北京兴延高速公路工程白羊沟隧道位于昌平区流村镇古将村与王家园村之间, 全长3 510m (单线) 。根据现场地质调查和超前地质预报结果, 隧区内地层为寒武纪灰色白云质灰岩, 薄层～中厚层状, 裂隙十分发育, 一般为强～中等风化, 地层走向为NS25°左右, 倾向西, 倾角约20°, 在隧道掌子面前方50m将进入王家元-南站-果庄断裂带, 断裂带宽约70m, 由一组次级压扭性断层组成, 走向NE45°, 倾角SE65°左右, 断层带多被泥质充填, 地下水不发育, 但岩石自稳定性极差, 易掉块或产生坍塌, 甚至造成塌方等工程事故, 给隧道施工带来严重困难与风险, 风险等级为一级。

隧道施工遇到断层破碎带可采用大管棚法施工, 大管棚工法也是隧道和地下工程防塌防沉最有效的辅助工法之一, 属超前预支护技术领域, 可有效抑制掌子面前方的地层位移, 控制围岩松弛, 限制隧道地表沉降、拱顶下沉和周边收敛, 使开挖面前方一定范围内的围岩处于稳定状态, 具有超前加固距离长、施工快、造价低、安全性高、工期短等优点^{[1,2,3,4,5,6,7,8]}。

大管棚支护技术要点是使用水平钻机在隧道开挖前的拱部区域按设计孔数、间距和深度钻设水平孔, 埋设钢管, 并在管内及管周注入水泥浆以加固土体和提高钢管刚度, 使隧道拱部预先形成1排环向间隔布置的钢管棚。钢管棚的一端深入隧道前方地层中, 另一端在已有支护的上方, 通过管棚可将局部应力特别是正开挖的拱部应力均匀分布到前后支撑结构上, 避免局部应力集中而失稳^{[1,2,3,4,5,6]}。大管棚结构本身具有抗剪性能, 可有效承载上覆局部松软土体荷载, 且使被加固土体的抗剪强度有较大幅度提高, 从而在隧道开挖而拱部支护未施工或未发挥作用时, 提供上覆土体所需的支撑力, 减小或消除因隧道开挖引起的地面沉降和临近管线变形, 确保隧道开挖安全^[8,9,10]。

大管棚支护技术虽然在工程中已得到广泛应用, 但白羊沟隧道断层带围岩极不均匀, 岩体大小混杂, 管棚钢管施工常常造成钻孔跑钻、偏离设计方向, 注浆不均匀, 注浆时浆液渗漏, 甚至造成外泄等, 因此, 钻孔跟踪定向问题和注浆质量问题直接影响施工的安全和工程质量。

大管棚施工时水平钻孔因钢管自身重力作用向下弯曲难以避免, 岩体不均匀也极易造成钻孔跑钻、偏离设计方向, 钻孔一旦出现孔斜或超出设计允许偏差, 也会影响邻近钢管钻设, 造成隧道洞体形状参差不齐、支护效果差等, 若钢管下沉到一定程度, 开挖时还需切除, 造成钢管间隔增大, 易造成隧道坍塌, 所以, 管棚钢管跟踪定向和定向精度问题严重影响管棚施工质量与施工安全。

本方案管棚定向跟管钻进是依据非开挖管线施工水平定向钻进技术开发的新型定向跟管钻进技术, 主要包括隧道管棚钻机、钢管和楔形导向钻头等部分, 钻进中利用管棚钢管代替钻杆, 钢管最前端加装楔形导向钻头, 后续棚管之间采用丝扣连接, 隧道管棚钻机将钢管定向钻入软弱地层或破碎带, 钻进中钻头一般匀速旋转钻进, 理论上钻头的轨迹是沿设计方向平直进入, 但在钢管自重和破碎不均匀岩体作用下, 钻头的钻进方向会在异常外力作用下偏离设计方向。

定向跟管钻进技术采用楔形导向钻头, 内设定位传感器、探棒和导向板, 如图1所示。定向传感器用来实时确定钻头的位置和方向, 探棒用来确定楔形导向钻头的倾角和面向角, 在钻进过程中实时探测钻头位置和方向, 并利用楔形导向钻头的导向板斜面对钻孔方向进行实时纠偏处理。

定向传感器实时监测钻头的位置和方向, 实时向监视器发送监测信息, 当发现钻头偏离设计方向时, 探棒感应出钻头倾角和面向角, 并发送信号至孔外显示器指示钟, 当显示器指示钟显示为12点位置时指示楔形板斜面朝下, 显示器指示钟显示为6点位置时指示楔形板斜面朝上, 显示器指示钟显示9点和3点时分别为偏右、偏左方向, 如图2所示。

