CN105201406A - 水平螺旋钻的高精度管道施工工艺 - Google Patents

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庞周荣
李超
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Abstract

本发明涉及一种水平螺旋钻的高精度管道施工工艺，水平螺旋钻进工法首先利用光学控向系统在发射井一侧沿设计轨迹钻成一个先导孔至接收工作井内，然后在发射井内将导向钻杆与水平螺旋钻机的扩孔钻头、螺旋钻杆连接，水平螺旋钻机在掘进顶管过程中由导向钻杆同步牵引，使管线始终按照先导孔的设计轨迹前行，最终完成要精度高的管道施工。本发明具有顶管方向准确，工作效率高，适合多种地层，科学合理的特点。

Description

水平螺旋钻的高精度管道施工工艺
技术领域
本发明涉及市政管道及管棚支护的技术领域，具体地说属于一种水平螺旋钻的高精度管道施工工艺
背景技术
管道施工经常会遇到公路、铁路、河流房屋等不能采用明挖方式进行施工的情况，需采用非开挖的方法穿越这些障碍物。水平定向钻施工工艺导向精度相对于水平螺旋钻导向精度较低，而且对于覆土较浅的管道易造成地面沉降，同时泥浆对环境污染较大，在地铁管棚支护方面韩国的NIR工法采用人工顶管施做管棚支护，工作效率低，铺管精度差，而且后期隧道掘进时需切割管幕，架设钢支撑，工序繁琐，成本较大。而水平螺旋钻机顶管施工作为一种重要的穿越方式，越来越受到人们的关注，其精度定位顶管方向，实现多种地层大直径全套管快速顶进，且地面沉降小的特点，实现了高效率、短周期、造价低同时极大降低了劳动强度的优点。
发明内容
本发明提供了一种水平螺旋钻的高精度管道施工工艺，其特点是高精度、高效率、高质量
水平螺旋钻进工法首先利用光学控向系统在发射井一侧沿设计轨迹钻成一个高精度先导孔至接收工作井内，然后在发射井内将导向钻杆与水平螺旋钻机的扩孔钻头、螺旋钻杆连接，水平螺旋钻机在掘进顶管过程中由导向钻杆同步牵引，使管线始终按照先导孔的设计轨迹前行，最终完成要求高精度的管道施工。
发明施工方法就有如下的特点：
1、精确定位钻孔方向；
2、可以实现大直径全套管快速钻进；
3、地面沉降较小。
4、可适合多种地层。
5、当钻孔遇到不可能解决的障碍物时，螺旋钻杆包括钻头都可以被退出来，然后在已经铺设的钢管内清除障碍物，之后重新安装螺旋钻杆，继续钻进。避免了在障碍物上方挖坑排除障碍物。
附图说明
图1为水平螺旋钻导向孔施工示意图
图2为水平螺旋钻套管顶进示意图
图3为施工工艺流程图
具体实施方式
下面以沈阳地铁九号线一期工程(怒江公园～建筑大学)奥体中心站车站暗挖段管棚支护工程为例具体说明本发明，需要说明的是，给出实施例是为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。
第一节概述
一、工程概况及方案选择
本工程管幕钢管采用Φ900mm，钢管壁厚为16mm，两侧外加翼板，钢管中心间距为1000mm。全长约2704米，顶管覆土深度2.5米。
工作井、接收井：根据设计图及结合现场实际，工作井及接收井采用围护桩结构。
管材：本工程管幕钢管采用Φ900mm，钢管壁厚为16mm，两侧外加翼板。
施工工艺选择：根据该段土质情况，该顶管段采用本发明进行非开挖顶管施工。
二、工程地质情况
