1 介紹
20 多年來(lái)，微型隧道法已作為一種大直徑管道的非開(kāi)挖施工技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到了應(yīng)用。而這種技術(shù)在小直徑管道鋪設(shè)中顯的成本較高，所以激光導(dǎo)向螺旋鉆進(jìn)作為一種簡(jiǎn)單、便利的方法（也被稱(chēng)為先導(dǎo)式微型隧道法）在過(guò)去15 年中得到了發(fā)展。先導(dǎo)式微型隧道法,由于其施工效率高，被公認(rèn)為小直徑排水管道非開(kāi)挖施工中最先進(jìn)的方法。先導(dǎo)式微型隧道法一般由二到三個(gè)步驟組成，最后一步是頂入需要鋪設(shè)的管道。從技術(shù)上看，主要的限制是巖土體必須松散適于切入，因?yàn)樵诘谝徊綄⑾葘?dǎo)管擠入地層中是在沒(méi)有任何自由面的情況下進(jìn)行的。這就是為什么一般的土層導(dǎo)向鉆進(jìn)技術(shù)不能用在致密（標(biāo)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(dǎo)”的新導(dǎo)向技術(shù)發(fā)展，Bohrtec 公司首次突破了微型隧道法的應(yīng)用范圍的限制，使其在導(dǎo)向螺旋鉆進(jìn)的輔助下能對(duì)的致密（標(biāo)貫值>35）地層和強(qiáng)度達(dá)到10Mpa 的中度堅(jiān)硬巖石中進(jìn)行非開(kāi)挖施工。如果先導(dǎo)系統(tǒng)上裝配有氣動(dòng)錘（潛孔錘），那么甚至可能在強(qiáng)度達(dá)到150Mpa 的堅(jiān)硬巖石中使用。
2 常規(guī)土層先導(dǎo)式微型隧道法
標(biāo)準(zhǔn)流程包括三步，如圖1 所示。第一步，在不進(jìn)行任何開(kāi)挖的情況下，先導(dǎo)桿穿過(guò)地層。先導(dǎo)桿的線(xiàn)形和高度采用可視化導(dǎo)向系統(tǒng)控制，這套系統(tǒng)可以通過(guò)LED 屏確定導(dǎo)向頭上轉(zhuǎn)向靴的位置。線(xiàn)形和高度的監(jiān)測(cè)是通過(guò)位于出發(fā)坑里的顯示屏進(jìn)行的。如果出現(xiàn)了任何偏差，都可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭進(jìn)行糾正。導(dǎo)向頭表面為45°，當(dāng)它推入地層是可以提供就糾斜力。
當(dāng)先導(dǎo)管到達(dá)接收井時(shí)，螺旋鉆孔階段就開(kāi)始了。在這個(gè)步驟中套管和螺旋鉆桿被連接到最后一根先導(dǎo)桿上，螺旋鉆桿和套管被頂進(jìn)的同時(shí)螺旋鉆桿在套管里旋轉(zhuǎn)；開(kāi)挖出來(lái)的碎屑被運(yùn)回出發(fā)井，然后再收集到渣土吊斗里。與此同時(shí)當(dāng)套管和螺旋鉆頭達(dá)到接收坑時(shí)，先導(dǎo)管被拆除。
最后一個(gè)步驟是工作管的頂進(jìn)，工作管與套管的外徑接近相等，通過(guò)鉆機(jī)頂進(jìn)安裝，同時(shí)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(fù)這個(gè)過(guò)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(dǎo)向住宅支管連接，同樣可以用于長(zhǎng)度100m 以?xún)?nèi)，直徑300mm以?xún)?nèi)的管道鋪設(shè)。
圖1 常規(guī)方法
圖1a 常規(guī)法要要改進(jìn)三步法
為了避免大直徑工作管頂進(jìn)時(shí)出現(xiàn)的困難，出現(xiàn)了改進(jìn)三步法。在使用螺旋鉆進(jìn)和頂進(jìn)套管完成第一步成孔后，緊跟著是液壓頭擴(kuò)孔，土體被開(kāi)挖后
通過(guò)套管運(yùn)輸?shù)浇邮湛樱▓D1a）。
3 前導(dǎo)定向螺旋鉆進(jìn)系統(tǒng)
和常見(jiàn)的土層施工方法一樣———前導(dǎo)系統(tǒng)使用了已被驗(yàn)證效果良好的光學(xué)導(dǎo)向系統(tǒng)，它包括了帶孔內(nèi)照相機(jī)的定向儀、監(jiān)視器和LED 目標(biāo)顯示屏。如圖2 所示，巖土體通過(guò)切削頭被連續(xù)的開(kāi)挖，再通過(guò)具有空心的螺旋鉆桿將碎屑運(yùn)輸?shù)匠霭l(fā)井。導(dǎo)向管通過(guò)地層的反作用力來(lái)導(dǎo)向。機(jī)器操作人員能實(shí)施遠(yuǎn)程操控來(lái)完成操作，通過(guò)人工或自動(dòng)模型使導(dǎo)向管上下擺動(dòng)，之后在控制板上顯示出切割頭的方向。
由于空心螺旋鉆桿中有激光導(dǎo)向，先導(dǎo)儀能夠較好地保持頂進(jìn)中心線(xiàn)和坡度，在80m~100m 的最大頂進(jìn)長(zhǎng)度施工時(shí)，可以將誤差范圍嚴(yán)格地控制在±25mm。先導(dǎo)系統(tǒng)的主要原則是施工現(xiàn)場(chǎng)的安裝和操作盡可能的簡(jiǎn)單，完成系統(tǒng)安裝的時(shí)間比傳統(tǒng)先導(dǎo)管法的安裝時(shí)間少。圖3 就是前導(dǎo)系統(tǒng)典型的工作現(xiàn)場(chǎng)。
