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導向螺旋鉆進的近期發展與應用 1 介紹 20 多年來，微型隧道法已作為一種大直徑管道的非開挖施工技術在世界范圍內得到了應用。而這種技術在小直徑管道鋪設中顯的成本較高，所以激光導向螺旋鉆進作為一種簡單、便利的方法（也被稱為先導式微型隧道法）在過去15 年中得到了發展。先導式微型隧道法,由于其施工效率高，被公認為小直徑排水管道非開挖施工中最先進的方法。先導式微型隧道法一般由二到三個步驟組成，最后一步是頂入需要鋪設的管道。從技術上看，主要的限制是巖土體必須松散適于切入，因為在第一步將先導管擠入地層中是在沒有任何自由面的情況下進行的。這就是為什么一般的土層導向鉆進技術不能用在致密（標貫值>35）地層的原因，巖層中明顯更是行不通的。 隨著一種名為“前導”的新導向技術發展，Bohrtec 公司首次突破了微型隧道法的應用范圍的限制，使其在導向螺旋鉆進的輔助下能對的致密（標貫值>35）地層和強度達到10Mpa 的中度堅硬巖石中進行非開挖施工。如果先導系統上裝配有氣動錘（潛孔錘），那么甚至可能在強度達到150Mpa 的堅硬巖石中使用。 2 常規土層先導式微型隧道法 標準流程包括三步，如圖1 所示。第一步，在不進行任何開挖的情況下，先導桿穿過地層。先導桿的線形和高度采用可視化導向系統控制，這套系統可以通過LED 屏確定導向頭上轉向靴的位置。線形和高度的監測是通過位于出發坑里的顯示屏進行的。如果出現了任何偏差，都可以通過旋轉導向頭進行糾正。導向頭表面為45°，當它推入地層是可以提供就糾斜力。 當先導管到達接收井時，螺旋鉆孔階段就開始了。在這個步驟中套管和螺旋鉆桿被連接到最后一根先導桿上，螺旋鉆桿和套管被頂進的同時螺旋鉆桿在套管里旋轉；開挖出來的碎屑被運回出發井，然后再收集到渣土吊斗里。與此同時當套管和螺旋鉆頭達到接收坑時，先導管被拆除。 最后一個步驟是工作管的頂進，工作管與套管的外徑接近相等，通過鉆機頂進安裝，同時螺旋鉆頭和套管將頂入接收坑。在接收坑里螺旋鉆頭和套管被拆除并提升。重復這個過程直到所有的螺旋鉆頭和套管被工作管替換。這種方法被用于導向住宅支管連接，同樣可以用于長度100m 以內，直徑300mm以內的管道鋪設。 圖1 常規方法 圖1a 常規法要要改進三步法 為了避免大直徑工作管頂進時出現的困難，出現了改進三步法。在使用螺旋鉆進和頂進套管完成第一步成孔后，緊跟著是液壓頭擴孔，土體被開挖后 通過套管運輸到接收坑（圖1a）。 3 前導定向螺旋鉆進系統 和常見的土層施工方法一樣———前導系統使用了已被驗證效果良好的光學導向系統，它包括了帶孔內照相機的定向儀、監視器和LED 目標顯示屏。如圖2 所示，巖土體通過切削頭被連續的開挖，再通過具有空心的螺旋鉆桿將碎屑運輸到出發井。導向管通過地層的反作用力來導向。機器操作人員能實施遠程操控來完成操作，通過人工或自動模型使導向管上下擺動，之后在控制板上顯示出切割頭的方向。 圖2 先導和導向螺旋鉆進系統 由于空心螺旋鉆桿中有激光導向，先導儀能夠較好地保持頂進中心線和坡度，在80m~100m 的最大頂進長度施工時，可以將誤差范圍嚴格地控制在±25mm。先導系統的主要原則是施工現場的安裝和操作盡可能的簡單，完成系統安裝的時間比傳統先導管法的安裝時間少。圖3 就是前導系統典型的工作現場。 圖3 在出發井的BM500 和419mm 的先導系統 3.1 沒有激光導向的前導定向螺旋鉆進系統 前導系統的進一步運用將是在鋼管頂進中，已有的非導向常規螺旋鉆機使得這套系統非常容易被接受。在這種情況下導向頭直接連接到焊接鋼管上，在標準螺旋鉆桿中沒有任何的光路（如圖4 和圖5所示）。 