CN110067561A - 下穿既有线城市地下暗挖区间施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种下穿既有线城市地下暗挖区间施工方法，包括如下步骤：先在预下穿既有线的两侧施作竖井，且两竖井位于预暗挖区间的两端；再由两竖井对向打设管棚，对向管棚端部互相搭接。本发明的目的在于：针对现有管棚法施工存在不易控制管棚打设精度的问题，提供一种下穿既有线城市地下暗挖区间施工方法。该施工方法通过缩短单次打设管棚的长度，以达到减小管棚偏移的目的。在相同管棚偏移角度的情况下，可以减小管棚前端的偏移量，从而提高了管棚的打设精度。

Description

下穿既有线城市地下暗挖区间施工方法

技术领域

本发明属于城市地下空间施工技术领域。具体地，涉及一种下穿既有线的城市地下暗挖区间的施工方法。

背景技术

下穿既有交通线路的城市地下暗挖区间，通常采用管棚法施工。管棚法，是指为防止隧道开挖引起地表下沉或围岩松动，在开挖掘进前沿开挖工作面的上半断面周边按设计打入厚壁钢管，并采用钢拱架支撑钢管的施工方法。地层中构筑的临时承载棚为安全开挖预先提供增强地层承载力的临时支护，适用于软弱地层和特殊困难地段，如破碎岩体、塌方体、砂土质地层、强流失性地层、浅埋大偏压等围岩，并对地层变形有严格要求的工程。

现有管棚法施工采用单根钢管单向一次打设，但由于钢管长度较长，在打设过程中，若钢管前端与预定方向发生微小偏离，在打设完成后，钢管与预定方向则会产生较大偏角，故非常不易控制管棚打设精度。另外，现有管棚法施工采取“先成孔、后顶管”的施工方法，在管棚施作过程中，极易在成孔后与顶管前的间隙发生塌孔，对上方持续运行的交通线路以及地层中铺设的中压燃气、上水、雨水等市政管线的安全造成威胁。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有管棚法施工工艺存在不易控制管棚打设精度的问题，提供一种下穿既有线城市地下暗挖区间施工方法。该施工方法通过缩短单次打设管棚的长度，以达到减小管棚偏移量的目的。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种下穿既有线城市地下暗挖区间施工方法，包括如下步骤：先在预下穿既有线的两侧施作竖井，且两竖井位于预暗挖区间的两端；再由两竖井对向打设管棚，对向管棚端部互相搭接。本方案通过设置两个竖井，并采用对向打设管棚的方法，可以将管棚长度缩小一半。在相同管棚偏移角度的情况下，可以减小管棚前端的偏移量，从而提高了管棚的打设精度。

作为优选方案，采用水平导向钻机钻进管棚，水平导向钻机设置有一根高压油泵管路，提供给进动力；还设置有一根泥浆泵管路，提供钻进循环泥浆。

作为优选方案，管棚打设过程中，钻机操作人员采用导向系统控制管棚钻进方向；导向系统通过设置在钻头上的监测装置检测钻头倾角值，监测装置将钻头倾角值信息传输至远程显示器，供钻机操作人员实时观察钻头倾角值，当钻机操作人员发现偏差后，对钻头倾角进行调整。

作为优选方案，管棚打设开始前，采用经纬仪检测管棚轴线方向，以按设计方向钻进；管棚打设完毕后，采用经纬仪复测管棚轴线方向，以检测钻进方向是否偏离设计方向。

作为优选方案，管棚钻进采用鸭板式钻头，管棚打设过程中，需要在竖直方向纠偏时，小冲程给进钻杆以进行竖向纠偏；管棚打设开始前，开孔方位给以方位角纠偏值，以进行横向纠偏。

作为优选方案，管棚打设完毕后，安装孔口封闭装置，并向管棚与孔口之间注浆；浆液流经管棚周围与地层之间的间隙，由管棚钢管前端进入管棚钢管，从管棚钢管前端向后端回流，管棚钢管内气体由孔口封闭装置上的排气孔排出。

