北京地铁蒲黄榆车站管棚试验研究初步成果
[摘要]本文主要介绍长管棚试验研究过程及取得的初步成果，试验分三步进行，模拟蒲黄榆车站管棚最不利布置工况，在钻机选型、导向系统、泥浆配制方面取得了适宜车站粘土层及粉细砂层管棚施工工艺参数。[关键词]水平定向钻机 导向孔 探棒 地下定位系统 地磁 回扩器 沉降 监测
一、概况
非开挖技术是从原始的钻探技术衍生并逐渐发展起来的一种新兴技术，是在不破坏地表的情况下铺设各种地下管线的技术；我国在该技术上的开发落后于西方发达国家约20年，近几年在我国非开挖技术取得了长足的进步；非开挖地下管线施工技术目前包括水平定向钻进技术、气动夯管锥技术、气动冲击技术、微型隧道技术等；水平定向钻进技术特点是利用钻杆的柔性在导向系统的监测下沿设计线路轨迹钻进，到达目的地，卸下钻头换上回扩器进行回扩孔拖管。 北京地铁五号线2合同段蒲黄榆车站在世界上首次采用大跨度单拱单柱双层岛式结构，浅埋暗挖施工，最小埋深在5米左右，为确保施工安全，拟采用长大管棚作为超前支护，管棚沿车站拱部环向布置，间距为0.3m，长度146.6m，共103根。
二、试验研究项目
（1） 适合车站管棚施工的水平定向钻机
（2） 不同地层中钻进速度及工作效率
（3） 不同地层中泥浆配置及用量
（4） 导向仪选择及导向精度控制
（5） 回扩孔拖管技术
（6） 地表沉降监测分析
（7） 管棚注浆
三、试验过程分析
由于蒲黄榆车站两侧结合部采用中洞法施工，结构瘦小，宽度分三个洞室，每个洞宽3.3m，对钻机工作空间限制较大；试验时结合工作空间选择长度在5m以下，钻杆中心离钻机顶小于0.8m的钻机，经过比选在试验中选用北京土行孙非开挖公司FW-100及黄海机械厂FDP-15A型水平导向钻机。试验分三步进行。
㈠、第一次试验
首先采用回拖力100KN的钻机做试验，验证钻机工作能力及相应的配置。
1、钻机参数：
型号 尺寸（长×宽×高） 回拖力 钻杆配置 扭矩
FW-100 3.5×1.2×0.8 100KN φ50mm，1m/根 3200N.m
2、工况布置：
本次试验主要验证该钻机工作能力及对工作空间的要求，钻孔布置采用水平钻进，布置一个孔；地层为粉质粘土层。
钻孔布置如下：
根据试验场地化工三厂现场建筑物及地下电缆较多的现况，本次试验导向系统采用美国DCI公司生产的ECLIPSE无线地下定位系统，该系统包括地面接受器及遥显，地面接受器通过接收钻头内无线探棒发射的信号，探测钻头的具体位置，遥显上显示钻头钟面值及温度和接受器探测的钻头深度；钻机操作人员根据接收器探测结果，在导向人员指挥下，对钻头偏离设计轨迹及时进行调整，确保钻头沿设计轨迹钻进。
导向系统工作原理如下：
第一孔90m,导向孔钻进耗时5小时；回拆钻杆5小时。
结论：
本次试验地层为粉质粘土层，有一定的自稳能力，导向孔钻进过程中采用清水钻进；由于本次采用10t钻机作试验，钻杆直径较小（50mm），绕度大，在该类地层钻进时方向纠偏难控制，在钻进过程中地面接收器实测钻头位置偏差较大；且钻进过程中钻机扭矩达10MPa，达到钻机工作极限，结果不理想；需加大钻机本身的工作能力及相应的钻杆配置。
㈡、第二次试验
根据第一次试验结果，本次试验采用回拖力15t的钻机进行试验，地层为粉质粘土层。
1、钻机参数：
型号 尺寸（长×宽×高） 最大回拖力 钻杆配置 扭矩
FDP-15A 4.5×1.5×1.5 150KN φ60mm、3m/根 4200N.m
2、工况布置：
模拟车站拱部管棚布置，本次试验布孔6个，间距为50cm，按编号顺序间隔钻进，并进行钢管回拖试验；
布置如下：
