1 工程概况

　　青岛市某地铁站A号出入口下穿现有市政道路，过街通道长27.97m，采用暗挖法施工(见图1)。通道为平顶直墙结构，宽9.9m，高5.15m。通道上部覆土厚3.5m，分别为杂填土与粉质黏土，并含有碎石，土体自稳性能极差。支护结构采用“大管棚+小导管”超前支护形式，顶部打设108超前大管棚，大管棚长L=27m，壁厚t=6mm，间距0.4m，水平倾角0°;大管棚间打设42超前小导管，L=3m,t=3.5mm，间距0.4m，隔2榀拱架一打，水平倾角3°(根据管线情况局部调整)。通道上方共有11条市政管线及1条2.36m×2.4m电力管廊，其中电力管廊基础底距通道初支顶间距仅150mm。108管棚如采用一般管棚打设工艺，通常要求管棚带有一定上倾角度，必会对电力管廊造成破坏，若不带上倾角度打设管棚，在重力作用下管棚钢管会侵入初支结构，影响限界。经筛选后，适用于过街通道管棚打设的工法主要有导向钻进扩孔回拖法、定向跟管钻进法和导向跟管钻进法，3种方法的适用性对比分析如下^[1,2,3,4,5]。

　　根据适用性对比分析(见表1)，确定采用导向跟管钻进技术进行管棚施工。导向跟管钻进法融合了导向钻进可控制钻进方向、跟管钻进可避免钻孔过程中塌孔的优点，采纳有线导向体系，在地下管线密集区施工时，可顺利通过信号干扰地带，确保管棚的施工精度，而且可有效控制地面沉降，保护地下管线。这种管棚施工技术采取钻进、铺管一次成孔，无须套管，成孔速度快、施工效率高，另外该钻机体形轻便，施工操作简单。

　　图1 地铁车站出入口  

　　表1 对比分析 

　　表1 对比分析

　　2 导向跟管钻进原理

　　导向跟管钻进技术是钻进过程中根据套管内的地下定位系统确定钻头位置和前进方向与设计轨迹的差异，利用钻头前部的导向板调整后续钻进方向，从而达到设计要求的非开挖施工方法^[6]。

　　2.1 导向孔开孔原理

　　导向跟管钻进法施工前无须单独设置导向墙进行导向，可利用岩石取芯机配合水平靠尺直接在围护结构上开孔。开孔的精度影响后续钻进角度及方向，施工前先清理基面，用膨胀螺栓将岩石取芯机固定在基面上，使用水平靠尺对岩石取芯机位置进行调试，然后开始开孔，每钻进5cm复核1次，若产生较小偏差，则后退5cm，再次钻进;若产生较大偏差，则将该孔采用混凝土封孔，重新开钻。

　　2.2 钻进原理

　　导向跟管钻进法的钻孔方式主要有螺旋钻孔跟管钻进法和冲击回转跟管钻进法^[4]，本工程出入口过街通道上方土层多为杂填土，土体自稳性能差，根据地质情况选用更合适的螺旋钻孔跟管钻进法。

　　螺旋钻孔跟管钻进法是采用定向钻带动设有导向钻头的管棚，实现钻孔、铺管一次成型技术。钻头前端设有12～15水眼，高压泥浆经水眼射出，冲刷土体后产生循环泥浆，钻杆同时向前旋转推进。循环泥浆的作用主要为冲刷、软化前方土体并起到泥浆护壁的作用，同时可降低钻头温度，保护钻头内部的信号传感器。管棚的孔口设置孔口管进行保压和卸流，钻头内设置单向阀，防止泥浆回流(见图2)^[4]。

　　图2 螺旋钻孔跟管钻进系统  

　　2.3 定位原理

　　本次施工采用美国DCI公司生产的地下定位系统，由电缆传感器(探棒)和远程显示器及电源3部分组成。其工作原理为，施工前将探棒固定在特制钻头上，管棚打设过程中，位于钻头内的探棒发射高频信号，信号经导线传输由信号接收器接收后在远程显示器显示钻头方位(见图3,4)。