作为优选方案，当排气孔流出浆液后，关闭排气孔，并继续注浆并保持压力，以使管棚内及管棚周围与地层之间的间隙充满浆液。

作为优选方案，在浆液中掺入膨胀剂，以使浆液填充密实。

作为优选方案，管棚打设的过程中，采用管棚做钻杆，一次性跟管钻进以形成满眼钻进。

作为优选方案，管棚打设过程中，管棚的打设顺序采取间隔若干孔位跳打的方式，以减小对地层的扰动。

综上所述，由于采用了上述技术方案，相比于现有技术，本发明的有益效果是：该施工方法采用“管棚对向打设，中部进行搭接”的方案，通过缩短单次打设管棚的长度，以达到减小管棚偏移的目的。在相同管棚偏移角度的情况下，可以减小管棚前端的偏移量，从而提高了管棚的打设精度。另外，该施工方法还采用“有线仪器导向，一次性跟管钻进技术”的方案，成孔和埋设棚管一次完成，确保施工精度的同时，减少对上部土层的扰动，从而保证上方道路及管线的安全。

附图说明

图1是管棚布置示意图一。

图2是管棚布置示意图二。

图3是管棚施工工艺流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例公开了一种下穿既有线城市地下暗挖区间施工方法，以下举一具体工程例进行说明：

该工程竖井两边仓开挖至7.5m、中仓开挖至5.5m时，将竖井临时封底，搭设作业平台进行暗挖隧道拱部Φ108@400大管棚施工，暗挖隧道长60m，管棚需由两端竖井对向打设，中部搭接长度2m，南侧竖井工作面管棚打设长度为32m。为增加管棚刚度，管内注1：1水泥浆填充。管棚布置见图1、图2。

该公程线路暗挖区间上跨一地铁线路，单根管棚长度60m，如单向一次打设，不易控制管棚打设精度，且管棚施作过程，下方既有地铁运营对周围地层产生振动，上方一街道地面持续交通以及道路下方存在中压燃气、上水、雨水等市政管线，如采取“先成孔、后顶管”常规施工方法，极易造成塌孔，对上方道路及管线安全造成威胁。经过对暗挖区间上方管线及管井情况进行调查，管棚施作过程B400污水管与管棚作业相冲突，拟对该管线进行废除，其余管线距管棚位置顶净距在0.9m以上，结合现场施工条件以及工程地质情况，采用“有线仪器导向，一次性跟管钻进技术”、“管棚对向打设，中部进行搭接”方法，成孔和埋设棚管一次完成，确保施工精度的同时减少对上部土层的扰动，保证上方道路及管线安全。由于道路下方管线主要集中在暗挖区间北侧，南侧竖井工作面施工的管棚对管线无影响。

有线仪器定向、一次性导向跟管钻进管棚施工工法是以管棚钢管为钻杆，由钻杆进行导向，同时配备导向仪，由位于钻头内的传感器将信号通过钻杆内的电缆直接传输到远程显示器上，实时监测钻头的钻进方位。根据打设长度，设计线路钻进轨迹(预设钻进角度)，在导向系统的监测下进行钻进。钻进时，高压液体通过钻杆、管棚钢管，从钻头前端射出，冲刷前方土体，同时钻杆旋转向前推进。管棚纠偏主要通过采用导向钻进专用鸭(斜)板式钻头(内设单向阀)实现。完成跟管钻孔深度后，撤出内部导向器具，然后封闭管口，向内部注入水泥浆。

该工程例具体施工工艺如下，管棚施工工艺流程见图3：

1、预埋套管

管棚环向间距为400mm，为避免大量截断格栅主筋，需预埋大管棚开孔套管。由于钻机水平钻进受钻具自重影响，钻具前端易下垂，大管棚中心距隧道初支结构开挖轮廓250mm,隧道初支施工接近管棚位置时由测量人员放出管棚施工控制线。根据管棚的设计位置和间距预埋Φ159mm,长875mm-1000mm的钢管，并固定牢固。套管中心环向间距0.4m，中心线应平行于隧道结构中线。当套管位置与隧道初支格栅辅筋位置冲突时，可断开辅筋以保证管棚位置的准确；当套管位置与格栅主筋冲突时，可适当调整套管位置,但允许偏差范围为50mm。套管预埋完毕后，对每个孔进行编号。