本次试验地层为粉质粘土层，具有一定的自稳性，泥浆采用普通膨润土，马氏漏斗粘度在30秒左右，PH值控制在8.5-10，泥浆采用机械搅拌，钻进及回拖过程中为减少泥浆损耗，采用泥浆回收系统，经过处理后循环利用。
4、导向系统
本次场地内有电缆，导向系统采用美国DCI公司生产的具有一定抗干扰能力的ECLIPSE无线地下定位系统，探棒为普通探棒，探棒电池采用普通2#电池，每两节电池使用时间为9个小时。
5、试验结果
导向孔偏差：
本次试验钻机工作空间长、宽控制在5m×2m范围内；地层为粉质粘土层，泥浆采用普通膨润土，粘度在30秒左右，PH值控制在8.5-10，钻进过程中未出现孔壁坍塌箍紧钻杆现象；钻机在工作过程中扭矩和回拖力均能满足要求，导向孔钻进扭矩控制在15MPa以内，④、⑤、⑥号孔每个孔回拖12m钢管，回拖力在150KN内；钻进163m导向孔用时控制在7个小时以内；埋深在5m左右时采用ECLIPSE地下定位系统进行导向，定位系统能较好的探测钻头具体位置，在钻孔间距≥0.5m且操作熟练情况下，精度能控制在20cm之内。
㈢、第三次试验
根据第一、二次试验经验，本次进一步模拟车站起拱段管棚布置形式，布孔3个，管棚中心间距为30cm，地层为粉细砂层。
1、工况布置：
完全模拟车站管棚布置，地层为粉细砂层，本次试验布孔3个，管棚中心相互间距为30cm，纵向坡度为0.3%，由于间距较密，采取间隔钻进，先钻两侧管棚，再施工中间管棚，并回拖钢管，施工完一根后立即进行管棚注浆试验。
管棚布置图如下：
本次试验地层为粉细砂层，自稳能力稍差，导向孔钻进及钢管回拖成功与否泥浆起作关键作用，本次泥浆采用易钻膨润土，并在膨润土内掺少量的聚合物（帮手），粘度在40秒左右，PH值控制在8.5-10，泥浆采用机械搅拌，并进行二次回收利用。
3、导向系统
本次钻孔线路沿线有电缆、钢筋混凝土基础，对导向系统信号发射有一定干扰；试验采用美国DCI公司生产的ECLIPSE无线地下定位系统，加强型探棒，探棒发射信号强，探测深度为19.8m，实际试验过程中探棒发射信号随埋深的增加逐渐减小，加强型探棒电池采用DCI公司生产的专用锂电池。
4、回扩孔拖管
本次试验回拖φ114×5mm钢管，每节长6m，接头采用三种方式连接，即外丝、内丝、焊接，回扩器直径159mm。回拖试验分两种形式，第一孔先进行一次回扩孔再拖钢管，接头采用外丝连接，外丝接头拉拔试验丝口破裂时拉力达150KN，由于外丝接头比钢管大，回拖过程中阻力明显增大，最大时达150KN；第二孔边回扩孔边回拖钢管，回拖过程中阻力比先扩一次孔阻力大，接头采用焊接，每个接头焊接时间约10分钟；第三孔边回扩孔边回拖钢管，接头采用内丝连接，回拖力控制在120KN内。
6、试验结果
导向孔偏差
㈣、管棚注浆试验
1、注浆机选择
由于管棚长度较长（146m），钢管与回扩孔之间的间歇较大，必须采用注浆压力大，输送距离长的注浆机；经过对YBE型全液压注浆泵及UB4型砂浆泵和UB8型砂浆泵进行性能比较，其中UB8型砂浆泵最大工作压力能达6MPa，最大排量达8m3/h，最大水平输送距离达250m，在性能上能满足长管棚注浆要求。
2、注浆试验
首先采用UB8型砂浆泵在地面进行埋管注浆试验，分四种情况进行埋管注浆试验。
第一次试验：钢管长度为6m，直径114mm，钢管四周钻梅花型孔，孔眼直径10mm，纵向间距600mm，环向布孔三排；钢管埋深600mm，注浆管长度40m；试验采用水泥砂浆，外掺粉煤灰，水泥：粉煤灰：砂=1：0.625：1.5；注浆后从孔眼里扩散部分浆液，最大扩散达100mm直径的球型范围，注浆压力达1.5 MPa，钢管四周回填土仅在孔眼周围有浆液扩散，土质有明显改善，但钢管顶部仍有部分空隙未充满浆液。
