定向钻进指引系统在长大管棚施工中的应用

梁斌琦

摘要：大管棚作为超前支护的一种方式，常用于隧道穿越不良地质及软弱地层施工。近年来，在建筑物密集、交通繁忙的城市中心地区的改造工程日益增多，采用明挖法施工的地下工程必须拆迁大量的地下管网和地面建筑物，对现有交通影响大、工程费用及安全风险高、环境保护问题突出，不得不改为暗挖法施工，管棚法作为一种重要的暗挖支护手段，再配合有效的注浆，能有效加固地层、防止地表塌陷，保证施工安全。在日本、美国及欧洲各国被广泛采用。定向钻进指引系统对于保证长大管棚定位精度、进而保证地层加固效果，提升大管棚工艺水平，有着较大的推广价值。

关键词：定向钻进;指引系统;长大管棚;应用

Abstract： As a way of advanced support， the large pipe roof is often used in the construction of tunnels passing through poor geology and weak strata. In recent years， there have been an increasing number of renovation projects in urban areas with dense buildings and heavy traffic. Underground construction using open cut methods must demolish a large number of underground pipeline networks and ground structures， which has a great impact on existing traffic， high engineering costs， high safety risks and outstanding environmental protection issues， so the construction has to be replaced by the method of underground excavation. As an important method of underground excavation support， the pipe shed method， combined with effective grouting， can effectively strengthen the stratum， prevent surface collapse and ensure construction safety， so it is widely used in Japan， the United States and European countries. The directional drilling guidance system has great promotion value for ensuring the positioning accuracy of long and large pipe sheds， thereby ensuring the effect of stratum reinforcement and improving the technological level of large pipe sheds.

Key words： directional drilling;guidance system;long and large pipe shed;application

1  工程概况

1.1 设计概况

该项目位于马来西亚吉隆坡市中心，长大管棚下穿Jalan Tun Razak城市主干道及SMART隧道，管棚起止里程为CH200.000～CH254.720，长度54.720m，埋深6.3m，管棚接收端允許偏差50mm，精度要求极高，约1‰。管棚下穿SMART隧道，距离隧道底板为1.2～2.36m，SMART隧道底板设置?32抗浮锚杆。管棚穿越地层为卡斯特地貌，主要为硬质黏土层，局部为弱风化石灰岩，岩石强度约50MPa，有溶洞分布。地下水较丰富，主要为基岩裂隙水，地质情况复杂，施工难度大。

管棚设计参数：管棚规格为Φ108×6mm的热轧无缝钢管，每节长度3m;管棚竖向及水平间距均为350mm，呈“品”字形布置;管棚倾角为0°;管棚长度为47～57m;管棚连接采用丝扣连接，丝扣长度150mm，管棚精度为±50mm。

1.2 工程难点

①管棚最大长度57m，精度要求最大偏差不超过50mm，换算偏差1‰，设计要求地面沉降控制在10mm范围内。由于管棚长度较长，如果精度得不到有效控制则有可能会侵入结构施工内，或者上偏远离设计轨迹，严重时可能穿出SMART底板，管棚注浆加固效果也难以保证。因此，管棚施工精度控制是本隧道施工难点，是质量管控重点。②出口隧道下穿城市主干道，下穿位置埋深约6m，开挖宽度在10m以上，隧道和城市主干道斜交，城市主干道交通繁忙，施工期间车辆动载对管棚施工影响大。③卡斯特地貌中岩层软硬不均的特性对钻孔精度及成孔质量影响较大。

2  方案比选

2.1 方案比选

在大管棚施工过程中，为保证成孔，采用双动力潜孔钻机钻进，套管成孔;精度控制采用钻头位置加装导向系统实时纠偏。通过对市场现有产品对比，调查了美国DCI的猎鹰系列、国产金地导向仪等，从精确度、稳定性、故障率等方面，本着经济性、适用性的原则，选用精确度、稳定性相对较高的猎鹰F5指引系统。

2.2 定向钻进指引系统原理

猎鹰F5指引系统由Aurora极光触控屏远程显示器、接收器 、传感器等三部分组成（如图2所示）。主要原理为接收器将来自传感器的无线信号转换成深度、倾角、面向角、信号强度等信息，并且将这些信息发送给钻机上的远程显示器，通过显示器显示的深度、倾角、面向角等信息指导管棚钻进作业。

3  现场操作要点

3.1 导向系统调试及应用

3.1.1 频段优化  在确保传感器都已关机或位于距离接收器至少30m处时，将接收器拿到待钻进路径上有源干扰最大的一点，在接收器与钻进路径平行的状态下，从主菜单开启主菜单，选择传感器，然后选频率优化功能（FO），频率优化过程结束后，接收器会显示九个频段中每个频段的有源干扰噪音读数，进而可选用每个频段中噪音最低的优化频率。屏幕显示的条柱越短，表明存在于该频段的干扰电平越低。若要在整个待钻进路径上测量噪音读数，只需要一边在钻径上方行走，一边观看所显示的频率优化结果，接收器须与钻径保持平行状态。随着接收器继续对背景噪音进行取样，就会用一条短横线在每个条柱的上方标出每个频段的最大噪音读数。

3.1.2 接收器与传感器配对  选择配对模式，然后选传感器配对请求，将传感器的红外（IR）端口放在距离接收器左侧的IR端口5cm以内的地方，持续稳定地握住传感器，进行配对，持续时间最长10秒。