设计范围地貌单元为混合冲击平原，地层由上而下依次为杂填土，粗砂，砾砂，粉质粘土，砾砂，圆砾，粉质粘土，细砂，圆砾。地层中有一个含水层，含水层岩性以砾砂、圆砾层为主，含水层分布连续稳定，厚度变化较大。地下水类型为孔隙潜水，稳定水位卖身12.2～16.6米，相应标高29.70～32.86米。地下水对混凝土结构具有微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具有微腐蚀性。场地类别为II类，地震动峰值加速度为0.10g。场地20米深度范围内存在饱和砂土地层，根据GB50111-2006《铁路工程抗震设计规范(2009年版)》关于液化土判别方法的判定结果，勘察场地的饱和砂土在地震烈度为7度时，判定为不液化土层。根据钻探揭露、原位测试和室内实验成果的综合分析，本工程穿越地层主要位于杂填土层。
第二节顶管施工方案
水平螺旋钻进法首先利用光学控向系统在发射井一侧沿设计管位轴线钻成一个高精度导向孔至接收工作井内，然后在发射井内将导向钻杆与水平螺旋钻机的扩孔钻头、螺旋钻杆连接，扩孔钻头沿着导向钻杆的方向掘土前进，钻屑通过螺旋叶片从管内运到发射井，掘进过程中工作管同步顶进，使管线始终按照先导孔的设计轨迹前行，最终完成要求精度标高控制的管棚支护。
1、穿越钻机的确定和设备情况
钻机设备的能力按设计穿越长度计算，根据钻机回拖力的计算确定所选择的钻机。我方计划投入SPZ--1200型水平螺旋钻机完成此项工程的分类施工。
计划用于本工程的主要设备配置情况
2、工法原理
水平螺旋钻进工法首先利用激光控向系统在发射井一侧沿设计轨迹钻成一个先导孔至接收工作井内，然后在发射井内将导向钻杆与水平螺旋钻机的扩孔钻头、螺旋钻杆连接，水平螺旋钻机在掘进顶管过程中由导向钻杆同步牵引，使管线始终按照先导孔的设计轨迹前行，最终完成要求高精度的管道施工。
3、水平螺旋钻机结构构成
钻机系统：由钻头、绞龙、离合变速器带动绞龙、钻头转动，钻头切割地层，绞龙将钻屑传送到孔外，使地层成孔。
钻头分为泥土钻头、泥浆钻头、岩石钻头等三种，泥土钻头和泥浆钻头一般安装的有飞刀，采用铰接式，当正转时飞刀打开，钻头旋转使直径大于外管外径，以形成一定的超挖，减轻外壁和土的摩擦阻力，反转飞刀收回，钻头的直径小于套管内径，以使钻机倒退安装组对管套、铰龙。
顶进系统：由液压缸、液压泵、液压油箱组成，与传统顶管发的千斤顶相同，用来将套管顶入挖掘的孔内。
动力系统：包括发动机、传动装置、燃料罐等，为挖掘系统及顶进系统提供动力。
套管适配器：每种规格套管配不同的套管适配器，它的作用是卡住套管，保证套管与动力驱动轴同心。
导轨：分主导轨(长6米)和加长导轨(长3米)，主导轨始终作为轨道的最后部分，加长导轨与主导轨用螺栓连接，穿越时如果套管较长就需要连接连个或三个加长导轨。二、顶管施工工艺的说明
1、本发明工艺流程图，见图3
2、主要工序
a、测量放线
管位高程点引测：利用水准仪将地面已知控制点高程引测至基坑底部高程控制桩上，采用多测回取平均值的方法减少观测误差。
管位轴线点引测：首先对交桩控制点的高程和位置进行复测，确认无误后进行放线作业。将经纬仪架设在出钻点的已知交桩控制点上，精确对中调平后，照准架设在已知入钻点上的卡尺底部，水平制动，微调水平螺旋精确对中，调整照准部将轴线引测至入钻坑的前后壁上，若基坑较深，经纬仪无法引测至坑底，可利用垂线仪或垂球将轴线点引测至坑底以确定基坑内入土点位置以及控向仪器的架设位置。
b、光学导向系统固定
光学导向系统由平行光源、经纬仪、摄像机、显示器组成，通过经纬仪照准位于到导向钻头内的光靶，通过安装在经纬仪目镜上的摄像机将观测到的光靶位移信息，经过数模转化器显示在量子屏上。钻机操作手通过图像控制导向钻头的顶进方向，从而实现高精度管道铺设。
导向施工前，在水平螺旋钻机的中线上架设经纬仪，将钻机中线引测至基坑前后壁上，确定钻机中线位置与施工管线轴线重合。将内置光源的标靶装入导向钻头，在已放样的控向仪器的位置上架设控向仪，精确对中整平，调整可升降脚架使仪器照准部视线中心与轴线重合，固定升降螺杆，调整水平微动螺旋照准标靶的中心，水平制动。安装摄像机镜头与显示仪。控向仪器安置好后在其上搭设遮挡板，防止基坑上方坠落物损伤仪器或改变轴线照准方向。
