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、導向系統、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。[關鍵詞]水平定向鉆機 導向孔 探棒 地下定位系統 地磁 回擴器 沉降 監測
一、概況
非開挖技術是從原始的鉆探技術衍生并逐漸發展起來的一種新興技術，是在不破壞地表的情況下鋪設各種地下管線的技術；我國在該技術上的開發落后于西方發達國家約20年，近幾年在我國非開挖技術取得了長足的進步；非開挖地下管線施工技術目前包括水平定向鉆進技術、氣動夯管錐技術、氣動沖擊技術、微型隧道技術等；水平定向鉆進技術特點是利用鉆桿的柔性在導向系統的監測下沿設計線路軌跡鉆進，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構，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） 導向儀選擇及導向精度控制
（5） 回擴孔拖管技術
（6） 地表沉降監測分析
（7） 管棚注漿
三、試驗過程分析
由于蒲黃榆車站兩側結合部采用中洞法施工，結構瘦小，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的配置。
1、鉆機參數：
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；地層為粉質粘土層。
鉆孔布置如下：
根據試驗場地化工三廠現場建筑物及地下電纜較多的現況，本次試驗導向系統采用美國DCI公司生產的ECLIPSE無線地下定位系統，該系統包括地面接受器及遙顯，地面接受器通過接收鉆頭內無線探棒發射的信號，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；鉆機操作人員根據接收器探測結果，在導向人員指揮下，對鉆頭偏離設計軌跡及時進行調整，確保鉆頭沿設計軌跡鉆進。
導向系統工作原理如下：
第一孔90m,導向孔鉆進耗時5小時；回拆鉆桿5小時。
結論：
本次試驗地層為粉質粘土層，有一定的自穩能力，導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，結果不理想；需加大鉆機本身的工作能力及相應的鉆桿配置。
㈡、第二次試驗
根據第一次試驗結果，本次試驗采用回拖力15t的鉆機進行試驗，地層為粉質粘土層。
1、鉆機參數：
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粘土層，具有一定的自穩性，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，經過處理后循環利用。
4、導向系統
本次場地內有電纜，導向系統采用美國DCI公司生產的具有一定抗干擾能力的ECLIPSE無線地下定位系統，探棒為普通探棒，探棒電池采用普通2#電池，每兩節電池使用時間為9個小時。
5、試驗結果
導向孔偏差：
本次試驗鉆機工作空間長、寬控制在5m×2m范圍內；地層為粉質粘土層，泥漿采用普通膨潤土，粘度在30秒左右，PH值控制在8.5-10，鉆進過程中未出現孔壁坍塌箍緊鉆桿現象；鉆機在工作過程中扭矩和回拖力均能滿足要求，導向孔鉆進扭矩控制在15MPa以內，④、⑤、⑥號孔每個孔回拖12m鋼管，回拖力在150KN內；鉆進163m導向孔用時控制在7個小時以內；埋深在5m左右時采用ECLIPSE地下定位系統進行導向，定位系統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。
㈢、第三次試驗
根據第一、二次試驗經驗，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，自穩能力稍差，導向孔鉆進及鋼管回拖成功與否泥漿起作關鍵作用，本次泥漿采用易鉆膨潤土，并在膨潤土內摻少量的聚合物（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、導向系統
本次鉆孔線路沿線有電纜、鋼筋混凝土基礎，對導向系統信號發射有一定干擾；試驗采用美國DCI公司生產的ECLIPSE無線地下定位系統，加強型探棒，探棒發射信號強，探測深度為19.8m，實際試驗過程中探棒發射信號隨埋深的增加逐漸減小，加強型探棒電池采用DCI公司生產的專用鋰電池。
4、回擴孔拖管
本次試驗回拖φ114×5mm鋼管，每節長6m，接頭采用三種方式連接，即外絲、內絲、焊接，回擴器直徑159mm。回拖試驗分兩種形式，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，接頭采用內絲連接，回拖力控制在120KN內。
6、試驗結果
導向孔偏差
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，但PVC管頂部仍有3cm高的空隙，鋼管內頂部也有2cm高度的空隙，效果一般。
第三次試驗：根據前兩次試驗，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管內充滿漿液，回填土部分漿液擴散最大半徑為80mm。管棚內鋼管注漿試驗：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、導向系統選擇及精度控制、泥漿配置、回擴孔拖管等方面取得初步成果。
