北京市南水北调配套工程水平导向管棚施工方案

1、北京市南水北调配套工程南干渠工程第五标段暗挖工程大管棚施工方案一、 水平导向跟管钻进与传统管棚施工方法比较（一）水平导向跟管钻进施工方法介绍导向跟管钻进管棚施工是将施作管棚的钢管直接加工成钻杆，然后用水平钻机将此加工后的钢管分节钻入，当钻至设计深度后注浆，单根管棚就形成了。此施工方法的关键在：1、将钻入的第一根钢管加工成楔型钻头，此种钻头在旋转钻进时大致延直线前进，在不旋转而直接顶进时可按要求改变方向。2、在钻头位置安置有能测量倾斜角度及楔型钻头方向的传感器，传感器信号通过有线电缆传至操作手，操作手可根据测量的结果判断是否需要纠偏。3、钻进时，钻屑是通过泥浆循环带出孔外的，因此钻杆（加工后钢管

2、）的管壁上不能有孔，有孔时泥浆便不能循环起来。（二）水平导向跟管钻进的注浆导向跟管钻进的注浆方法同传统管棚施工方法的注浆是不同的。导向跟管钻进方法是通过钻头处的泥浆循环孔在孔底进行注浆，在孔口进行封孔，封孔处留有出浆阀门，注浆时当孔口有水泥浆液流出后，将阀口关闭，然后加压注浆，直至保持一定设计压力或到达具体注浆数量。由于在钻进过程中，泥浆循环一直保持畅通（如不畅通，钻进便无法进行），因此管棚管内外是连通的。在施工中，一般当钻进至最后一根钢管时，将普通泥浆换成配制好的水泥浆，用水泥浆钻进，钻进完成后，此时孔口流出的应是水泥浆了，然后封上孔口直接进行加压注浆。（三）水平导向跟管钻进的优点同传统管棚

3、施工方法相比，导向限管钻进方法有如下优点：1、打设精度高，一次施工距离长。传统方法的管棚打设距离一般不超过20米，精度低，水平导向跟管方法施工距离可超过100米，精度可控制在5以内，传统管棚施工单根管棚长度短，管棚施工循环多，造成搭接管棚钢管材料浪费，且造成施工工期延长，施工效率低下。2、水平导向跟管方法成孔小，且由于是跟管钻进，对地层扰动小，地面沉降很小。传统方法先成孔，后下管，成孔较大，特别地层自稳性差时尤其如此。3、水平导向跟管方法的注浆是在成孔后很快完成的，而传统方法注浆在成孔并下完钢管后才进行，相比起来时间上有延时。4、水平导向跟管方法是通过管内压浆，孔底注浆，孔口返浆，因此将孔口的

4、钢管外环封上后，注浆压力一般比较均匀。如果掌子面附近渗浆（一般掌子面高度的1.5倍范围内受扰动大，上部较易形成裂缝引起渗浆），孔底的注浆效果较易保证，而传统方法此种情况下的注浆效果较难保证。5、传统方法注浆，要求在钢管上打注浆孔，降低了钢管的钢度，钢管在顶入过程中会发生注浆孔堵塞，不能保证注浆成功，且由于是在孔口注浆，而管棚是按上仰角打设的，注浆时把孔内空气压缩到管棚的前端，浆液无法充满管棚的整个钢管及四周，而水平导向跟管方法避免了此一缺点。二、工程概况（一）工程概述北京市南水北调配套工程南工渠工程第五标段为5+716.04m-7+262.04m，全标段为暗挖隧道工程，暗挖隧道埋深在7.2m8

5、.5m，该标段暗挖隧道拐点主要位于6+044.04m、6+297.41m和7+262.04m。开挖断面尺寸均为4600mm，其中在5+760-7+262.04m段的暗挖隧道拱顶180o范围内设计超前预支护108mm大管棚。在大管棚施工段的5+981.09m和6+877.65m处分别设计有8#和9#施工竖井，竖井断面尺寸为80006000mm。大管棚施工段上覆土层中埋有管线情况如下：电力管线：桩号约5+819.90m，管顶高程49.40m，距隧道开挖线9.40m左右。燃气管道：桩号6+109.10m，管径700mm，管顶高程约44.70m，距隧道开挖线约4.70m。给水管道1： 桩号约6+109

