导向螺旋钻进的近期发展与应用

内容摘要：：尽管导向螺旋钻进使用导杆的技术在过去十五年得到了快速的发展，但这些技术仅仅能被使用在松软的土层中，因此常规的松软岩土导向钻进技术不能在致密的土层（标准贯入值>35）和具明显岩石的岩层中使用。随着称为“前导”的新颖导向技术发展，Bohrtec 公司首次克服了应用范围

1 介绍
20 多年来，微型隧道法已作为一种大直径管道的非开挖施工技术在世界范围内得到了应用。而这种技术在小直径管道铺设中显的成本较高，所以激光导向螺旋钻进作为一种简单、便利的方法（也被称为先导式微型隧道法）在过去15 年中得到了发展。先导式微型隧道法,由于其施工效率高，被公认为小直径排水管道非开挖施工中最先进的方法。先导式微型隧道法一般由二到三个步骤组成，最后一步是顶入需要铺设的管道。从技术上看，主要的限制是岩土体必须松散适于切入，因为在第一步将先导管挤入地层中是在没有任何自由面的情况下进行的。这就是为什么一般的土层导向钻进技术不能用在致密（标贯值>35）地层的原因，岩层中明显更是行不通的。
随着一种名为“前导”的新导向技术发展，Bohrtec 公司首次突破了微型隧道法的应用范围的限制，使其在导向螺旋钻进的辅助下能对的致密（标贯值>35）地层和强度达到10Mpa 的中度坚硬岩石中进行非开挖施工。如果先导系统上装配有气动锤（潜孔锤），那么甚至可能在强度达到150Mpa 的坚硬岩石中使用。

2 常规土层先导式微型隧道法

标准流程包括三步，如图1 所示。第一步，在不进行任何开挖的情况下，先导杆穿过地层。先导杆的线形和高度采用可视化导向系统控制，这套系统可以通过LED 屏确定导向头上转向靴的位置。线形和高度的监测是通过位于出发坑里的显示屏进行的。如果出现了任何偏差，都可以通过旋转导向头进行纠正。导向头表面为45°，当它推入地层是可以提供就纠斜力。

当先导管到达接收井时，螺旋钻孔阶段就开始了。在这个步骤中套管和螺旋钻杆被连接到最后一根先导杆上，螺旋钻杆和套管被顶进的同时螺旋钻杆在套管里旋转；开挖出来的碎屑被运回出发井，然后再收集到渣土吊斗里。与此同时当套管和螺旋钻头达到接收坑时，先导管被拆除。

最后一个步骤是工作管的顶进，工作管与套管的外径接近相等，通过钻机顶进安装，同时螺旋钻头和套管将顶入接收坑。在接收坑里螺旋钻头和套管被拆除并提升。重复这个过程直到所有的螺旋钻头和套管被工作管替换。这种方法被用于导向住宅支管连接，同样可以用于长度100m 以内，直径300mm以内的管道铺设。

图1 常规方法

图1a 常规法要要改进三步法

为了避免大直径工作管顶进时出现的困难，出现了改进三步法。在使用螺旋钻进和顶进套管完成第一步成孔后，紧跟着是液压头扩孔，土体被开挖后
通过套管运输到接收坑（图1a）。

3 前导定向螺旋钻进系统
和常见的土层施工方法一样———前导系统使用了已被验证效果良好的光学导向系统，它包括了带孔内照相机的定向仪、监视器和LED 目标显示屏。如图2 所示，岩土体通过切削头被连续的开挖，再通过具有空心的螺旋钻杆将碎屑运输到出发井。导向管通过地层的反作用力来导向。机器操作人员能实施远程操控来完成操作，通过人工或自动模型使导向管上下摆动，之后在控制板上显示出切割头的方向。

图2 先导和导向螺旋钻进系统

由于空心螺旋钻杆中有激光导向，先导仪能够较好地保持顶进中心线和坡度，在80m~100m 的最大顶进长度施工时，可以将误差范围严格地控制在±25mm。先导系统的主要原则是施工现场的安装和操作尽可能的简单，完成系统安装的时间比传统先导管法的安装时间少。图3 就是前导系统典型的工作现场。