在钻进过程中钻头偏离设计方向, 导向钻头的楔形导向板的受力面可用来改变钻头的受力方向, 可在停止钻进时按预定方向顶进钻头, 实时纠正钻进方向。

深孔注浆是利用钻机把带有喷嘴的钻杆 (注浆管) 按照设计长度钻入土层, 通过高压设备使安置在注浆管上的喷嘴喷出20～40MPa高压射流冲击切割土体, 使浆液与土体拌合均匀, 同时以一定速度向外提升钻杆, 待凝固后在土体中形成具有一定强度的连续固体。根据支护要求不同, 在土体中按照一定顺序或性状进行排列, 以达到保证周围土体稳定的目的。隧道穿越破碎带管棚, 由于管棚钢管长, 注浆压力和方向难以准确控制, 直接影响注浆质量和效益, 本方案设计了一种新型智能深孔定向注浆及监测系统, 如图3所示, 采用一种玻璃钢空心注浆管, 注浆时实时监测被加固土层与注浆管间的层间压力以及注浆管内压力, 根据采集数据变化情况随时调整注浆压力、注浆量和注浆方向等参数, 保证达到预期注浆效果。

双重管智能深孔定向注浆及监测系统包括浆液定向喷射系统和监控监测系统。浆液定向喷射系统包括钻具及注浆口, 将按设计要求配制好的浆液注入玻璃钢高压注浆管, 浆液在压力作用下, 由高压注浆管管壁的注浆喷嘴喷射至孔壁围岩裂隙中, 浆液挤入孔壁围岩裂隙中并凝固, 形成复合地基, 提高密实度和承载力;监控监测系统包括计算机终端、数据传输线、探测杆、探测端头及压力传感器, 用于在注浆时能实时监测被加固土层与注浆管间的层间压力及注浆管内压力, 根据采集数据变化情况随时调整注浆压力、注浆量参数。

在注浆过程中, 探测端头和压力传感器实时进行数据采集与传输, 计算机终端对数据进行实时处理和预警预报, 技术人员可随时掌握被加固土层与注浆管间的层间压力和注浆管内部浆液压力, 根据监测结果, 可对注浆压力、注浆量等参数进行调整, 当监测到的被加固土层与注浆管间的层间压力满足设计需求时, 则可停止注浆;同时, 所观测到的被加固土层与注浆管间的层间压力可作为注浆质量检验的参考依据。

1) 导向墙应根据隧道轴线及开挖轮廓线布置, 导向墙内应安装2榀型钢拱架, 间距60cm, 焊接牢固;导向墙应采用全站仪定位, 同时安装管棚导向管和导向钢架, 导向管为ϕ140×5钢管, 用坡尺检查导向管坡度, 按照1°～3°的外插角精确定位, 并用连接钢筋与型钢拱架牢固焊接为一整体。

2) 检测导向管和导向架满足精度要求后, 安装内模拱架, 内模拱架用2榀型钢制作而成, 支撑稳固后, 于模架外侧安设外侧模板。

3) 导向墙采用C25混凝土浇筑, 截面尺寸 2m×1m;导向墙浇筑完成后, 喷射15cm厚C25混凝土封闭周围仰坡面, 作为注浆时的止浆墙, 待混凝土强度满足要求后拆除模板。

4) 钻机平台用ϕ48钢管脚手架搭设, 平台要支承于稳固的地基上, 脚手架连接要牢固、稳定, 防止在施钻时钻机产生不均匀下沉、摆动、位移而影响钻孔质量。

5) 钻头采用ϕ108, 钻孔由1～2台钻机由高孔位向低孔位顺序进行。

6) 全部钢管安装完成后对各棚管进行分段定向注浆, 采用P·O42.5普通硅酸盐水泥拌制单液浆, 注浆喷射压力在35～40MPa。

根据本设计方案进行了隧道穿越断层带施工, 开挖结果表明, 钢管安装位置精确, 水泥土质量好;施工过程中进行了隧道监控量测, 监测结果表明, 在隧道采用穿越断层破碎带大管棚施工过程中, 隧道拱顶沉降量和净空收敛值均控制在15mm以内, 拱顶沉降量较大, 隧道净空收敛值较小, 监测曲线如图4所示, 表明隧道大管棚支护有效, 钻孔定向准确, 定向注浆效果良好, 有效加固地层, 增加了地层强度, 从而保证了隧道施工安全。

本文结合北京兴延高速公路工程白羊沟隧道穿越断裂带的特殊地质条件, 研究了管棚钻孔定向跟管钻进技术和双重管智能深孔定向注浆及监测系统, 设计了一种新型管棚施工方案, 应用效果表明, 可有效提高管棚钢管的定位精度和注浆质量, 在浆液防渗、节能减排、环境保护等方面均具有较好的应用效果。

钻孔定向跟管钻进采用楔形导向钻头, 内设定位传感器、探棒和导向板, 定向传感器用来实时确定钻头位置和方向, 探棒用来确定楔形导向钻头的倾角和面向角, 在钻进过程中钻头偏离设计方向, 导向钻头楔形板的受力面可用来改变钻头受力方向, 可在停止钻进时按预定方向顶进钻头, 实时纠正钻进方向。

双重管智能深孔定向注浆及监测系统将按设计要求配制好的浆液注入玻璃钢高压注浆管, 在监控监测系统监控下, 浆液由高压注浆管管壁的注浆喷嘴喷射至孔壁围岩裂隙中, 浆液挤入孔壁围岩的裂隙中并凝固, 形成复合地基, 提高密实度和承载力。