摘 要：从隧道超前支护的施工工艺着手，介绍了几种用非开挖技术施作隧道超前支护的方法，并进一步说明了其中若干问题，为达到质量最好、效率最高、经济效益最大化的隧道超前支护施工提供参考作用。
关键词：隧道超前支护 非开挖技术 应用
0 引言
随着城市地下空间建设和开发的不断加快，对地下工程施工技术的要求也在不断提高。由于浅埋暗挖法具有无可比拟的优越性，已成为城市地下工程施工的主要方法之一。城市地下工程绝大多数位于繁华地段和靠近密集建筑物或居民区，因此控制好施工过程中引起的地表下沉和对周边结构物的影响，是浅埋暗挖法施工成败的关键。
经过近几年来的不断发展和实践，隧道超前支护作为一项保证隧道开挖安全、保护地面建筑以及控制地表沉降等的技术越来越受到重视，其应用也越来越广泛。随着隧道超前支护施工的不断发展，新工艺、新技术也不断涌现，极大的提高了地下工程的施工安全和施工效率。而非开挖技术作为一项新兴的施工技术由初期的市政地下管线的铺设，向城市隧道暗挖施工的超前支护技术方向延伸，并已显示了较大的优越性。
1 工艺原理
隧道超前支护又名管棚支护，就是沿着隧洞开挖轮廓周线，用特定的机器把一系列钢管顺着隧道轴线方向按一定次序打人开挖前方的地层内，然后向管内注浆固结管子周围的围岩，最终形成一个棚架支护体系，以支撑来自外侧的围岩压力，从而保证其隧洞开挖、衬砌的连续性和安全性。特定的机器主要是指用来进行非开挖施工的水平定向钻机和夯管锤。
2 施工工艺
目前，施作大管棚的工艺很多，其中非开挖技术施作大管棚就是其中的一类。而非开挖技术施作管棚的方法又分为夯管锤直接夯进法、水平定向钻机顶进法、水平定向钻机回拖法、夯管锤和水平定向钻机结合法几种。
2.1 工艺流程
利用非开挖技术施作大管棚的工艺流程见图1-图4。
2.2 施工步骤
2.2.1 施工准备
在开始施工之前，先对施工区域地下管线和地质情况进行详细探测，弄清地下管线位置和是否有障碍物，防止施作时破坏地下管线及制定相应的措施。如在含卵石或有障碍物地层中用夯管锤施作管棚时，在钢管夯入头安装切削头，防址钢管头变形影响管棚精度；根据不同地质情况，选择合适的钻头、回扩器、合适泥浆配置方案以及进行钻进曲线设计，保护好地下管线的安全。
图1 夯管锤直接夯进法工艺流程图
图2 水平定向钻机直接顶进钢管法工艺流程图
图3 水平钻机回拖钢管法工艺流程图
图4 水平钻机和夯管锤结合法工艺流程图
用水平定向钻机直接顶进法施工时，为了加强其顶进过程中的导向作用，提高管棚的精度，还需要用制作管棚的钢管自制一个楔形钻头，钻头前要满焊一块加工有射水孔的钢板，孔径大小根据管径大小确定，一般在10-20mm之间。并且在钻头里加工一个装探棒腔的定位装置，探棒腔里装有探棒，用来进行导向控制，结构如图5所示。无线探棒是通过发射无线信号传递导向信息，而钢管对无线信号有屏蔽作用，因此要在楔形钢管钻头上加工适当的缝隙，有利于信号的发射，增强其导向作用。
图5 自制的钢管钻头结构示意图
在用水平定向钻机和夯管锤相结合法施工时，由于要进行扩孔操作，为了提高管棚精度，需要加工一个特殊的回扩头，回扩头两端都是锥形，并且上面有射水孔，具体形状如图6所示。回扩头是通过丝扣接头与钻杆连接；在回扩头表面加工排泄泥浆的螺旋槽；回扩头直径中根据管棚的大小来定。