圖4 先導系統的測斜儀和電子水壓計 與頂管法對管道中心線和坡度有嚴格誤差控制相比，這種方式對于焊接鋼管接口的精確性有著完全不同的要求，管道中心線不是很重要，坡度通常也有更大的允許誤差范圍。 圖5 起始井先導鋼管頂進和傾角羅盤和水壓計 結果是我們并不需要用于為激光導向系統提供光線路徑的特制中空螺旋鉆桿，在測斜儀和電子水壓計的幫助下，傾斜角度得以控制。 每節鋼管至少3m 長（越長越好），用特殊的鉸接頭連接在前導的后面以確保管道中心線最小的偏斜，但是對于傾斜度可能要100%的控制。當管道中心線出現較大的偏斜后，前導系統可以適當的在各個方向進行調整。 3.2 前導定向螺旋鉆進和潛孔錘 前導系統出現了一個全新的，令人關注的應用，就是將前導系統和氣動潛孔錘結合在一起。潛孔錘的應用眾所周知，在非導向螺旋鉆進不適用的含有漂石、卵石和堅硬地層的不同混合巖土地層中都得到了很好的應用。但是將像前導這樣的可導向系統和潛孔錘組合在一起是從來所沒有過的。 如圖6 所示的是在瑞士609mm 先導儀和潛孔錘在現場的安裝，潛孔錘所需的高壓空氣通過空心螺旋鉆桿，開挖產生的碎屑通過螺旋鉆桿運輸到起始坑。空心螺旋鉆桿被用來為潛孔錘輸送空氣，這個系統是無法和光學導向系統一起工作，而是使用測斜儀和電子水壓計。 圖6 609mm 先導和潛孔錘 4 現場實例 4.1 在德國柏林使用帶激光導向的419mm 的先導系統完成吃管法 雖然前導技術在松散地層和軟弱巖層中得到了發展，但在柏林的第一個項目中就遇到了特殊的挑戰。在位于柏林的威莫區的“Redevelopment areaForckenbecken”項目實施期間，在Misdroyer 街下的污水管道（外徑為175mm 的石制管道）需要在相同的位置替換為外徑為300mm 的污水管道。“Berliner Wasserbetriebe”（柏林供水系統）的最初設計就是采用非開挖吃管法完成管道替換，因為60m長的線路上需要通過6 棵直徑在300mm~350mm的成熟樹木。 柏林的Frisch & Faust 公司已經擁有各式的Bohrtec 先導鉆進系統，當它收到這個項目的相關信息時，他們發現這是一個很好的機會來使用新型帶“前導”的定向螺旋鉆進系統。BM 500 型光學測量系統和合適的空心螺旋鉆桿已經到位。除了已有的設備，還需要“前導儀”和操作控制板。現場將土層劃分為LBM2 和LBM3。在此次下水道修復線路上的六間住宅與主管之間的連接在事先都分流了。在做這些工作時發現在進行鉆進工作之前需要清除室內支管，因為它們所有都用三個金屬夾座固定在老的排水管上。由于水管、氣管和電線穿過起始井，起始井用木質支撐和混凝土錨固（concrete thrust wall.），在鉆進工作開始的一周之前，對原有的排水管進行了灌漿。 通過Frisch&Faust 公司完成所有的初步工作后，Bohrtec 團隊帶著“前導儀”到達，幾小時之后已經成功的鉆進了最初的幾米，從一開始的新導向頭的控制就非常好，即使在不同的地層條件下，無論是在原有管道下方的含石塊砂礫石層（LBM2~LBM3），還是原有管道內的灌漿體，在土體清理和導向中都沒有出現任何問題。 經過與全新導向系統的短暫磨合，Mr. JohnAdams———Frisch & Faust 公司一位經驗豐富的操作手———能夠獨立的操作轉向頭，對于簡單的操作已經沒有任何問題了。Frisch & Faust 的施工團隊對于大量常見的導向鉆進設備都進行過良好的培訓，在第一天就達到4 米每小時的鉆進速度，其中還包括了管道連接和其它工序。一天下來，長25m、直徑為419mm 鋼套管已經被成功的頂進，即便鉆進從當天早上才開始。 