定向钻进技术在矩形通道顶拉施工中的应用

陈喜栓 张志勇

【摘 要】本文结合工程实例，介绍了在矩形通道顶拉结合施工过程中，定向钻进技术铺设钢拉索的技术要求，精度要求，及施工过程控制点，为该技术的进一步推广应用提供了经验。

【关键词】定向钻进技术；矩形顶管；顶拉施工；钢拉索

Application of directional drilling technology in process of rectangular channel pushing and pulling

Chen Xi-shuan1，Zhang Zhi-yong2

（1.Jiangsu Yangtze River mechanization foundation engineering company Changzhou Jiangsu 213003；

2.Shanghai Guanglian Construction Development Co.，Ltd Shanghai 200438）

【Abstract】This papers introduce technical requirements， precision requirements and control points of laying of steel cables during directional drilling construction with an actual project，and provide experience for further application of this technology.

【Key words】Directional drilling technology；Rectangular channel；Pushing and pulling construction；Steel cables

1. 前言

（1）定向钻技术的基本原理[1 ]是采用定向钻机，在预先挖好的发射坑和接受坑之间进行；也可在安装钻孔机的地面，以小角度直接从地表钻进，从另一端地表钻出。安装在钻头上导向仪发射器发出的导航信号，被地面的接受器接受识别。由钻机操作人员控制、监测钻孔的方位、深度和其他参数。钻头的直径较小，定向钻孔完成后，可根据铺管直径扩孔，最后将管道回拖至钻机一端。

（2）目前，在天然气、自来水、电力和电信部门定向钻技术已是一种普通的施工工艺，由于定向钻技术的工艺特点，其不仅在以上领域中应用，而且更多地应用于其他领域中，如管道修复[2 ]，箱涵牵引钢拉索铺设[3 ]等领域。本文介绍定向钻进技术在矩形通道顶拉结合施工工艺中的应用，共同行共飨。

2. 工程概况

（1）上海轨道交通2号线东延伸段工程张江高科站一号出入口地下通道内部净空尺寸3.00m（高）×5.00m（宽），长约23.00m，顶部覆土深度约7.20m。自北向南通道分别穿越22万伏电力管廊、18孔电信排管、500上水管、300煤气管、2400雨水管等市政管线。始发井位于一号出入口北侧，围护型式为SMW工法，紧靠中国科学院上海药物研究所危险品仓库及篮球场，受既有建筑物及22万伏电力管廊相关保护要求的限制，始发井沿地下过街通道轴线方向净空尺寸仅6.0m，与轴线垂直方向净空尺寸为9.5m。接收井位于一号出入口南侧，围护型式为钻孔灌注桩，沿地下过街通道轴线方向净空尺寸仅2.0m，与轴线垂直方向净空尺寸为7.4m。一号出入口平面位置见图1。

（2）考虑到工作井尺寸及上覆市政管线变形要求，经业主、设计、总包方研究决定采用"矩形通道顶拉结合施工技术"施工。

图1 张江高科站一号出入口平面位置图

（3）"矩形通道顶拉结合施工技术"是针对复杂环境下开发的一种新工艺方法。是近年来开发的一种新的施工技术，具有可在工作面积狭小的环境条件下施工、施工对环境影响较小、导向精度高等优点，其工艺是现代顶管施工技术的一种创新和补充，是非开挖地下箱涵施工的一种新的技术手段。所用的装置主要包括出发井、千斤顶组、刀头土压平衡拉管掘进机头、提供反力的锚固装置、标准管涵管节以及与千斤顶组相对应的钢棒组及钢棒自锁装置，其中钢棒组贯通连接于锚固装置与穿心千斤顶组之间，穿心千斤顶组连接在机头上，机头后连接标准管涵管节，钢棒组中的每根钢棒上有一端采用穿心千斤顶及所附带钢索自锁装置以提供动力及限位。如图2所示。

图2 矩形通道顶拉结合施工技术示意图

（4）通道结构采用预制矩形钢筋混凝土管节，管节混凝土强度为C50，抗渗等级为S8，外形尺寸为6.0m×4.0m，管壁厚为0.5m，单节长度为1.5m，单节重约35t。

3. 工程地质条件

（1）本工程施工场地平坦，属滨海平原地貌类型，场地地面标高3.74～4.03m，矩形通道顶标高-3.315，底标高-7.315。各土层主要物理力学指标见表1。

（2）从地质资料来看，矩形通道主要穿越第③淤泥质粉质粘土层、第④淤泥质粘土层。该两层土具流变触变性，扰动后强度迅速降低；同时，矩形通道上方存在着③T灰色粘质粉土，该层土极易产生坍塌、流砂、涌水等不良现象，对于拉索铺设过程中导向孔施工不利。

4. 钢拉索设计及精度要求

（1）对于"矩形通道顶拉结合技术"来说，其中的钢拉索承担着两个方面的功能：一是掘进机头前进过程中的导向作用，二是加接管节时的止退作用。掘进机头前方迎面阻力根据以下公式计算：NF =abγsHs=4*6*18*7.2=311T。

（2）根据本工程的通道截面形状与施工时掘进机头的受力状态，本工程钢拉索总设计数量为4根40mm的高强度螺纹钢棒，考虑到接收井尺寸要求，钢棒在厂家预先切割成1.5m/根，钢棒之间通过螺纹套筒连接，主要分布在掘进机头的顶部与底部，单根钢棒的允许施工拉力值限定为120T，4根钢拉索可承受480T的拉力，大于掘进机头迎面阻力，满足止退要求。

