HDD技术实施城市隧道长管棚施工工法.doc

HDD技术实施城市隧道长管棚施工工法
工法编号：FJGFEJ13-2011
完成单位：中铁二十四局集团福建铁路建设有限公司 福州铁建建筑有限公司
主要完成人：钱寅星 陈再兴 严丽 郑耕心 黄斌
1 前 言
1.0.1 随着社会经济的发展和城市道路网的扩展及调整，城市地下行人或行车隧道的应用越来越广泛。由于城市都是在发展到一定规模以后，才开始修建城市隧道，因此地下空间非常有限，特别是在繁华城区，高楼林立，地下管线纵横交错，桩基等地下建(构)筑物密布，地下环境复杂多变，这给城市隧道施工都带来了极大的难度和风险。在城市地下浅埋隧道暗挖施工中，控制围岩的松弛，控制塌方和地表下沉是施工中的难点和重点，如何保证长大管棚的施工精度就显得非常重要。HDD技术（即Horizontal Directional Drilling，又称水平定向钻进技术，是非开挖技术的一种），是将石油工业的定向钻进技术与传统的管线施工方法结合在一起的一项施工新技术。
1.0.2 中铁二十四局集团福建铁路建设有限公司2006年在厦门明发商业广场地下行车通道的施工中，该地下通过的超前长管棚钢管外壁间距只有5cm，土层覆盖层为1.7～1.8m，必须采用HDD技术敷管施工。针对这一工程难题，中铁二十四局集团福建铁路建设有限公司开展科研攻关，形成了HDD技术施工城市隧道长管棚关键技术，并形成本工法。
1.0.3 本工法获得中铁二十四局集团有限公司2007年科技进步一等奖。
1.0.4 经福建省科学技术信息研究所查新，本工法的关键技术达到国内领先水平，所编写的工法达到国内领先水平。
1.0.5 本工法于2006年厦门明发商业广场地下行车通道的超前长管棚首次应用，随后在厦门杏林大桥高崎互通下穿嘉禾路隧道等工程中应用，在后续的工程建设中进一步得到推广和完善。
2 特 点
2.0.1 HDD技术施工占地面积小，一般不阻碍地面交通不影响人们的日常生活，土方开挖与回填量很少。
2.0.2 HDD技术施工可沿由多种曲线与直线组合在一起的轨迹中钻进，在遇到障碍物时，处理较顶管施工容易。
2.0.3 HDD技术施工不破坏绿地，不影响交通，不产生大气粉尘，对周边环境影响很少。
2.0.4 落后 HDD技术施工精度高，施工周期短，有较好的社会效益和经济效益。

3 适用范围
本工法可以广泛用于穿越公路、铁路、建筑物以及在闹市区、古迹保护区等条件下，针对隧道工程长管棚控制精度要求高的工程进行施工。本工法适用于沙土、粘土、卵石等地况，工作环境温度为15～45℃，适用于我国大部分非硬岩地区钻进长管棚的施工。

4 工艺原理
HDD施工长管棚技术是指在不开挖地表的情况下，钻头和钻杆在定向钻进导向仪的引导下，穿越地层先形成一个导向孔，随后在钻杆柱端部换接大直径的扩孔钻头和直径小于扩孔钻头的待铺设钢管，在回拉扩孔的同时，将待铺设的钢管拉入钻孔，完成铺管作业。定向钻进导向仪是一套完整的信息系统。它包括智能型的无线抗干扰双频探头或有线探头发射装置，手提液晶显示仪及远距离同步显示器，探测深度一般为10～16m，可连续显示钻头的深度、面向角、温度和电池状况等信号，以保证施工的顺利完成。 导向原理图如图4所示：