2、钻机安装就位

用5t电动吊葫芦将钻机吊至井底，沿预铺好的导轨移动至操作位置。施工时，根据每根管棚的位置、钻具长度、钻机高度等因素确定每个孔位的钻机位置、高度，钻杆要求与已设定好的孔口管方向平行，必须精确核定钻机位置。

3、预设钻进轨迹

根据工程实际情况设计钻进轨迹。钻进轨迹的设计应综合考虑地层条件，管棚长度等因素，正式开钻前应做试验孔，核实地层，修正设计轨迹。

4、导向钻进

(1)施工顺序

棚管打设顺序由一台钻机由里往外分段施工，采取每间隔两个孔位跳打。

(2)管棚钻进

施工前，技术人员对已预埋的套管管位、角度进行认真复测，误差超限者应进行调整；开孔定位，调试角度必须由专人负责，并且做好复检，确保无误；孔口管安装要牢固，回水阀门、密封装置要有效。施工采用一台FDP—15B型水平钻机进行钻孔，钻孔前，精确测定孔的平面位置、方向和仰角，并对每个孔进行编号。直接用棚管做钻杆，形成满眼钻进，有效地约束钻头，减小或防止钻具偏斜。

5、跟进钢管

随钻进加尺将棚管依次打入，成孔与棚管埋设一次完成。管棚钢管连接时为防止反转脱扣，丝扣上紧后，接缝处点焊3—4处。

为了避免相邻钢管同步搭接，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1.5m钢管，其它钢管长度均为3m。

6、方向控制与纠偏

(1)上下偏移控制

水平钻进受钻具自重影响，钻具前端易下垂，为了减少纠偏的工作量，控制环状间隙的扩大，开孔定位时，管棚中心距隧道初支结构开挖外轮廓250mm，钻进时用水平导向仪及钻具前面的探头控制鸭板式钻头(内设单向阀)调整钻进轨迹(垂向)，保证棚管打设满足设计要求。需要纠偏时，当钻头斜面向下，小冲程给进钻杆，钻头将逐步上抬，达到向上纠偏的目的；同理，当钻头斜面向上，可达到向下纠偏的目的。管棚的横向偏差主要通过初始段管棚钻杆的轴线方向来控制。施工时要保证钻机的横向稳定，并严格控制孔内环状间隙的扩大；钻具顺时针旋转，产生右旋力，可能会使钻孔水平向右偏斜，但偏斜幅度较小，在细碎屑较均质地层中钻进时易控制，开孔定方位时给以方位角纠偏值，可以达到质量要求。

(2)方位偏移控制

钻进过程中钻机操作人员通过远程显示器上的倾角值对钻头倾角进行控制，钻头倾角偏差控制在±0.3％以内，发现偏差通过远程显示器上钻头钟面值对钻头进行倾角调整，一般测试频率为每米或每节钻杆测一次。为保证整条钻进轨迹的精度，在一次性导向跟管钻进长管棚施工中，还要利用钻杆即管棚钢管做导向。即开始钻进前用经纬仪准确测定钻杆的轴线方向，按设计方向钻进。钻进10～20m后，管棚内接入照明线路，复测管棚的轴线方向。满足要求后，在该段管棚的导向下，可保证整个钻进轨迹不发生大的偏差。此外，钻具顺时针旋转，产生右旋力，可能会使钻孔水平偏斜，但水平偏斜幅度较小，在细碎屑较均质地层中钻进时易控制，开孔定方位时给以方位角纠偏值，可以达到质量要求。

(3)加强过程监控与纠偏

开钻前，应精确核定孔位，保证钻机钻杆线与管棚设计轴线吻合以及钻机在钻进时不产生偏移和倾斜。每钻进一节钻杆要记录远程显示器上钻头钟面值，若偏差较大，应及时对钻头进行倾角调整。钻进10m后，停止钻进，开始进行管位测斜。管棚测斜采用灯光测斜原理，复测管棚的轴线方向，若满足要求，则继续钻进；若偏差较大，应进行横向调整，甚至重新开钻。