6、.60m，管径200mm，管顶高程约45.80m，距隧道开挖线约5.80m。给水管道2：桩号约6+635.60m，管径200mm，管顶高程约45.30m，距隧道开挖线约5.30m。给水管道3：桩号约6+732.80m，管径200mm，管顶高程约45.30m，距隧道开挖线约5.30m。给水管道4：桩号约6+906.30m，管径200mm，管顶高程约46.30m，距隧道开挖线约6.30m。电信管线：桩号约7+115.2m，管顶高程约46.0m，距隧道开挖线约6.0m。（二）工程地质 1、根据地勘揭露出该标段地层从上到下分布如下： （1）人工填土层：主要分布建筑区附近，含砖块、砾石、疏松、厚度不均匀

7、，一般为0.802.30m。（2）粘性土层：以粉土为主夹分质粘土层，厚度一般为1.202.60m。（3）细砂层层：厚度一般为7.09.0m，局部更厚。桩号5+8606+150m段厚度为1.55.0m的粘性土透镜体。（4）圆砾层及卵石层。2、管棚穿越区内地层主要为细砂地层，局部穿越人工填土层或圆砾地层。（三）水文地质条件区内地下水含水层主要为第四系孔隙含水层，地下水位较低，埋深大，为潜水，对管棚施工基本上没有影响。（四）管棚工程设计该标段管棚施工区段为5+760-7+262.04m，共设计管棚工程量为37551m，管棚管径为108mm，每米布置管棚3根。每循环布置管棚25根。单根管棚长度为60.

8、0m，单循环管棚工程量1500m，管棚中心距隧道开挖线0.3m。管棚具体布置如图一，单位为mm。三、施工部署因该标段内设计有两个竖井，竖井断面尺寸为80006000mm，在每个竖井内只能安装一台钻机工作。因此当竖井施工完成后，在每个竖井内安装一台钻机先期施工第一循环管棚，第一循环管棚施工完成后，管棚钻机调头施工反方向的第一循环管棚，这时，先期施工的对侧隧道开挖施工同时进行，这样，隧道开挖与管棚施工连续循环作业，有利于保障施工工期。即在8#竖井内，第一台管棚钻机从5+977.09m开始往小里程方向施工第一循环管棚，管棚终端里程为5+917.09m。第一循环管棚施工完成后，将钻机调头从5+985.

9、09m开始施工大里程方向第一循环管棚，该循环管棚终端里程为6+045.09m。在大里程方向管棚施工的同时，小里程方向隧道施工同时进行。小里程隧道开挖及支护施工完成后，管棚钻机接着施工小里程第二循环管棚。同样，大里程隧道开挖支护施工同时进行。依次类推。在9#竖井内，先安装一台管棚钻机从6+873.65m开始施工小里程方向的第一循环管棚，施工结束后，将管棚钻机调头施工大里程方向的第一循环管棚，照8#竖井内施工布置依次类推。根据隧道施工进度情况，场地条件允许，隧道进洞后，每个断面可以安排一台管棚钻机施工，这样，整个标段内安排四台管棚钻机，合理实现各工序的街接，加快施工进度，缩短施工工期。根据管棚设计

10、单根管棚长度为60.0m，每循环的管棚施工周期为15天。其中设备进场安装1天，管棚施工时间为13天，设备撤场1天。四、工程技术要求 1、根据隧道坡度0.7，管棚打设角度为0.90%，打设角度误差控制在3以内，管棚外插角误差控制在2以内。2、管棚孔位误差控制在50mm以内。3、管棚打设长度误差控制200mm以内。4、采用1086mm管棚钢管作为钻杆，管棚钢管之间采用丝扣连接，扣长60mm，前后两个循环的管棚沿隧道方向应相互搭接3.0m，为了避免钢管同步搭接，大管棚前端第一根可以采用两种规格，单号第一根打设3m钢管，双号第一根打设4.5m钢管，其它钢管统一规格。确保超前支护安全。为了保证质量，打设