（3）设计对通道轴线偏差控制要求：高程+80mm，-100mm；水平：+100mm。而通道轴线偏差控制要求主要通过钢拉索拉进来控制，因此，钢拉索的铺设精度必须控制在50mm以内。

5. 钢拉索定向钻铺设施工

5.1 始发井、接收井围护施工要求。

钢拉索在本工程中起到控制掘进机头方向的作用，因此，钢拉索的定位要求较高，在始发井、接收井施工前应尽量将钢拉索位置留出，防止其遇到桩或型钢等障碍物。具体要求如下：

5.1.1 在前期始发井SMW工法桩围护结构施工过程中，必须按拉索孔定位要求错开型钢的插入位置与型钢插入时的垂直度，以利于定向钻穿越时有足够空间进行钻孔与定位。型钢插入时垂直度须控制在5‰以内。

5.1.2 在接收井围护灌注桩施工时，尽量将围护灌注桩间间隙放在拉索位置，以减少后期钢拉索导向孔施工时灌注桩凿除量。

5.2 施工设备的配备。

（1）拉索铺设时水平定向钻选择主要考虑两个方面因素，一是拉索是在始发井内施工，而始发井在轴线方向上仅有6m长度，故拉索施工设备的选择应满足始发井的尺寸要求，二是拉索铺设精度必须控制在5cm以内。

（2）目前，水平定向钻进技术中铺设精度的实现是通过有线或无线电磁技术进行控制，本工程钢拉索施工时覆土厚度达到7.2m，常规的无线或有线导向难以满足本工程中钢索铺设的精度要求。为此，重新开发研制了HD200TL型高精度导向钻机。实现了拉索铺设精度在5cm以内，为后续对矩形掘进机的方向精确控制奠定了基础。HD200TL型高精度导向钻机主要技术参数见表2。

（3）本钻机的特点在于：光源固定在导向钻头内，导向钻头中心安装有"十"字光靶，钻进过程中利用水平定向钻机后方的激光经纬仪监测钻头内"十"字光靶靶心，判断钻进方向，通过钻头"鸭嘴"板进行纠偏，将定向钻进精度控制在50mm内。

5.3 施工方法与技术措施。

5.3.1 主要技术措施。

5.3.1.1 导向孔定位测量和地面控制测量。

（1）在始发井与接收井之间，按每根拉索相对应的水平位置利用全站仪测放出拉索的水平投影线，本工程总共设计4根拉索，在水平投影面上反映为2根。

（2）在每根投影线的上方按照间距的要求在地面利用全站仪测放出地面的导向监控点，根据地面监控点的水平坐标及高程推算出各点拉索铺设的深度以及方位角，以利于导向孔钻进过程中导向深度与方位的控制。

（3）将各拉索的水平投影线延伸至两端工作坑内，并在拟穿越土体段的临空面上测放出拉索孔的具体位置。在定向钻机停放一侧将拉索孔的水平投影线测放至钻机的尾部，以利于钻机对中时作参考。

5.3.1.2 钻孔灌注桩开洞施工。

由于本次水平定向施工钻机位于始发井内部，而拉索在接收井内与钻杆连接，因此应对接收井围护灌注桩进行开洞，围护开洞直径约300mm。

5.3.1.3 钻机就位。

钻机就位是钢拉索导向孔施工前的

一个重要环节。就位时掌握三点：一是使钻机的钻进中心线（大梁中心线）与拉索轴线重合；二是使钻机的钻头与拉索孔位重合；三是使钻机保持水平（入土角为0），上述三点要求在导向孔施工前同时达到。

5.3.1.4 导向孔施工。

导向孔成孔导向时须勤测勤纠，确保导向孔轨迹相对于拉索的铺设轨迹的偏差控制在5cm以内。

考虑拉索回拉时，因重力产生下沉，导向孔的竖向偏差宜控制为正偏差。

5.3.1.5 拉索回拖。

导向孔施工完成以后，立即进行钢拉索回拖施工，钢拉索回拖时，将回扩器与分动器连接，通过拉索引锚将分动器与钢拉索连接在一起。拉索连接好后，应尽快将拉索拉进孔内，由于本次施工采用拉索是分段制作，通过连接接头进行连接而成，故在回拖过程中将拉索丝扣与接头部位用黄油涂满，并用胶布缠牢，防止泥砂进入接头内部而影响后续施工。

在回拉过程中处理拉索进入导向孔处洞口土体，在回拉过程中尽可能放慢速率，以便顺利进入导向孔内。

6. 结论

矩形顶管拉顶结合施工技术的关键是利用钢拉索的导向性实现高精度、低沉降掘进施工，因此，对钢拉索的铺设精度要求非常高，本工程中利用高精度光学导向钻进技术，成功地将钢拉索铺设精度控制在5cm以内，有效地保证了掘进机头进洞时的精度；施工过程中，钢拉索的存在为掘进机头止退提供了良好的保障，未出现掘进机头后退而导致地面沉降的现象，保证了上覆市政管线的安全，为后续开展通道对拉技术研究积累了宝贵经验。

参考文献

[1] 刘建华，黎晓林.定向钻非开挖技术在城市建设中的应用[J].中国市政工程，2006.12：62～63.

[2] 杜华东.利用非开挖技术修复旧管道[J].化工设备与管道，2007.6：47～48.

[3] 周海松，李淑海.非开挖技术在昆明呈贡昆洛路综合管沟施工中的应用[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2006.10：32～34.