7、泥浆循环

施工中采用小泵量泥浆循环，通过钻头后部的单向阀与孔口密封装置(密封盒)的控制，保证孔内(环状间隙)泥浆饱满起到护壁防塌等作用(保压)。泥浆采用定向钻进专用高质量膨润土及外掺剂配制而成，马氏漏斗粘度在30-40秒左右，PH值控制在8.5-10，泥浆采用机械搅拌，必须搅拌均匀，泥浆用量一般为孔径的3倍左右，钻进及回拖过程中为减少泥浆损耗，采用泥浆回收系统，经过处理后循环利用。为防止地面沉降，严格控制出(泥)沙量，须通过回水阀门与密封盒的有效控制，始终保持回水(浆)量小于进水量。

严格控制扩孔率，减少地层损失。施工时，严格控制循环泥浆回流泥砂量，钻孔直径大于棚管外径值应控制在20～30mm以内，尽量减少因钻孔纠偏所造成的扩孔值，要求定向钻进中坚持“以保为主，以纠为辅“的原则。在施工中，根据对地层情况的了解，对技术参数进行适时调整。

8、管棚注浆

棚管打设终止后，调整孔口密封装置(密封盒)，开始注浆。浆液采用BW—250型泥浆泵灌注。管棚注浆浆液选择1：1水泥浆，其中水泥标号选用P042.5普通硅酸盐水泥。管内空气通过设置在孔口密封装置上的排气孔排除。当排气孔流出浆液后，关闭排气孔,使浆液充满钢管，为保证密实，浆液中可掺入适量膨胀剂。

对于钻进原理，导向跟管法的钻孔方式主要有冲击回转跟管钻进和螺旋钻孔跟管钻进两种。冲击回转跟管钻进主要用在有砂砾石地层,特点是钻孔速度快,成孔精度高。采用套管护孔，中间风动潜孔锤冲击钻进，钻孔达到预定深度后，钻杆带出潜孔锤，钢套管留在孔内作为管棚管；螺旋钻孔跟管钻进主要用于粉、粘土层，钻进、铺管一次成活，省去钻孔后的推送管，成孔速度较快。

水平导向钻机有两根输入管路，一根接高压油泵，提供给进动力；一根接泥浆泵，提供钻进循环泥浆。钻进时，高压液体通过钻杆、管棚钢管，从钻头前端射出，冲刷前方土体，同时钻杆旋转向前推进。

循环泥浆的作用是：一方面冲刷、软化前方土体，另一方面起护壁作用以及降低钻头温度保护内部传感器。为保证泥浆的循环利用，现场设置泥浆池和沉淀池；孔口设置孔口管作为密封装置，起保压和卸流作用；钻头内设单向阀，防止泥浆回流。高压泥浆通过钻杆、管棚钢管，从钻头前端射出后，泥浆从钢管与土体间的间隙回流，最后通过孔口管汇入沉淀池。

对于导向原理，导向系统分为无线地下定位系统和有线地下定位系统两种。无线地下定位系统由传感器(探棒)、接收器、远程显示器和电源组成。其工作原理为位于钻头内的探棒发射高频信号，由接收器接收后会同远程显示器显示钻头的方位及埋深。有线地下定位系统由电缆传感器(探棒)和远程显示器及电源组成。其工作原理为位于钻头内的传感器将信号通过钻杆内的电缆直接传输到远程显示器上，时时监测钻头的钻进方位。在无线地下定位系统中由于接收器需要位于钻进轨迹正上方的路面进行跟踪监测，施工中常因为地上、地下建构筑物、地面交通、地下管线的影响而给正确接收带来很大困难。

无论何种导向方式，均是监测钻头的运行情况，钻进过程中钻机操作人员通过远程显示器上的倾角值对钻头倾角进行控制，钻头倾角偏差控制在±0.3％以内，发现偏差通过远程显示器上钻头钟面值对钻头进行倾角调整，一般测试频率为每米或每节钻杆测一次。为保证整条钻进轨迹的精度，在一次性导向跟管钻进长管棚施工中，还要利用钻杆即管棚钢管做导向。即开始钻进前用经纬仪准确测定钻杆的轴线方向，按设计方向钻进。钻进10～20m后，管棚内接入照明线路，用经纬仪复测管棚的轴线方向。满足要求后，在该段管棚的导向下，可保证整个钻进轨迹不发生大的偏差。