1、鉆機選型
根據蒲黃榆車站風道與車站結合部空間限制，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，鉆桿中心到兩側寬度控制在1.5m以內；根據試驗施作146m長管棚回拖φ114mm鋼管，選擇國產回拖力150KN鉆機較合適，鉆機長度控制在5m內，寬度控制在2m內。
2、工作效率
根據試驗，采用回拖力150KN鉆機，施做146m長φ80mm導向孔，使用ECLIPSE無線地下定位系統導向時，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。導向孔鉆進時需鉆機操作及導向人員各一名，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、導向系統及導向控制
由于超前長管棚距離長，導向孔精度很難控制，導向系統是導向孔鉆進成功與否的關鍵，目前最先進的導向系統是美國DCI公司生產的地磁地下定位系統；本次試驗采用DCI公司生產的ECLIPSE無線地下定位系統，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，每兩節電池使用時間大致在9個小時左右，而加強型探棒發射信號強，耗電量大，必須采用特制鋰電池，施工過程中根據埋深的不同選擇不同的探棒，當埋深在7m內時采用普通探棒信號強度能滿足鉆進要求，當深度在7～10m范圍內時采用加強型探棒能滿足要求。
由于無線地下定位系統是通過地面接收器接收探棒發射的信號來判斷鉆頭的位置，而探棒發射信號又受環境的干擾，實測的數據必然由于信號的干擾衰減而存在誤差，經過試驗發現在同樣環境下探棒埋深相同（相近）時接收器實測數據與理論數據存在一個基本固定的差值；由于鉆頭是對探棒發射信號也有影響，因而標定時把探棒置于鉆頭內進行標定與單獨進行探棒標定也存在差值，因此標定時應當把探棒置于鉆頭內進行標定。在進口處鉆頭傾角保持一致的情況下，接收器實測數據與設計數據比較，可能存在一個差值，在導向孔鉆進過程中實測數據統一進行該差值的調整，試驗過程中利用該理論進行導向孔鉆進控制，挖孔檢查及出口結果基本滿足定差理論。
試驗中模擬蒲黃榆車站管棚設計線路，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，發現偏差通過遙顯上鉆頭鐘面值對鉆頭進行傾角調整；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無線地下定位系統進行導向，當埋深在6m以內時鉆孔偏差基本能控制在20cm之內。
另外導向系統還有ECLIPSE有線地下定位系統及地磁地下定位系統，地磁地下定位系統是利用地球磁場及有線探棒發射磁場確定鉆進線路的磁偏角，無磁鉆頭上的有線探棒發射信號通過連接線將信號傳輸到遙顯上，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，與事先設計線路比較，發現偏差及時調整，從而確保導向孔鉆進與設計線路重合。
4、泥漿系統
泥漿系統作為管棚施工中的又一關鍵環節，在導向孔鉆進及管棚回拖過程中起作關鍵作用，尤其在粉細砂及中粗砂地層中表現更為明顯。
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PH值為8-10；在試驗過程中一般粘土層采用國產膨潤土配一定量的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，在導向孔鉆進及鋼管回拖過程中未出現塌孔、箍住鉆桿現象；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
管棚施工導向孔較小，回拖管徑較大，因此必須進行回擴孔；本次試驗導向孔直徑為80mm，鋼管直徑為114mm，擴孔器直徑159mm；在粉質粘土層中由于粘土具有一定自穩能力，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。根據試驗回擴孔徑為回拖管徑的1.3～1.5倍較合適。回拖鋼管接頭可采用外絲、內絲、焊接，接頭承受拉力必須在150KN以上；其中內絲對回拖影響最小，其接頭形式如下：
6、管棚注漿
根據試驗結果采用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,從一側往另一側注漿,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、地面沉降監測分析
經過三次試驗,地表沉降監測采用DINI12電子水準儀進行監測,監測從鉆孔前一天開始取初始值,監測頻率為:鉆孔后前15天每天觀測一次,15～30天每兩天觀測一次,直至沉降趨于穩定為止;對回拖鋼管及未回拖鋼管地表進行沉降監測分析發現,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定.
監測曲線如下:
根據蒲黃榆車站工作空間限制及地層情況，本次長管棚試驗模擬車站管棚工況，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。