图3 在出发井的BM500 和419mm 的先导系统

3.1 没有激光导向的前导定向螺旋钻进系统
前导系统的进一步运用将是在钢管顶进中，已有的非导向常规螺旋钻机使得这套系统非常容易被接受。在这种情况下导向头直接连接到焊接钢管上，在标准螺旋钻杆中没有任何的光路（如图4 和图5所示）。

图4 先导系统的测斜仪和电子水压计

与顶管法对管道中心线和坡度有严格误差控制相比，这种方式对于焊接钢管接口的精确性有着完全不同的要求，管道中心线不是很重要，坡度通常也有更大的允许误差范围。

图5 起始井先导钢管顶进和倾角罗盘和水压计

结果是我们并不需要用于为激光导向系统提供光线路径的特制中空螺旋钻杆，在测斜仪和电子水压计的帮助下，倾斜角度得以控制。

每节钢管至少3m 长（越长越好），用特殊的铰接头连接在前导的后面以确保管道中心线最小的偏斜，但是对于倾斜度可能要100%的控制。当管道中心线出现较大的偏斜后，前导系统可以适当的在各个方向进行调整。

3.2 前导定向螺旋钻进和潜孔锤
前导系统出现了一个全新的，令人关注的应用，就是将前导系统和气动潜孔锤结合在一起。潜孔锤的应用众所周知，在非导向螺旋钻进不适用的含有漂石、卵石和坚硬地层的不同混合岩土地层中都得到了很好的应用。但是将像前导这样的可导向系统和潜孔锤组合在一起是从来所没有过的。

如图6 所示的是在瑞士609mm 先导仪和潜孔锤在现场的安装，潜孔锤所需的高压空气通过空心螺旋钻杆，开挖产生的碎屑通过螺旋钻杆运输到起始坑。空心螺旋钻杆被用来为潜孔锤输送空气，这个系统是无法和光学导向系统一起工作，而是使用测斜仪和电子水压计。

图6 609mm 先导和潜孔锤

4 现场实例
4.1 在德国柏林使用带激光导向的419mm 的先导系统完成吃管法
虽然前导技术在松散地层和软弱岩层中得到了发展，但在柏林的第一个项目中就遇到了特殊的挑战。在位于柏林的威莫区的“Redevelopment areaForckenbecken”项目实施期间，在Misdroyer 街下的污水管道（外径为175mm 的石制管道）需要在相同的位置替换为外径为300mm 的污水管道。“Berliner Wasserbetriebe”（柏林供水系统）的最初设计就是采用非开挖吃管法完成管道替换，因为60m长的线路上需要通过6 棵直径在300mm~350mm的成熟树木。

柏林的Frisch & Faust 公司已经拥有各式的Bohrtec 先导钻进系统，当它收到这个项目的相关信息时，他们发现这是一个很好的机会来使用新型带“前导”的定向螺旋钻进系统。BM 500 型光学测量系统和合适的空心螺旋钻杆已经到位。除了已有的设备，还需要“前导仪”和操作控制板。现场将土层划分为LBM2 和LBM3。在此次下水道修复线路上的六间住宅与主管之间的连接在事先都分流了。在做这些工作时发现在进行钻进工作之前需要清除室内支管，因为它们所有都用三个金属夹座固定在老的排水管上。由于水管、气管和电线穿过起始井，起始井用木质支撑和混凝土锚固（concrete thrust wall.），在钻进工作开始的一周之前，对原有的排水管进行了灌浆。

通过Frisch&Faust 公司完成所有的初步工作后，Bohrtec 团队带着“前导仪”到达，几小时之后已经成功的钻进了最初的几米，从一开始的新导向头的控制就非常好，即使在不同的地层条件下，无论是在原有管道下方的含石块砂砾石层（LBM2~LBM3），还是原有管道内的灌浆体，在土体清理和导向中都没有出现任何问题。

经过与全新导向系统的短暂磨合，Mr. JohnAdams———Frisch & Faust 公司一位经验丰富的操作手———能够独立的操作转向头，对于简单的操作已经没有任何问题了。Frisch & Faust 的施工团队对于大量常见的导向钻进设备都进行过良好的培训，在第一天就达到4 米每小时的钻进速度，其中还包括了管道连接和其它工序。一天下来，长25m、直径为419mm 钢套管已经被成功的顶进，即便钻进从当天早上才开始。