对于纠偏原理，管棚的上下纠偏主要依靠钻头的特殊构造来达到纠偏目的，其钻头采用导向钻进专用鸭(斜)板式钻头(内设单向阀)。正常钻进时，钻头旋转给进，由于受管棚钻杆自重影响，钻具前端易下垂。需要纠偏时，当钻头斜面向下，小冲程给进钻杆，钻头将逐步上抬，达到向上纠偏的目的；同理，当钻头斜面向上，可达到向下纠偏的目的。

管棚的横向偏差主要通过初始段管棚钻杆的轴线方向来控制。施工时要保证钻机的横向稳定，并严格控制孔内环状间隙的扩大；钻具顺时针旋转，产生右旋力，可能会使钻孔水平向右偏斜，但偏斜幅度较小，在细碎屑较均质地层中钻进时易控制，开孔定方位时给以方位角纠偏值，可以达到质量要求。

对于注浆原理，管棚打设完毕，安装孔口密封装置，从孔口开始注浆。浆液采用水泥浆。浆液通过管棚，从管头钢管外环状间隙开始回流，管内空气则通过设置在孔口密封装置上的排气孔排除。当排气孔流出浆液后，关闭排气孔,续灌注浆,使浆液充满钢管及周围的空隙，为保证密实，浆液中可掺入适量膨胀剂。注浆要有保压措施，环状间隙保压靠单向阀与关闭回水阀门及孔口密封；管棚内保压靠单向阀与孔口密封装置。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种下穿既有线城市地下暗挖区间施工方法，其特征在于，包括如下步骤：先在预下穿既有线的两侧施作竖井，且两竖井位于预暗挖区间的两端；再由两竖井对向打设管棚，对向管棚端部互相搭接。

2.根据权利要求1所述的下穿既有线城市地下暗挖区间施工方法，其特征在于：采用水平导向钻机钻进管棚，水平导向钻机设置有一根高压油泵管路，提供给进动力；还设置有一根泥浆泵管路，提供钻进循环泥浆。

3.根据权利要求2所述的下穿既有线城市地下暗挖区间施工方法，其特征在于：管棚打设过程中，钻机操作人员采用导向系统控制管棚钻进方向；导向系统通过设置在钻头上的监测装置检测钻头倾角值，监测装置将钻头倾角值信息传输至远程显示器，供钻机操作人员实时观察钻头倾角值，当钻机操作人员发现偏差后，对钻头倾角进行调整。

4.根据权利要求3所述的下穿既有线城市地下暗挖区间施工方法，其特征在于：管棚打设开始前，采用经纬仪检测管棚轴线方向，以按设计方向钻进；管棚打设完毕后，采用经纬仪复测管棚轴线方向，以检测钻进方向是否偏离设计方向。

5.根据权利要求4所述的下穿既有线城市地下暗挖区间施工方法，其特征在于：管棚钻进采用鸭板式钻头，管棚打设过程中，需要在竖直方向纠偏时，小冲程给进钻杆以进行竖向纠偏；管棚打设开始前，开孔方位给以方位角纠偏值，以进行横向纠偏。

6.根据权利要求5所述的下穿既有线城市地下暗挖区间施工方法，其特征在于：管棚打设完毕后，安装孔口封闭装置，并向管棚与孔口之间注浆；浆液流经管棚周围与地层之间的间隙，由管棚钢管前端进入管棚钢管，从管棚钢管前端向后端回流，管棚钢管内气体由孔口封闭装置上的排气孔排出。

7.根据权利要求6所述的下穿既有线城市地下暗挖区间施工方法，其特征在于：当排气孔流出浆液后，关闭排气孔，并继续注浆并保持压力，以使管棚内及管棚周围与地层之间的间隙充满浆液。

8.根据权利要求7所述的下穿既有线城市地下暗挖区间施工方法，其特征在于：在浆液中掺入膨胀剂，以使浆液填充密实。

9.根据权利要求8所述的下穿既有线城市地下暗挖区间施工方法，其特征在于：管棚打设的过程中，采用管棚做钻杆，一次性跟管钻进以形成满眼钻进。

10.根据权利要求9所述的下穿既有线城市地下暗挖区间施工方法，其特征在于：管棚打设过程中，管棚的打设顺序采取间隔若干孔位跳打的方式，以减小对地层的扰动。