图4 HDD技术钻进导向原理图

5 施工工艺流程及操作要点
5.1 施工工艺流程
施工工艺流程如图5.1所示。
施工准备

开挖工作坑
钻机就位
导向钻进
焊接钢管
回拖钢管
钻机移位
管棚注浆

图5.1施工工艺流程

5.2 操作要点
5.2.1 准备工作
1 首先对工地的已有相关资料进行查阅，勘察现场。主要检查工地的进场路径、土质和地层条件、地表地形、有无障碍物、地下管线分布、交通状况、跟踪定位系统的干扰源(如钢筋条，铁轨等 )及供水条件等情况。
2 打长管棚前应探测好其准确位置，必要时挖开地面，画出其纵断面图，标明其高程、尺寸及和长管棚的相对位置。发现有管线影响到打长管棚时，应迁改，迁改不了的，则稍调整一下钻孔的位置，在工作面上标出各个孔的位置，并对每个孔进行编号。
3 在钻孔之前应标出孔位，开钻前应将长管棚就位的路线测量出来，在此线上立好3根花杆，然后拉线每隔15cm用白漆喷出一点，并测出这些点离长管棚中心线的高程差H，记录好备用。
5.2.2 开挖工作坑
开挖二处工作坑,钻机所在一侧为工作坑A，另一侧为工作坑B。用槽钢或其他支护措施支护四壁，由于长管棚一般呈门形布置，先打最上面一排管，然后打两侧垂直布置的管。钻机所在工作坑A不能一次开挖到底，需配合钻孔要求分层开挖；另一侧的工作坑B可一次开挖到底，用支架拖管使其到达回拖的位置。
5.2.3 钻机就位
1 将钻机吊入工作坑内，固定就位。安装钻机要求孔位对正、基础牢固，依照设计钻孔轴线对正钻机动力轴中心，采用测量仪器测量其轴线及中心高程，确保准确无误后固定钻机。
2 钻机设置基础，基础采用钢垫板，钢垫板与基础采用膨胀螺栓固定；钻机安装达到以下标准：H型钢轨找平误差 <3mm，底盘对角线找方误差小于±3mm，四柱对角误差小于±5mm。
5.2.4 导向钻进
1 导向钻进前应对钻机定位情况，方位、倾角情况，孔口管对中情况、冲洗液流通以及导向仪显示情况进行全面复检，确认正常后进行试钻。
2 钻机操作员根据导向员的指示操作，每次钻进不宜太多，一般在10～30cm之间，以便及时纠偏，最多不宜超过50cm。
3 在钻机的钻头内安装一探棒，根据探棒发出的信号，导向仪接收到信号后会显示出钻头此时离地表的深度和钻杆与就位水平线的夹角。将深度h与事先测得的深度H做比较后进行深度调整，夹角α用于控制水平方向，根据α值进行方向调整。若h和α值都在允许范围内，则沿着就位线水平前进，
4 深度纠正：如果探测校订值大于设计深度值，则通知司钻调整方位角为 12点进行顶进；如果探测值小于设计深度值，则通知司钻调整方位角为6点进行顶进；每次顶进长度为0.5m，直到深度值符合设计值再进行正常钻进。
5 采用倾角控制深度：对于每个探测点必须测量其倾角，如果其倾角均保持零度，则钻孔保持水平，满足设计要求；如果不为零度，可以此值进行计算深度偏听偏差值进行纠正。
6 方向纠正：如果探测点位于地表投影线的右侧，则通知司钻调整方位角为 9点进行顶进；如果探测点位于地表投影线的左侧，则通知司钻调整方位角为3点进行顶进；每次顶进长度为0.5m，直到测量点方向符合设计值再进行正常钻进。
5.2.5 焊接钢管
钢管采用焊接连接，在架管前焊接好，焊接时注意不仅横截面要焊，在接缝的纵向也应加焊两块竖长的铁板，以避免钢管回拖时断管。
5.2.6 回拖钢管
定向钻机钻到位后，卸下钻头，换上回扩头，用螺栓将钢管和回扩头旋紧。回拖时回拖头选钻扩孔，钢管只前进不旋转。边回拖边卸钻杆。
5.2.7 钻机移位
回拖到位后，卸下回扩头清洗，钻机移位至下一孔。
5.2.8 管棚注浆
1 根据设计要求，将注浆管与管棚用套丝连接，注浆套管上准备由出气管与进浆管，由阀门来控制开关，然后安装排气管，连接注浆管等各种管路，利用锚固剂封闭掌子面与管棚间的孔隙，防止漏浆．
2 关闭孔口阀门，开启注浆泵进行管路压水试验，如有泄漏及时检修，试验压力等于注浆终压。
3 注浆时，采取低压力中流量注入，注浆过程中压力逐步上升，流量逐渐减少，当压力升至注浆终压时，继续压注 10min，才结束注浆。
5.3 劳动力组织
HDD技术施工长管棚工序多，技术性强，一台钻机施工1根长管棚的劳动力约35人，见表5.3。
表5.3 劳动力组织
序 号
工 程 项 目
人数
1
准备工作（调整钻头、打出导向轨迹线、固定钻机）
5人
2
导向钻进
5人
3
焊管
3人
4
架管
6人
5
扩孔回拖
11人
6
结束工作（卸钻头、钻机移位）
5人
6 材料与设备
6.1 材 料
本工法所需材料如表6.1：
表6.1 材料表
序号
名称
规格
技术指标
1
水泥
425#普通硅酸盐水泥

2
无缝钢管
φ108×5mm

3
砂

4
水

6.2 设 备
6.2.1 机具设备见表6.2.1。
表6.2.1 机具设备表
序号
机具名称
型号
单位
数量
1
分体式钻机
DF5015
台
1
2
非开挖定向钻进导向系统
RD领航者（iTrack）
台
1
3
探棒