第二次试验：本次试验钢管长6m，外套PVC管，使钢管悬空，四周均有10mm左右空隙，便于浆液从孔眼往外喷射填充满整个PVC管；钢管梅花布孔，纵向间距改为300mm，环向布孔三排；试验浆液为砂浆，水泥：粉煤灰：特细砂=1：0.5：0.5；注浆后浆液扩散到PVC管内，但PVC管顶部仍有3cm高的空隙，钢管内顶部也有2cm高度的空隙，效果一般。
第三次试验：根据前两次试验，本次采用12m钢管，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压密实；浆液采用纯水泥浆，浆液中增加外加剂（微膨胀剂），注浆分两次进行，待浆液初凝后及时进行二次浆液压注，注浆压力1.5MPa。本次试验效果明显增强，其中PVC管内充满浆液，回填土部分浆液扩散最大半径为80mm。管棚内钢管注浆试验：第一根钢管长146m，注浆分次进行，先灌注纯水泥浆，待浆液充满整个钢管并从通气孔内往外喷射浆液为止，停止一段时间后再灌注水泥砂浆，水泥：砂=1：0.2，浆液较稠；第二根钢管长146m，采用水泥砂浆一次性灌注，由于砂浆稠度大，灌注效果较差，钢管尾部仅出现少量浆液，浆液未充满钢管；第三根钢管长146m ,分两次灌注，第一次采用纯水泥浆，外加微膨胀剂及增加流动性和和易性的外加剂，注浆压力达2MPa，浆液扩散到钢管四周空隙，待第一次浆液初凝后采用纯水泥浆进行二次浆液灌注；挖孔分析第三种注浆效果好，浆液扩散到钢管四周，填满管壁四周空隙，钢管内仅有2cm左右的空隙，水泥浆液强度在10MPa以上。
四、试验初步成果
试验过程中采用两种机型，三种工况，模拟蒲黄榆车站管棚布置最不利段进行试验；在钻机选型、工作效率、导向系统选择及精度控制、泥浆配置、回扩孔拖管等方面取得初步成果。
1、钻机选型
根据蒲黄榆车站风道与车站结合部空间限制，钻机本身长度在5m以下，钻杆中心到钻机最顶缘距离在0.6m以内，钻杆中心到两侧宽度控制在1.5m以内；根据试验施作146m长管棚回拖φ114mm钢管，选择国产回拖力150KN钻机较合适，钻机长度控制在5m内，宽度控制在2m内。
2、工作效率
根据试验，采用回拖力150KN钻机，施做146m长φ80mm导向孔，使用ECLIPSE无线地下定位系统导向时，需6小时30分钟左右，即每小时钻进22.5m；回拖φ114mm钢管，采用外丝连接时，一次性边回扩孔边回拖，需8个小时零10分钟左右，当接头采用焊接时时间更长。导向孔钻进时需钻机操作及导向人员各一名，装卸钻杆人员一名，泥浆配置人员两名，回拖时增加三名钢管连接人员。
3、导向系统及导向控制
由于超前长管棚距离长，导向孔精度很难控制，导向系统是导向孔钻进成功与否的关键，目前最先进的导向系统是美国DCI公司生产的地磁地下定位系统；本次试验采用DCI公司生产的ECLIPSE无线地下定位系统，配置普通型和加强型两种探棒，普通型探棒采用普通2#电池即可，每两节电池使用时间大致在9个小时左右，而加强型探棒发射信号强，耗电量大，必须采用特制锂电池，施工过程中根据埋深的不同选择不同的探棒，当埋深在7m内时采用普通探棒信号强度能满足钻进要求，当深度在7～10m范围内时采用加强型探棒能满足要求。