11、时采用跳打的施工顺序。五、施工方案（一）方案概述根据现场地质条件、埋有管线位置及设计要求，本工程管棚施工采用水平导向跟管钻进法。水平导向跟管钻进方法原理水平导向跟管钻进方法是非开挖管线施工的一种方法。该方法要求在钻进过程中能准确测定钻头在地下的位置和方向。根据钻头在钻进过程中的位置和方向同设计轨迹的差异，利用能进行调节方向的钻头（一般为楔型钻头）改变钻头的钻进方向，从而按设计要求完成各种管线的铺设。钻头示意图如下： 图二 导向钻头示意图如图所示：钻头内装有特制的传感器，传感器直接由15V直流供电。显示屏显示钻头的倾角(水平角度)、面向角(导向板的方向： 导向板朝上即为12点，如同钟面)。打设角

12、度如果偏下，可以把钻头调到12点，即导向板朝上，直接顶进，此时由于导向板底板斜面面积大。受到一个向上的力，钻头轨迹就会朝上运动。同理在6点纠偏可以使钻头轨迹朝下，9点、3点分别是为左、右纠偏方向。如果角度合适，钻机会匀速旋转钻进，此时钻杆轨迹一般是平直的。所以导向钻头是上下纠偏的关键。至于左右偏差根据传感器尾端的发光装置来定，通过仪器测量参数来纠偏。（二）进洞管棚施工方法为确保管棚施工精度，每一循环管打设完后，到与下一循环管棚开始搭接处管棚高度比下一循环隧道开挖线高0.5m，因此根据隧道坡度，进洞管棚施工前，开孔角度按0.90%开孔，开孔孔径为133mm，开孔长度超过护坡桩100mm。管棚施工

13、按设计角度采用导向跟管钻进施工。实现与下一循环管棚搭接，管棚打设长度为63.0m。（三）隧道内管棚施工的方法隧道内管棚施工前，隧道开挖段应适当扩开挖断面尺寸，缓坡开挖，到管棚施工掌子面处时处扩0.50m，预留处管棚孔位，管棚孔位中心距开挖线0.30m，并浆掌子面喷锚处理，保持掌子面土体稳定性。钻机架子后退5m安装，管棚角度按0.90%打设至孔底，管棚铺设效果如图三。（四）拐弯处管棚施工方法 拐弯处管棚施工根据弯曲段曲率及弯曲段长控制管棚打设时的内插角或外插角，采用我公司自行研制的无线导向系统进行钻进跟踪导向。六、施工工艺流程三通一平人员设备进场铺设H钢轨道设备组装调试埋设孔口管调试钻机（方位、

14、倾角）钻具组装进孔冲洗液循环导向钻进回次加尺（接线、接口补焊）孔斜测量导向钻进直至设计深度终孔回取探头盒管内及环状间隙注浆移至下一孔位。 1、设备组装前的准备工作及钻机设备安装1.1设备组装前的准备工作(1) 设备检查。检查是否有缺件及好坏程度；电机、钻机、泵等测试，运转是否正常，所有部件是否完好；液压系统是否通畅，密封完好度，液压油泄漏状况；(2) 检查所有焊接部位是否有开焊，有则补焊；(3) 各种部件是否有变形，有则进行校正。1.2钻机设备安装(1) 钢垫板规格=长宽=250250mm；胀管螺栓直径=16mm；钢垫板与基础固定要牢，强度要高；(2) H型钢轨找平误差3mm；(3) 底盘对角

15、线找方误差3mm；(4) 斜拉筋需绷紧，交叉拉力基本相等； (5) 四柱对角误差5mm；(6) 升降系统：卡瓦等上紧，加强整体性；(7) 所有螺母必须拧紧，发现溢扣者必须换掉；(8) 丝杠、顶杠要顶紧、有效，安装要牢固，确保不因震动而松动或脱落。2、调试钻机（方位、倾角）（1）钻机入孔的方位角及倾角，必须在测量队提供的可靠的测量数据上进行；（2）孔位确需移动时，须设计与监理同意，并且计算回归角度；（3）根据试验检验导向钻头的纠偏能力，在施工经验积累的基础上，确定开孔方位和倾角是否增加纠偏角，并以书面形式通知机台；（4）计算倾角时应将隧道坡度考虑在内，钢管打设时原则上不允许向内偏斜。3、钻具组装