图6 回扩头示意图
2.2.2 设备的安装、就位
按照设计要求和施工条件，准确把设备进行安装、调试和就位，使设备的位置、安装角度等符合施工要求。
用夯管锤施工时，牢固铺设钢管导轨和安装夯管锤基座，在每次安装出土器、夯管锤以及锥套时，用测量仪器进行检测，保证二个部件的中心线在同一直线上。进行空压机的调试，以准备夯击，同时要注意导轨地基坚固稳定，铺设的管线越长，地基的稳定性越重要。导轨要选用重型槽钢、工字型钢，而且作导轨的型钢必须调直，对于大直径钢管(φ210mm以上)，一般采用两根工字钢作导轨。工字钢安装要平直，并根据钢管可能的偏斜趋势适当上扬或下调一定角度，以抵消一部分可能的偏斜。一般在软地层中钢管容易向下偏斜。
用水平定向钻机施工时，在开始安装设备前，先校核探棒的准确性。根据设计要求，用测量工具准确定位水平定向钻机的位置、方向、角度，并且将钻机固定好，防止钻机在推力和扭矩的作用下出现倾斜和移动，影响管棚精度。同时考虑到钢管自身有挠度、地层的具体情况以及钻机在操作过程中产生的误差，在调整钻机时一般先放一个仰角，角度的大小主要是根据管棚的长度、钢管壁厚以及地层条件等因素来定，一般在1％-2％。
2.2.3 导向钻进、扩孔
导向孔是回扩、回拖管线的基础，导向孔的质量将直接影响到以后各道工序的施工。在钻进过程中，通过导向仪随时进行监控，尽量保证钻进轨迹与设计的钻进曲线重合。如有偏离，应及时纠偏，纠偏遵守“勤纠少纠”的原则。
为了能更好的成孔，保证钻进顺利，要根据地质情况及时调配泥浆和控制泥浆的流速。泥浆的主要作用是保护孔壁、防止钻孔坍塌以及携带和悬浮钻肩，并排到孔外，冷却和冲洗钢管，起到润滑作用，减小钻机旋转及推进阻力，保证施工顺利畅通。有时为提高泥浆
的润滑性，降低摩擦阻力，增强携屑效果，需加入增黏剂和润滑剂。在钻进过程中要根据地层情况和压力情况及时调整泥浆稠度和钻机的转速，及时记录各种技术参数。
扩孔就是把导向孔通过回扩头扩至施作钢管所需要的孔径大小，满足钻机的工作功率。回扩头的直径应满足其回扩后的孔径为钢管直径的1.3倍。
2.2.4 钢管的施作
根据选用的施作方法，用相应的设备把钢管送(水平钻机直接推进、回拖或者夯管锤夯击)人土层中，形成管棚支护系统。
用夯管锤施作管棚时，由于钢管是非控向的，所以第一节钢管的夯进是保证管棚精度的关键。夯进第一节钢管时，必须非常慎重，按照管棚设计要求，准确调节好第一节钢管方向、角度，然后轻微开启空压机阀门，慢慢夯进钢管，保证第一节钢管准确夯入土层。同时要注意所夯钢管的长度要与钢管直径、壁厚相匹配。大管棚施工时，一定要采用合适壁厚的钢管，使钢管能承受相应夯管锤型号的夯击力，使管棚达到设计要求。具体匹配见表1。
表1 钢管直径、壁厚匹配表
用水平钻机直接推进钢管法施作时，开始推进第一节钢管时，在开孔阶段采取低速低压，待钢管进入一段距离(一般是1m左右)后，压力逐渐升高，达到合适值(根据现场条件而定)，钻速升致正常转速。在钻进过程中，必须在钢管内注压力水(泥浆)，以冲掉钢管前端泥土，润滑钢管外表面，减小钻进阻力和旋转扭矩，使钢管能顺利旋转前进，因此，钢管不能开注浆孔。
在钻进过程中，通过导向仪随时进行监测，及时掌握钻进数据。如果压力水(泥浆)未及时把钢管前面的土冲掉，会使水压和推力突然增大，这时把钢管来回推动，使水尽量把泥土冲掉，达到正常的运转范围。