将控向仪器的脚架位置确定后作出标记，在脚架位置用电钻钻孔，孔深100mm，在孔内打入膨胀螺丝，将脚架通过膨胀螺丝固定在硬化后的地面上。
c、导向钻杆的链接
导向钻杆以八方套的形式连接，并且在连接处插入特质连接销进行加固，防止在钻进和回抽的过程中扭矩增大导致钻杆断裂失连。
d、控向纠偏
斜口管鞋导向系统主要包括导向钻头、导向钻杆，目标靶和经纬仪。当导向钻头发生偏移时，目标靶的中心点和瞄准光束的十字丝中心点不重合，这时可旋转导向钻头，使导向钻头的斜面向着偏斜的方向，随后继续顶进导向钻杆，当目标靶的中心点和瞄准光束的十字丝中心点重合后，随即旋转钻进。即可达到纠偏的目的。
e、掘土顶进
钻机的后部有坚固结实的挡板墙，调整好方向开始钻进，边旋转钻头边顶进钢管，钻头切屑下来的泥土通过钢管内的螺旋钻杆的旋转送至出泥口，用设备排出坑外，随着泥土不断被排出坑外，钢管也不断的被顶入土中，顶进第一节钢管后，退回钻机，组装第二节钢管，对接螺旋钻杆，继续钻进，如此反复操作，直至钻进到规定长度，管线穿越完毕。
f、首节顶进
导向孔施工结束后，利用水准仪和经纬仪复测施工导向孔水平方向和竖直方向的偏差，若误差在施工允许误差范围内，则进行顶管作业。
顶管作业开始前，由于每种规格套管配有不同的套管适配器，它的作用是卡住套管，保证套管与动力驱动轴同心。故本工程采用Φ900套管适配器，安装在液压顶进系统的动力驱动轴前端，用来卡住套管，保证同心。在动力驱动轴上安装短接，作为动力轴与螺旋钻杆的链接装置。
首节管道安装之前，应在管头焊接Φ920的钢管头，管头尺寸略大于所需顶进钢管的尺寸，以减小钢管在顶进过程中所受到的摩擦阻力。管头焊接结束后，套装螺旋钻杆，安装扩孔钻头。将钢管吊装至水平螺旋钻机正中，将螺旋钻杆的公头与安装在动力轴上的连接母头相连，用套管适配器卡住钢管，调整鞍形座适配器使顶管保持水平。调整过程中用水平尺靠平。将扩孔钻头与导向钻杆相连，进行掘土顶管作业。
顶进过程中，用水准仪控制顶进管道的高程变化，每0.5米观测一次并做好测量记录。
施工总结
根据实验段两道相邻钢管总长144m顶进施工情况进行总结
施工设备于2015年1月5日进场，1月27日完成顶进，施工精度满足甲方要求，平均每天完成顶进6.5米，正常情况下每日顶进7米，管道穿越地层包括杂填层、淤泥层、黄土层，实践证明该施工工艺科学合理，操作方便，顶管方向准确，工作效率高，地面沉降小，适合多层地层。

Claims (4)

1.水平螺旋钻的高精度管道施工工艺，其特征在于首先利用光学控向系统在发射井(1)一侧沿设计轨迹(2)钻成一个先导孔至接收工作井(3)内，然后在发射井(1)内将导向钻杆(4)与水平螺旋钻机(5)的扩孔钻头、螺旋钻杆连接，水平螺旋钻机(5)在掘进顶管过程中由导向钻杆(4)同步牵引，使管线始终按照先导孔的设计轨迹(2)前行，最终完成要求高精度的管道施工。
2.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于：水平螺旋钻在施做导向孔前，先沿管位轴线方向布设地勘孔，获取施工地层情况，同时对已有地下管线进行调查。
3.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于：水平螺旋钻机在掘进顶管过程中，采用管外注浆的方式减小钢管与工体之间的摩擦阻力。
4.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于：水平螺旋钻机在掘进顶管过程中，通过导向钻杆对扩孔钻头进行牵引，同时利用水准仪对每根钢管顶进状态进行检测。
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