两天之后已经钻进了54m，并没有出现任何的特殊问题。虽然安装钢套可以在施工的第二天完成，但在到达接收井之前有个短暂的停顿，这是为了显示“前导仪”进入接收坑，在第二天早晨进行“Berliner Wasserbetriebe”典型操作。在到达目标井后，导向头被拆下来，施工团队开始管径为300mm的陶土管顶进。
仅仅花了四天的时间就完成了60m 的钻进，所有部分都令人非常满意，吃管法和新先导仪的首次配合使用结果取得了完全的成功。

4.2 德国波鸿的使用带有激光导向系统的419mm前导仪
从2011 年10 月到12 月，Weitz 公司作为Batteux 公司在“德国波鸿Konrad-Adenauer-Platz 段管道更换和管道铺设”工程中的转包商，它需要铺设96m、管径300mm 的陶土管顶进。管道被分成3 个单独的钻进。最长的钻进长度是62m，最初的计划是使用导向式微型隧道法，但是由于对地层的调查，Weitz公司决定继续使用先导仪，因为地层调查显示地层名为“EmscherMergel”，是一种拥有高压实度的致密土层，常规的微型隧道法很难进行。

用BM500 在直径3.2 米的圆形出发坑中顶进406mm 的临时套管。在空心螺旋钻杆的帮助下，利用激光导向系统通过光路进行导航，钻进过程中几乎没有偏离管道中心线和坡度。在完成临时套管安装后，临时套管在陶土管的作用下被推出。

采用前导仪是一个很好的决定，因为对于常规导向方法来说，土层太坚硬了。而对于土层的开挖，前导仪一点也不成问题，三次钻进都完成的很好，而且不会有任何的问题。

图7 419mm 先导起始井和在接收井的地层条件

4.3 在瑞典钢管利用前导仪配合孔底冲击锤顶进609mm 管道
来自瑞典的BAB Rortryckning 公司需要越过95m 的距离来顶进609mm 钢管，这次顶进是铺设压力管线的一部分，从一个周边交通繁忙的湖出发，在一个泵站结束。工作管是在铁套管中管径为500mm的PE 管。之前的非导向顶进有太大的偏差，这就是为什么寻找一种导向钻进方法的原因。

地层当中除了一般的砂以外还含有一些卵石和漂石，这就是为什么钻进不能用常见的先导管法来施工的原因，BMB 公司———在非导向夯击钻进中有丰富的经验———决定使用配备气动锤的前导仪系统。

钻进工作的实施是采用来自Bohrtec 公司的BM400 激光

系统，它是一种长框架设备。609mm 的钢管每根的长度是12m，图8 所示，在施工安装现场没有标准的起始井。设备直接放在地表，顶进荷载传到坚固的反力墙。
工作人员从2012 年1 月末开始钻进，一开始的施工非常好，因为在刚开始的40m 没有卵石和漂石，钻进可达每天15 米。

图8 瑞典工作安装现场

后来，先导系统不得不穿过大的卵石和漂石，有时甚至是坚硬的岩石，这使得施工速度变慢，但是配有夯击锤的前导系统工作的非常好，导向效果也非常好，穿过坚硬岩石之后是呈各项异性的混合地层，但是配有夯击锤的先导系统工作没有任何的问题，钢管在测斜仪和电水压计的帮助下，钢管顶进没有出现任何的偏差。

5 结论
导向螺旋钻进机器的装备和方法在最近几年期间得到了发展，发展的要求总是围绕以下几点：
（1）低资本投资；
（2）在现场安装时间短；
（3）操作简单。
随着先导系统的发展，Bohrtec 公司可以完全满足上述工程的要求，通过在应用范围拓展上的不懈努力，证明了导向螺旋钻进技术在非松软的地层中（标贯值>35）和强度达到10Mpa 的岩石中（在有夯击锤的情况下甚至在硬度达到150Mpad 坚硬岩石中）铺设小管径、短长度的管道是非常成功的。此外，现场实例展示了普通先导管在不同环境下的应用范围。