把
2
6.2.2 南京地龙非开挖工程技术有限公司研制的DF5015型分体式钻机，指标如表6.2.2所示：
表6.2.2 DF5015型分体式钻机指标
特性/型号
单位
数值
最大顶力
kN
90
最大回拖力
kN
150
钻杆长度
m
2
钻杆直径
mm
φ60
入射角
度
6-22
机重
t
1.5
水箱容量
m3
2
水泵最大流量
L/min
150
钻头钻一圈的直径
mm
110
回扩头钻一圈的直径
mm
130

7 质量控制
7.0.1 施工时应严格执行以下标准、规范：
1 《城市人行天桥与人行地道技术规范》（CJJ69）。
2 《城镇地道桥顶进施工及验收规程》（CJJ74）。
7.0.2 施工中应严格遵守以下质量控制要求：
1 每根钢管钻进之前，都要将钻头里面的探棒取出，用导向仪正对好其斜角后重新装入，即保证探棒的位置重新放好。钻头上有两道槽，里面涂满固化剂，探棒发出的信号透过固化剂才能传出去，若有脱落要补涂，以保证导向仪探测数据的准确性。
2 根据导向仪上显示的深度和角度判断成孔情况，钻孔仰角控制在1度以内，钻孔上下左右偏移量控制在钢管长度的1％左右，并控制在20cm～30cm。
3 钻孔过程中发现成孔误差超限及时抽回钻头原位重钻，终孔时孔心误差控制在10cm以内。
4 若钻孔过程中若仍然挨到管线，采取抽回钻杆向上或向下钻进绕过此管线的办法。
5 掌握好开钻与正常钻进的压力和速度，防止断杆。导向和操作钻机专业性较强，应选择专业的、经过专门培训的、有经验的技术工人，能够独立操作和正确判断导向位置和土层情况。
6 类似城市小型浅埋暗挖隧道土层主要为类似本工程的部分回填土和部分粘性土层，钻孔时泥浆中要加入膨润土。
7 钻孔中遇到孤石时，泥浆中还应加入化学添加剂如“钻液宝”，并更换钻头，再重新钻进。
8 安全措施
8.0.1 在施工过程中应严格遵循以下标准、规范：
1 《施工现场临时用电安全技术规程》（JGJ46）。
2 《建筑施工高处作业安全技术规范》（JGJ80）。
3 《建筑机械使用安全操作规程》（JGJ33）。
8.0.2　施工过程应特别注意做好监测量测，以此指导施工，确保施工安全。
1 开挖过程采取全方位全过程监控量测。根据需要采用超前的地层变形监测、深层地层沉降监测、深层地层水平变形监测、水位监测。
2 对应的洞内收敛、拱顶沉降监测。根据相关的监测规程布设洞内收敛、沉降测点，洞内监测主要是体现支护结构变形。
3 地表建筑物沉降、裂缝监测。对应受影响的建筑物的沉降、不均匀沉降、裂缝开展监测。
9 环保措施
9.0.1 与野外山区隧道施工相比．城市隧道施工对环境的影响主要涉及水环境、大气环境、噪声和水土流失四个方面，应采取相应的防治措施。
9.0.2 防治水污染的措施
1 将现场的污水排入公共水域或下水道时，通过沉淀池、沉淀砂除去悬浮物质，若碱性、酸性就进行中和处理，污水中的油污使其上浮，然后吸附分离出去。
2 化学注浆时应注意药液的选择，设置观测井以监测水质状况。
9.0.3 控制粉尘的措施
为了达到国家有关的规定标准，必须对作业环境进行定期检测，同时施工中必须采取措施来改变恶劣的施工环境，目前防尘的主要办法有采用湿式凿岩机，湿喷法代替干喷法等。
9.0.4 减少机械车辆尾气排放措施
对机械车辆尾气主要采取机械净化措施：即指内燃机废气的净化，包括机内净化和机外净化，机内净化是调整喷油嘴的喷油效果，机外净化是采用催化氧化和水洗法二级净化系统。
9.0.5 降低噪声污染的措施
1 采用“闹静分开”和“合理布局”的设计原则．使高噪声设备能远离噪声敏感区。
2 采用声学控制措施，例如采用消声、隔振和减振措施。
3 限制冲击式作业，缩短振动时间。
4 严格执行《建筑施工场界噪声限值》（GB12523），控制和降低施工机械和运输车辆造成的噪声污染。
5 合理安排作业时间，避免夜间施工，使施工噪声对周围环境影响减少到最低程度。
9.0.6 防止水土流失的措施
弃渣顶应根据实际情况处理。采取整平恢复或绿化。
10 效益分析
10.0.1 社会效益
本工法解决了在修建城市隧道过程中，遇到的地下空间非常有限、地下管线纵横交错、桩基等地下建筑物密布，地下环境复杂多变的难题。为修建城市隧道提供了一种实用的施工方法。在施工期间，不影响地面交通，各类管线均可正常使用，实现了良好的社会效益。
10.0.2 技术效益
本工法通过选择拥有先进导向系统的水平定向钻机，采用HDD技术敷管施工，实现了长管棚钢管间距5cm的高精度定位要求，取得了良好的技术效果。
10.0.3 经济效益
该工法对地面交通影响小，不需要大规模拆迁地下管线，施工时精度控制效果好，施工速度快。由于目前尚无同等高精度的施工方法，本工法与采用常规明挖方法相比较，节约了大量的临时交通工程费用、管线拆迁费用、开挖费用、道路恢复交通费用等，具有明显的经济效益。
在厦门明发商业广场地下行车通道施工中，通过运用本工法，在技术上进行了改进与优化，合理安排了施工工序，安全优质地完成了工程施工，节约施工成本16万元。
11 应用实例
11.1 厦门明发商业广场地下行车通道工程
11.1.1 工程概况:
厦门明发商业广场地下行车通道施工横纵断面如图11.1-1、图11.1-2所示。