16、（1）钻头楔掌板旋转直径120mm，楔型面与钻具（钻杆）交角20；（2）水眼直径为8-10mm；（3）钻具前部的导向钻头，探头必须经检验，保证质量合格，性能可靠，安装齐全；（4）探头盒后部加装灯光以备随时测斜之用。4、冲洗液流通系统（1）冲洗液具体配比由专业泥浆工程师根据具体地层情况确定。泥浆需经充分搅拌，均匀配制而成。配制时，必须严格执行配比；（2）冲冼液必须先配制好后使用，严禁使用中同时加清水、加料；（3）冲洗液流通系统：冲洗液制备储浆池泥浆泵送水器钻具管外环状间隙孔口回水阀门高吊管回浆管（沟）。钻进过程中必须保持上述各流通环节的畅通；（4）在施工过程中，应根据不同地层，合理调节泵压、泵量

17、，以免因冲洗液不足引起通道堵塞或因浆液过大导致过量泥沙外排。此工程中，一般宜取中低压、中小水量。5、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）钻进前须先开泵，待冲洗液流通正常后，方可钻进；（3）钻进时，泵压应控制在0.4-1.0MPa，泵量为10-30L/min为宜。保持中低压力，匀速中速钻进；（4）为防止水土流失，控制沉降，必要时需采用孔内保压措施。要始终保持回水量小于或等于进水量；（5）导向技术人员随着不断钻进，必须时刻观察探头角度变化情况，角度偏差大于0.5%时，应及时纠偏。当纠偏无效、偏

18、差大于1.5%时，应停止钻进，及时报告项目经理，研究对策后再施工。现场须及时进行导向数据记录和钻具前端长度及每次加管长度详细记录；（6）钻孔出现涌水时，应尽量保持泵压，泵量不能变小，以平衡孔内压力；（7）冲洗液不正常时，严禁继续钻进。泵工应注意观察冲洗液变化情况，及时上报有关负责人；6、回次加尺、接线、焊接（1）每根管在下坑前必须进行质量检查。管材不得有弯曲，丝扣四周壁厚均匀，丝扣完好合格。管材内的铁屑、赃物及锈皮等必须清除干净。下坑时避免与硬物相碰，以免损伤管扣；（2）钻进中，每次加尺后，须先钻进后起出进行棚管丝扣接缝焊接（即先钻后焊），以免钻进时的扭力造成开焊。要求每个接缝焊接进行自检，保

19、证焊接质量，为了避免管棚钢管同步搭接，大管棚前端第一根可以采用两种规格，单号第一根打设3m管棚钢管，双号第一根打设4.5m管棚钢管；（3）连接的电线应选用导电性能好，外壳绝缘性能好且耐磨的电线。接头处要用两层热缩套管套好，用热吹风机吹烤贴牢；（4）回次加尺、接线、接管以及焊接过程中，均注意不得将异物遗留或掉入打设管内。7、探头盒回取及终孔注浆（1）用8mm的钢丝绳将探头盒取出，取出时应每10米测量一次孔斜情况；（2）单孔打设验收合格后，终孔注浆，水灰比为1：1，从108管棚钢管内注入水泥浆，水泥浆从钻头前端注入管外环状间隙，等孔口返出水泥浆时，关闭排浆阀，注浆压力保持在0.8-1.0mpa达3

20、-5分钟后，注浆结束。（3）单孔验收合格后，在现场立即办理验收合格签证，再转入下一孔位施工。七、施工要点（一）因隧道上方管线复杂，每个孔都要仔细调整钻机方位及打设角度，确保每根管棚钢管以准确的方向钻进（二）泥浆配比应根据现场土质和水质进行试用确定。（三）大管棚打设时必须跳孔打，终孔跟踪注浆，注浆必须保证管内外环状间隙注满填充实，在管棚打设时必须按照施工组织设计进行施作。（四）大管棚注浆采用水泥浆，水灰比为1：1，注浆压力控制在0.81mpa，停1530分钟后进行二次补浆，确保管内外填充质量。注浆必须控制好注浆量、注浆压力等每一个环节，保证达到设计要求。八、设备及材料配备（一）设备选型名称型号数

21、量备注水平钻机HTG-1001台定向钻进导向仪DITRACKSE-1型水平导向仪1套工作平台（架）H-3型可移动升降式工作平台1套泥浆泵BW-250型1台电焊机BX15001台搅拌箱立式离心泵循环搅拌1套因本工程管棚管径大，故选用功率较大的水平钻机。拟选用的钻机主要性能如下：HTG-100钻机，扭距6000N.m；给进力130KN；重量1.2t；电机功率55KW。（二）施工用材料1、108x6mm无缝钢管，每根管棚钢管加工成6m长，钢管之间通过丝扣连接。2、管棚钢管用量：设计单根管棚打设60m，根据管棚施工规范要求，前后两个循环管棚应有3.05.0m的搭接长度，本工程隧道断面较小，因此取两邻两