3.1.3 单点校准  ①校准期间，传感器一定要安装在传感器舱室内;②将接收器和传感器（位于舱室内）彼此平行地放在水平的地面，两设备均开机;③从主菜单内选择校准，然后选单点校准（如图3所示）;④用卷尺确认传感器中心线到接收器内侧边缘的距离为3m（如图4所示），然后点击继续开始校准;⑤不要移动接收器。如果校准成功，就会出现勾号，并会发出四声嘀嘀声（如图4）。

3.1.4 开始作业  将传感器连同舱室与钻机钻杆连接，一般安装在距钻头1m处，以避免振动对数据采集的影响，连接后开始钻进。

3.1.5 实时监测  钻进作业时，手持接收器在钻进路径传感器正上方进行实时监测，一般每3m进行一次，采集相关数据信息同步传输至钻机上的显示屏。

3.2 管棚施工

3.2.1 施工工艺流程图（见图5）

3.2.2 导向墙施工

导向墙为钢筋混凝土结构，导向墙内埋设工字钢支架三榀，以固定导向管。导向管采用Φ166mm、壁厚5mm、单节长度2m的镀锌钢管。导向钢管长度为2m，导向管须与钢架连接牢靠，防止浇筑混凝土时产生位移。固定后检查其精度，确保导向管方向、位置无误。检查合格后浇筑导向墙砼。

3.2.3 钻机安装及就位

①钻机就位前，确保基底坚实、平整，可采用碎石换填或混凝土硬化，以保证钻进平稳，减少钻进时可能发生的不安全因素。②钻机安装应有专业人员完成，完成后必须经过各个性能测试，能够达到相应指标后方可正式作业。③调整钻机位置，保证钻杆方向与导向管轴线重合。利用仪器测量及现场挂线、钻杆导向等方法调整，确保钻孔精度。

3.2.4 钻孔施工

①钻机调试完成后，精确测定孔的平面位置、方向和外插角，采用水平尺和导向仪互检办法精确施工角度，并对每个孔进行编号。②钻孔采用直径146mm的高强度反丝套管，前端安装Φ152钻头;采用Φ89的内钻杆、连接顶冲式Φ115钻头。采用隔孔施钻、低速起钻，入孔4.0m后，适当加压提速。③出口隧道管棚施工时遇到SMART隧道抗浮锚杆，应退出全部钻杆及套管，采用Φ152金刚石钻头代替普通套管钻头继续钻进，钻穿锚杆后可换回普通套管钻头继续钻进。④为防止地下水土流失，控制沉降，在管棚施工时采用中小水量、低转速、中低压力、快速给进的钻孔原则。钻进时泵压控制在0.4～0.8MPa，泵量为20～50L/min为宜，保持中低压力，匀速中速钻进。并在管棚开孔后在孔口安装孔口回水阀，控制水压，确保钻孔时孔内回水量小于等于进水量，平衡孔内压力。⑤钻孔结束后，拔出内钻杆及钻头，装入Φ108mm管棚钢管，由于采用套管成孔，成孔直径126mm，因此将108管棚裝入孔内还是很容易的，通过钻机动力头旋转进入孔内，并在孔外导向墙位置预留300mm，方便注浆使用。放入管棚钢管后，即可拔出Φ146套管，完成钻孔施工。⑥做好钻孔记录，按规定留存渣样，分析推断洞身地质情况。⑦精度控制。1）钻孔精度控制：采用美国DCI猎鹰F5型无线导向系统控制钻孔精度。无线抗干扰探棒安装于钻头后1m位置的探棒室内，通过接收器实时采集钻进过程中钻头位置、钻进方向及角度等数据，同步无线传输至显示器，根据采集到的数据与设计参数比对，指导钻进作业。2）纠偏控制：正常钻进过程中，套管跟进。监测过程中发现偏移，按照纠偏参数重新调整钻进角度及位置，保证钻进轨迹。

4  效果验证

为了进一步验证管棚施工精度，采用地下管线探测仪在管棚末端探测深度及位置，通过实测数据与理论数据比较，管棚施工精度基本满足设计要求。同时，采用地表钻孔取芯验证注浆加固效果，注浆体扩散范围及强度均满足设计要求。

5  结束语

猎鹰F5定向钻进指引系统在长大管棚施工中操作简便，采集数据及时、真实，精度控制效果明显，在非开挖地下穿管施工中广泛应用。但本项目施工环境复杂，无源干扰（如各类金属物体，例如管道、钢筋、沟板等）对猎鹰F5定向钻进指引系统影响较大，会降低传感器有效范围或造成测量读数不准确，特别是在钻进下穿SMART隧道时，其底板为钢筋混凝土结构，该范围会降低或升高接收器收到的来自传感器的信号量，进而导致错误的深度读数，或造成信号被完全遮蔽或定位错误，有待进一步提高定向钻进指引系统的抗干扰性能。

参考文献：

[1]黎继国，苏军荣.水平导向钻进大管棚施工技术[J].城市建设理论研究（电子版），2012（16）.

[2]何亦舟.隧道下穿高速公路段管棚预支护技术及其效应研究[D].安徽理工大学硕士论文，2014.

[3]黎建华.软岩隧道中跟进式管棚超前支护施工技术[J].中小企业管理与科技，2012（4）.