有線探棒發(fā)射信號通過連接線將信號傳輸?shù)竭b顯上，遙顯與電腦連接，在電腦上顯示鉆進線路的縱斷面及平面圖，與事先設(shè)計線路比較，發(fā)現(xiàn)偏差及時調(diào)整，從而確保導(dǎo)向孔鉆進與設(shè)計線路重合。
4、泥漿系統(tǒng)
泥漿系統(tǒng)作為管棚施工中的又一關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在導(dǎo)向孔鉆進及管棚回拖過程中起作關(guān)鍵作用，尤其在粉細砂及中粗砂地層中表現(xiàn)更為明顯。
泥漿以膨潤土及外加劑為原料按一定比例攪拌而成，不同地層對泥漿粘度有不同要求，通常采用馬氏漏斗測試泥漿粘度，膨潤土適宜水質(zhì)PH值為8-10；在試驗過程中一般粘土層采用國產(chǎn)膨潤土配一定量的Na(OH)攪拌形成泥漿，馬氏漏斗粘度在30秒左右，泥漿PH值在8-10之間，在導(dǎo)向孔鉆進及鋼管回拖過程中未出現(xiàn)塌孔、箍住鉆桿現(xiàn)象；在粉細砂層中，泥漿配置采用進口易鉆膨潤土外加少量聚合物（幫手），馬氏漏斗粘度在40秒左右，PH值在8-10之間，鉆進及回拖鋼管順利通過；泥漿必須攪拌均勻，泥漿用量一般為孔徑的3倍左右，采用機械攪拌，并可進行回收處理后再利用。
5、回擴孔拖管
管棚施工導(dǎo)向孔較小，回拖管徑較大，因此必須進行回擴孔；本次試驗導(dǎo)向孔直徑為80mm，鋼管直徑為114mm，擴孔器直徑159mm；在粉質(zhì)粘土層中由于粘土具有一定自穩(wěn)能力，邊回擴孔邊拖鋼管；在粉細砂層、中粗砂層中拖管前先擴一次孔，再回拖鋼管。根據(jù)試驗回擴孔徑為回拖管徑的1.3～1.5倍較合適?；赝箱摴芙宇^可采用外絲、內(nèi)絲、焊接，接頭承受拉力必須在150KN以上；其中內(nèi)絲對回拖影響最小，其接頭形式如下：
6、管棚注漿
根據(jù)試驗結(jié)果采用UB8型砂漿泵，漿液采用純水泥漿，外加微膨脹劑及增加流動性和和易性的外加劑，注漿壓力2MPa左右，并進行分次灌注；鋼管梅花型鉆孔，孔眼直徑10mm，縱向間距300mm，環(huán)向布置3排以上；每次回拖鋼管后及時進行注漿灌注施工,從一側(cè)往另一側(cè)注漿,漿液通過鋼管上的孔眼擴散到鋼管與孔壁之間的間隙中,有效的填充空隙，加固土體，防止地表由于間歇引起的沉降.
五、地面沉降監(jiān)測分析
經(jīng)過三次試驗,地表沉降監(jiān)測采用DINI12電子水準儀進行監(jiān)測,監(jiān)測從鉆孔前一天開始取初始值,監(jiān)測頻率為:鉆孔后前15天每天觀測一次,15～30天每兩天觀測一次,直至沉降趨于穩(wěn)定為止;對回拖鋼管及未回拖鋼管地表進行沉降監(jiān)測分析發(fā)現(xiàn),回拖鋼管后地表沉降明顯比未回拖鋼管處地表沉降小,尤其在管棚注漿后地表沉降很快趨于穩(wěn)定.
監(jiān)測曲線如下:
根據(jù)蒲黃榆車站工作空間限制及地層情況，本次長管棚試驗?zāi)M車站管棚工況，初步確定了適宜車站粘土層和粉細砂層管棚的施工工藝；管棚作為車站施工超前支護，對加固土體、提高地層鋼度效果明顯，在地鐵工程施工中具有廣闊的運用前景。