由于无线地下定位系统是通过地面接收器接收探棒发射的信号来判断钻头的位置，而探棒发射信号又受环境的干扰，实测的数据必然由于信号的干扰衰减而存在误差，经过试验发现在同样环境下探棒埋深相同（相近）时接收器实测数据与理论数据存在一个基本固定的差值；由于钻头是对探棒发射信号也有影响，因而标定时把探棒置于钻头内进行标定与单独进行探棒标定也存在差值，因此标定时应当把探棒置于钻头内进行标定。在进口处钻头倾角保持一致的情况下，接收器实测数据与设计数据比较，可能存在一个差值，在导向孔钻进过程中实测数据统一进行该差值的调整，试验过程中利用该理论进行导向孔钻进控制，挖孔检查及出口结果基本满足定差理论。
试验中模拟蒲黄榆车站管棚设计线路，钻进坡度为定值，钻进过程中钻机操作人员通过遥显上的倾角值对钻头倾角进行控制，钻头倾角偏差控制在±0.3%以内，发现偏差通过遥显上钻头钟面值对钻头进行倾角调整；左右偏差通过接收器测得钻头的前后点，通过连线确定钻头左右偏差，测试频率为每米测一次。通过试验采用ECLIPSE无线地下定位系统进行导向，当埋深在6m以内时钻孔偏差基本能控制在20cm之内。
另外导向系统还有ECLIPSE有线地下定位系统及地磁地下定位系统，地磁地下定位系统是利用地球磁场及有线探棒发射磁场确定钻进线路的磁偏角，无磁钻头上的有线探棒发射信号通过连接线将信号传输到遥显上，遥显与电脑连接，在电脑上显示钻进线路的纵断面及平面图，与事先设计线路比较，发现偏差及时调整，从而确保导向孔钻进与设计线路重合。
4、泥浆系统
泥浆系统作为管棚施工中的又一关键环节，在导向孔钻进及管棚回拖过程中起作关键作用，尤其在粉细砂及中粗砂地层中表现更为明显。
泥浆以膨润土及外加剂为原料按一定比例搅拌而成，不同地层对泥浆粘度有不同要求，通常采用马氏漏斗测试泥浆粘度，膨润土适宜水质PH值为8-10；在试验过程中一般粘土层采用国产膨润土配一定量的Na(OH)搅拌形成泥浆，马氏漏斗粘度在30秒左右，泥浆PH值在8-10之间，在导向孔钻进及钢管回拖过程中未出现塌孔、箍住钻杆现象；在粉细砂层中，泥浆配置采用进口易钻膨润土外加少量聚合物（帮手），马氏漏斗粘度在40秒左右，PH值在8-10之间，钻进及回拖钢管顺利通过；泥浆必须搅拌均匀，泥浆用量一般为孔径的3倍左右，采用机械搅拌，并可进行回收处理后再利用。
5、回扩孔拖管
管棚施工导向孔较小，回拖管径较大，因此必须进行回扩孔；本次试验导向孔直径为80mm，钢管直径为114mm，扩孔器直径159mm；在粉质粘土层中由于粘土具有一定自稳能力，边回扩孔边拖钢管；在粉细砂层、中粗砂层中拖管前先扩一次孔，再回拖钢管。根据试验回扩孔径为回拖管径的1.3～1.5倍较合适。回拖钢管接头可采用外丝、内丝、焊接，接头承受拉力必须在150KN以上；其中内丝对回拖影响最小，其接头形式如下：
6、管棚注浆
根据试验结果采用UB8型砂浆泵，浆液采用纯水泥浆，外加微膨胀剂及增加流动性和和易性的外加剂，注浆压力2MPa左右，并进行分次灌注；钢管梅花型钻孔，孔眼直径10mm，纵向间距300mm，环向布置3排以上；每次回拖钢管后及时进行注浆灌注施工,从一侧往另一侧注浆,浆液通过钢管上的孔眼扩散到钢管与孔壁之间的间隙中,有效的填充空隙，加固土体，防止地表由于间歇引起的沉降.
五、地面沉降监测分析
经过三次试验,地表沉降监测采用DINI12电子水准仪进行监测,监测从钻孔前一天开始取初始值,监测频率为:钻孔后前15天每天观测一次,15～30天每两天观测一次,直至沉降趋于稳定为止;对回拖钢管及未回拖钢管地表进行沉降监测分析发现,回拖钢管后地表沉降明显比未回拖钢管处地表沉降小,尤其在管棚注浆后地表沉降很快趋于稳定.
监测曲线如下:
根据蒲黄榆车站工作空间限制及地层情况，本次长管棚试验模拟车站管棚工况，初步确定了适宜车站粘土层和粉细砂层管棚的施工工艺；管棚作为车站施工超前支护，对加固土体、提高地层钢度效果明显，在地铁工程施工中具有广阔的运用前景。