兩天之后已經鉆進了54m，并沒有出現任何的特殊問題。雖然安裝鋼套可以在施工的第二天完成，但在到達接收井之前有個短暫的停頓，這是為了顯示“前導儀”進入接收坑，在第二天早晨進行“Berliner Wasserbetriebe”典型操作。在到達目標井后，導向頭被拆下來，施工團隊開始管徑為300mm的陶土管頂進。 僅僅花了四天的時間就完成了60m 的鉆進，所有部分都令人非常滿意，吃管法和新先導儀的首次配合使用結果取得了完全的成功。 4.2 德國波鴻的使用帶有激光導向系統的419mm前導儀 從2011 年10 月到12 月，Weitz 公司作為Batteux 公司在“德國波鴻Konrad-Adenauer-Platz 段管道更換和管道鋪設”工程中的轉包商，它需要鋪設96m、管徑300mm 的陶土管頂進。管道被分成3 個單獨的鉆進。最長的鉆進長度是62m，最初的計劃是使用導向式微型隧道法，但是由于對地層的調查，Weitz公司決定繼續使用先導儀，因為地層調查顯示地層名為“EmscherMergel”，是一種擁有高壓實度的致密土層，常規的微型隧道法很難進行。 用BM500 在直徑3.2 米的圓形出發坑中頂進406mm 的臨時套管。在空心螺旋鉆桿的幫助下，利用激光導向系統通過光路進行導航，鉆進過程中幾乎沒有偏離管道中心線和坡度。在完成臨時套管安裝后，臨時套管在陶土管的作用下被推出。 采用前導儀是一個很好的決定，因為對于常規導向方法來說，土層太堅硬了。而對于土層的開挖，前導儀一點也不成問題，三次鉆進都完成的很好，而且不會有任何的問題。 圖7 419mm 先導起始井和在接收井的地層條件 4.3 在瑞典鋼管利用前導儀配合孔底沖擊錘頂進609mm 管道 來自瑞典的BAB Rortryckning 公司需要越過95m 的距離來頂進609mm 鋼管，這次頂進是鋪設壓力管線的一部分，從一個周邊交通繁忙的湖出發，在一個泵站結束。工作管是在鐵套管中管徑為500mm的PE 管。之前的非導向頂進有太大的偏差，這就是為什么尋找一種導向鉆進方法的原因。 地層當中除了一般的砂以外還含有一些卵石和漂石，這就是為什么鉆進不能用常見的先導管法來施工的原因，BMB 公司———在非導向夯擊鉆進中有豐富的經驗———決定使用配備氣動錘的前導儀系統。 鉆進工作的實施是采用來自Bohrtec 公司的BM400 激光 系統，它是一種長框架設備。609mm 的鋼管每根的長度是12m，圖8 所示，在施工安裝現場沒有標準的起始井。設備直接放在地表，頂進荷載傳到堅固的反力墻。 工作人員從2012 年1 月末開始鉆進，一開始的施工非常好，因為在剛開始的40m 沒有卵石和漂石，鉆進可達每天15 米。 圖8 瑞典工作安裝現場 后來，先導系統不得不穿過大的卵石和漂石，有時甚至是堅硬的巖石，這使得施工速度變慢，但是配有夯擊錘的前導系統工作的非常好，導向效果也非常好，穿過堅硬巖石之后是呈各項異性的混合地層，但是配有夯擊錘的先導系統工作沒有任何的問題，鋼管在測斜儀和電水壓計的幫助下，鋼管頂進沒有出現任何的偏差。 5 結論 導向螺旋鉆進機器的裝備和方法在最近幾年期間得到了發展，發展的要求總是圍繞以下幾點： （1）低資本投資； （2）在現場安裝時間短； （3）操作簡單。 隨著先導系統的發展，Bohrtec 公司可以完全滿足上述工程的要求，通過在應用范圍拓展上的不懈努力，證明了導向螺旋鉆進技術在非松軟的地層中（標貫值>35）和強度達到10Mpa 的巖石中（在有夯擊錘的情況下甚至在硬度達到150Mpad 堅硬巖石中）鋪設小管徑、短長度的管道是非常成功的。此外，現場實例展示了普通先導管在不同環境下的應用范圍。