　　2.4 导向(纠偏)原理

　　管棚打设过程中的导向主要是依靠特制的钻头来完成，采用比管棚钢管直径略大的楔形板做纠偏钻头，钻头后方套管内装有特制的传感器，传感器由信号线连接显示屏。显示屏显示钻头的倾角和面向角(导向板的方向:导向板朝上即为12:00，如同钟面)。如果钻进角度下偏，可把钻头调到12:00，即导向板朝上，直接顶进，此时由于导向板底板力，钻头轨迹便会朝上运动。同理，在06:00纠偏可使钻头轨迹朝下，09:00,03:00分别为左、右纠偏方向。如果角度合适，钻机会匀速旋转钻进，此时钻杆轨迹是平直的^[7,8]，所以特制的导向钻头是上下纠偏的关键(见图5)。

　　图3 探棒及显示器示意  

　　图4 定位系统  

　　图5 导向钻头构造示意 

　　3 实例应用

　　青岛市某地铁站A号出入口下穿现有市政道路，过街通道上部覆土厚3.5m，分别为杂填土与粉质黏土，通道上方共有11条市政管线及1条2.36m×2.4m电力管廊，管线统计如表2所示。通道支护结构距上方电力管廊净距150mm，该间距内须打设108超前大管棚，对比分析后设计采用导向跟管钻进技术进行管棚打设。

　　3.1 施工工艺流程

　　根据地铁车站A号出入口实际工况制定施工工艺流程:现场准备→测量放线→导向孔开孔→铺设钻机轨道→安装带有定位导向仪的楔形钻头→角度复核→导向纠偏→管棚钻进→钻进到设计长度→取出导向仪→移机施工下一根管。

　　本次施工管棚孔位23个，管棚长度为27m，由9个管节连接而成(每个管节长3m)，管节与管节之间采取丝扣连接，连接完成后焊接固定。

　　3.2 管棚偏差

　　管棚打设偏差图表示了本次施工过程中安装在钻头上的定位系统显示的每个管节的偏差值，如表3所示。管棚偏差曲线如图6所示。

　　3.3 结果分析

　　由图6可知，第1,2根管打设过程中为保护电力管廊，均向下偏移一段距离，打设第3根管时已穿越电力管廊，均进行一定程度的上调，确保不侵入初支结构，打设至第4,5根管时，导向纠偏系统已将管棚偏移量控制在合理范围内，直至最后一根管，管棚的终孔偏差均在5cm内，本次导向跟管钻进管棚取得成功。在第6和第12号孔打设过程中第2根钢管偏移量>5cm，在后续开挖过程中发现电力管廊下方存在15～25cm厚垫层，垫层因为是现浇施工，其厚度不均，钻头碰到该垫层后在向前打设过程中与该垫层形成外插角，导致偏移量>5cm，在打设至第3根钢管时均将偏差量调回可控范围内。因此，在下穿管线时应提前采用地质雷达探测或人工挖探明确管线的实际位置及尺寸，避免因管线资料与实际情况不符造成事故。

　　3.4 效益评估

　　管棚导向跟管钻进技术操作简单、钻机体形较轻便，操作简单，施工便利，比常规管棚施工缩短时间1/3，每班只需4人，较普通工艺每个工班能减少1～2人，本次施工减少人工约50个。

　　表2 A号出入口管线统计 

　　表2 A号出入口管线统计

　　表3 管棚偏差 

　　cm

　　表3 管棚偏差

　　图6 管棚偏差曲线 

　　经过本次导向跟管钻进技术在暗挖法过街通道施工中的应用，确定了该技术的施工精度为5cm，在施工过程中可确保超长距离管棚精度，适用于进行超长管棚打设。

　　4 结语

　　1)导向跟管钻进技术成功实现了地铁车站出入口暗挖法过街通道超前大管棚的精准打设，避免了因明挖施工导致的道路封堵与管线改迁问题。

　　2)导向跟管钻进技术钻孔、穿管一次成型，避免对地层的多次扰动，适用于杂填土较多、土体自稳性差的浅埋暗挖施工。

　　3)导向跟管钻进技术施工精度可控制在5cm以内，保护多条市政管线(管廊)安全，为小空间零角度长距离大管棚的打设创造了安全施工的条件。

　　4)导向跟管钻进技术的应用保证了管棚打设的精准度，降低了在城市内复杂管线(管廊)环境下的作业难度，保障了管棚施工质量及市政管线(管廊)安全，该技术适用于对保持原地形地貌和保护地下管线要求较高工况下的管棚施工。