22、个循环管棚搭接长度为3.0m。而管棚单根长度为60.0m,考虑相邻搭接长度，第一循环管棚打设长度至少为63.0m，下一循环管棚打设长度至少为66m。该标段内设计管棚工程的区段为5+7607+262.04m，全长1502.04m，减去两个竖井范围长度，需施工管棚的隧道长度为1486.04m。具体分段管棚材料用量分析如下：（1）8#竖井内小里程方向，5+977.095+760m段，全长为217.09m。分四个循环施工管棚。管棚1086mm无缝钢管用量为63253+402515725.0m。丝扣用量为10253+6251840个，丝扣用1088mm无缝钢管量为8400.15126.0m。 （2）9#

23、竖井内大里程方向，6+881.657+262.04m段，全长为380.09m，分七个循环施工管棚。管棚1086mm无缝钢管用量为63256+2325110025.0m。丝扣用量为10256+32511575个，丝扣用1088mm无缝钢管量为15750.15237.0m。（3）8#竖井和9#竖井之间，即5+985.096+873.65m，全长888.56m，分十五个循环施工管棚。其中8#竖井和9#竖井分别施工一个循环管棚。管棚1086mm无缝钢管用量为632514+51.5625123450.0m。丝扣用量为102514+82513700个，丝扣用1088mm无缝钢管量为37000.15555.

24、0m。因此，用管棚钢管总量为5725.0+10025.0+23450.0=39200.0m。丝扣管总用量为126.0+237.0+555.0=928.0m。3、注浆用水泥、注浆管、阀门等。4、膨润土及泥浆添加剂5、钻头铁板：钻头铁板厚14mm，每一根管棚需用一块340mm130mm的铁板。6、封孔铁板：封孔铁板厚5mm，每一根管棚需用一块115mm115mm铁板。7、氧、乙炔、电焊条等。（三）施工条件要求1、施工场地应平整坚固，高度适中，无积水，无影响钻机正常运行的障碍物，有工人进出场地的安全通道，不得有威胁施工安全的其他作业。2、有设备及钢管水泥进出场地的安全通道及适当的吊装工具。3、每台钻

25、机需配动力电75KW，电缆接至离掌子面30m以内。4、水源接至掌子面30m以内。5、有足够空间安装泥浆池。6、如遇卵石地层而需每台钻机配备一台12m3以上的空压机。九、人员配备 每台钻机人员配备情况如下：类别人数备注现场管理1人机手2人（白、夜班）泵工2人（白、夜班）焊工2人（白、夜班）钻工4人（白、夜班）合计11人十、质量保证措施为了保证质量、保工期、顺利完成，必须严把质量关，技术质量保障体系的总体要求是：现场各工序均由专人负责，严格实施岗位责任制，力求做到分工明确，责任到人。具体措施包括如下：1、工程开工前，认真做好技术交底，做到人人明白技术要求，个个分担技术责任；2、上岗人员必须经过技术

26、培训，特殊工种必须持证上岗；3、 施工人员严格执行当地的有关规定；4、严格按照管棚打设施工的总体要求和设计技术交底的具体要求进行每一工序的施工；5、主要工序均由本工序的负责人进行自检，合格后上报工程技术负责人，会同监理检验合格后方可进行下一工序施工；6、认真执行施工组织设计及施工技术措施规定的质量标准；7、生产主管、技术人员、机手在施工中应熟悉地层变化，分析偏斜规律，根据情况变化适时调整技术参数和开孔角度；8、各班记录人员准确丈量钻具，准确记录钻杆长度、根数。各种数据记录要及时。禁止追记或补记，及时校正孔深，交接班要交接清楚；9、施工前向甲方详细了解地下障碍物分布情况，最大埋深，根据调查结果做出相应防范措施；10、严把材料质量关，对所有使用的各种材料和零部件，均须由专人一一检测，不合格者必须剔除，严禁勉强使用或漏检；11、钢管运到现场，须由专人清理管内铁屑、