图11.1-1 厦门明发商业广场地下行车通道管棚布置横断面图

图11.1-2 厦门明发商业广场地下行车通道纵断面图
主要的施工参数如下：
（1）管沿截面长方形布置，共97根；（2）钢管外壁间距5cm，中心间距15.8cm；（3）管心与衬砌外廓线间距为45cm；（4）倾角：设计钢管轴线与隧道轴线夹角0.5度～1度（不含路线横坡）；（5）钢管施工误差：钢管中心间距不大于10cm；（6）管棚长度为59m，热轧无缝钢管φ108mm，壁厚5mm，节长4m。
11.1.2 施工情况:
该工程浅埋暗挖段采用新奥良法设计和施工，土层覆盖层为1.7～1.8m，用长管棚进行支护。普通钻机纠正方向慢，延误工期，定向不准确，无法满足本工程管棚达到钢管间距5cm均匀布置的要求，必须采用能够精确定向的钻机，采用HDD技术敷管施工。工程位于厦门市繁华路段，车流量大，地下管线多、高压线多，对施工干扰和导向仪的信号干扰都较大，加上受交通管制和其他不可避免因素影响,导向钻进只能白天施工，一台钻机一天的进度为2根。工程自2006年8月29日起钻进第一根管棚，至2006年10月22日完成全部长管棚的施工。
11.1.3 工程评价:
该工程2006年10月23日通过监理现场验收。其孔位偏差值最大为32mm，小于允许偏差50mm。孔径、长度、深度全部满足设计要求。工程质量得到业主、设计和监理单位的一致好评。施工中安全得到保证，没有出现任何安全事故。
11.2 厦门杏林大桥高崎互通下穿嘉禾路隧道工程
厦门杏林大桥高崎互通下穿嘉禾路隧道分为上下行分离式4车道高级公路隧道，隧道左线长76 m，右线长为57 m。全隧道按新奥法设计和施工，隧道顶距路面仅仅约6~7m的高度，下穿部分的土体为人工填砂性黏土，极易塌方，考虑嘉禾路目前是厦门出岛唯一的主干道，开挖过程不能对其的使用造成影响，设计采用全程长大管棚对开挖段进行超前支护。开挖后架设拱形钢架支撑，形成牢固的棚状支护结构。该长管棚布设在开挖轮廓线30cm处，采用全断面环向布置，环向间距为30 cm，施工外插角约1。，管棚使用钢管为热轧无缝钢管φ133 mm，壁厚6 mm。
自2007年9月起按本工法施工长管棚，自2007年12月完成管棚敷设，其孔位偏差值、孔径、长度、深度全部满足设计要求，工程质量合格率100%，得到业主、设计和监理单位的一致好评。
11.3 京沪铁路南京栖霞山隧道工程
京沪铁路南京栖霞山隧道地段改线工程，穿越南京市市区，位于栖霞山站与南京东编组站之间，线路里程为 K282+600～K285+550。新建隧道全长825m，位于栖霞山站与南京东编组站之间。本隧道采用新奥法施工，进出口双端同时掘进。长管棚采用φ108×8mm，每根长度为6.0m的钢管。栖霞山隧道工程从2007年1月施工至2007年10月全部结束。按本工法施工长管棚，其孔位偏差值、孔径、长度、深度全部满足设计要求，工程质量合格率100%。
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