开始钻进时，在人土处焊一个定位三角架卡好钢管，防止由于钢管旋转带来的偏移，保证钢管的中心线在开孔处沿着设计轨迹前进。
2.2.5 钢管的连接
主要有丝扣和电焊两种方式连接钢管。根据不同的施工方法采用不同的连接方式。用夯管锤夯击钢管时一般用满焊，焊缝处加绑铁的方式连接，使焊缝处能承受较大的夯击力；用水平钻机施作时一般用丝扣连接，使钢管接头处能传递较大的轴向力和扭矩。不论采取哪种方式，在加装钢管时，都必须注意检查钢管是否弯曲，全部管子中心线是否在同一直线上。
2.2.6 注浆
在管棚施作完以后，需在钢管上开注浆孔进行注浆，以固结管子周围的围岩，最终形成一个棚架支护体系，使管棚能起到支护作用。在用水平钻机直接推进钢管法施作时，由于钢管是当钻杆使用，所以不能在钢管上开注浆孔。在采用水平钻机和夯管锤结合的方法施工时，由于是钻大孔夯小管，所以必须在钢管上开孔注浆，以减少管棚与孔壁间的间隙，防止
产生沉降。
3 适用范围与应用
3.1 使用范围
由于传统的管棚施工方法存在铺管方向控制难，一次性支护长度短，降低了隧道开挖效率，提高了施工成本。其现有的管棚设备已无法满足长、大管棚的铺设要求。而使用非开挖技术进行管棚施作，较好地解决了这些不足，既能铺设长、大管棚，又能很好的控制管棚的精度。但是不同的地质，使用的施工方法和施工设备各有不同。
使用夯管锤施作管棚时，适用的管径范围较大，但是由于大管棚的管径一般都在φ377mm以下(少数也达到φ400mm)，根据管径与长度匹配表以及地层条件，该方法施作管棚的长度一般在30m以内。同时，该方法对地层的适应性强，既适应于含水层，也适应于卵石层(要求卵石粒径不超过钢管直径即可)。但是夯管锤声音大，不宜在居民区、学校等对声音环境要求高的地方施工。
水平定向钻机直接顶进钢管法一般用于φ130-φ175mm，长度小于30m的管棚施工，但是在非粘土层和砾石层中施工困难，一般适用粘土层。
水平定向钻机回拖钢管法施工速度快，对地表干扰小，可控制铺管方向，施工精度高，可以开注浆孔等优点，一般适用于φ108-φ500mm，长度小于70m的管棚施工。但是用该方法施作管棚，对施工场地要求较大，必须两边都有施作空间，而且导向钻进不适用于砂层和砾石层，一般适用于黏土层。
水平定向钻机和夯管锤结合施工的方法适用于软土层，不适用于沙层和砾石层。在机器丁作功率满足施工的情况下，一般适用于φ108-φ210mm、长度15-40m的管棚施工。但是该工艺对操作人员的技术要求高，辅助施工时间较长，其施丁速度较慢，不适用于工期紧张的工程。
3.2 应用实例
从上面的施工工艺说明可以知道，每种工艺既有各自的优点，也有其不足之处。施工时，要根据管棚的设计要求和现场的施工条件以及经济效益选择合适的施工工艺，要做到既能按时完成任务，又能保证管棚的质量。北京地铁的建设中，非开挖技术在管棚施作中发挥了巨大的作用，各种工艺应用实例见表2。
4 结论
对非开挖技术施作管棚的几种工艺进行了简单介绍，并对其注意的问题、特点和适用范围作了说明，对以后各种工程的施工起到参考和指导作用。但是没有就如何具体控制管棚精度和在管棚施工中带来的沉降作详细的研究。
(北京中铁隧建筑有限公司，北京 100022