圖3 在出發(fā)井的BM500 和419mm 的先導(dǎo)系統(tǒng)
3.1 沒(méi)有激光導(dǎo)向的前導(dǎo)定向螺旋鉆進(jìn)系統(tǒng)
前導(dǎo)系統(tǒng)的進(jìn)一步運(yùn)用將是在鋼管頂進(jìn)中，已有的非導(dǎo)向常規(guī)螺旋鉆機(jī)使得這套系統(tǒng)非常容易被接受。在這種情況下導(dǎo)向頭直接連接到焊接鋼管上，在標(biāo)準(zhǔn)螺旋鉆桿中沒(méi)有任何的光路（如圖4 和圖5所示）。
圖4 先導(dǎo)系統(tǒng)的測(cè)斜儀和電子水壓計(jì)
與頂管法對(duì)管道中心線(xiàn)和坡度有嚴(yán)格誤差控制相比，這種方式對(duì)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(xiàn)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(dǎo)鋼管頂進(jìn)和傾角羅盤(pán)和水壓計(jì)
結(jié)果是我們并不需要用于為激光導(dǎo)向系統(tǒng)提供光線(xiàn)路徑的特制中空螺旋鉆桿，在測(cè)斜儀和電子水壓計(jì)的幫助下，傾斜角度得以控制。
每節(jié)鋼管至少3m 長(zhǎng)（越長(zhǎng)越好），用特殊的鉸接頭連接在前導(dǎo)的后面以確保管道中心線(xiàn)最小的偏斜，但是對(duì)于傾斜度可能要100%的控制。當(dāng)管道中心線(xiàn)出現(xiàn)較大的偏斜后，前導(dǎo)系統(tǒng)可以適當(dāng)?shù)脑诟鱾�(gè)方向進(jìn)行調(diào)整。
3.2 前導(dǎo)定向螺旋鉆進(jìn)和潛孔錘
前導(dǎo)系統(tǒng)出現(xiàn)了一個(gè)全新的，令人關(guān)注的應(yīng)用，就是將前導(dǎo)系統(tǒng)和氣動(dòng)潛孔錘結(jié)合在一起。潛孔錘的應(yīng)用眾所周知，在非導(dǎo)向螺旋鉆進(jìn)不適用的含有漂石、卵石和堅(jiān)硬地層的不同混合巖土地層中都得到了很好的應(yīng)用。但是將像前導(dǎo)這樣的可導(dǎo)向系統(tǒng)和潛孔錘組合在一起是從來(lái)所沒(méi)有過(guò)的。
如圖6 所示的是在瑞士609mm 先導(dǎo)儀和潛孔錘在現(xiàn)場(chǎng)的安裝，潛孔錘所需的高壓空氣通過(guò)空心螺旋鉆桿，開(kāi)挖產(chǎn)生的碎屑通過(guò)螺旋鉆桿運(yùn)輸?shù)狡鹗伎印？招穆菪@桿被用來(lái)為潛孔錘輸送空氣，這個(gè)系統(tǒng)是無(wú)法和光學(xué)導(dǎo)向系統(tǒng)一起工作，而是使用測(cè)斜儀和電子水壓計(jì)。
圖6 609mm 先導(dǎo)和潛孔錘
4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例
4.1 在德國(guó)柏林使用帶激光導(dǎo)向的419mm 的先導(dǎo)系統(tǒng)完成吃管法
雖然前導(dǎo)技術(shù)在松散地層和軟弱巖層中得到了發(fā)展，但在柏林的第一個(gè)項(xiàng)目中就遇到了特殊的挑戰(zhàn)。在位于柏林的威莫區(qū)的“Redevelopment areaForckenbecken”項(xiàng)目實(shí)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(tǒng)）的最初設(shè)計(jì)就是采用非開(kāi)挖吃管法完成管道替換，因?yàn)?/span>60m長(zhǎng)的線(xiàn)路上需要通過(guò)6 棵直徑在300mm~350mm的成熟樹(shù)木。
柏林的Frisch & Faust 公司已經(jīng)擁有各式的Bohrtec 先導(dǎo)鉆進(jìn)系統(tǒng)，當(dāng)它收到這個(gè)項(xiàng)目的相關(guān)信息時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)這是一個(gè)很好的機(jī)會(huì)來(lái)使用新型帶“前導(dǎo)”的定向螺旋鉆進(jìn)系統(tǒng)。BM 500 型光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)和合適的空心螺旋鉆桿已經(jīng)到位。除了已有的設(shè)備，還需要“前導(dǎo)儀”和操作控制板。現(xiàn)場(chǎng)將土層劃分為LBM2 和LBM3。在此次下水道修復(fù)線(xiàn)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(shí)發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行鉆進(jìn)工作之前需要清除室內(nèi)支管，因?yàn)樗鼈兯卸加萌齻�(gè)金屬夾座固定在老的排水管上。由于水管、氣管和電線(xiàn)穿過(guò)起始井，起始井用木質(zhì)支撐和混凝土錨固（concrete thrust wall.），在鉆進(jìn)工作開(kāi)始的一周之前，對(duì)原有的排水管進(jìn)行了灌漿。
通過(guò)Frisch&Faust 公司完成所有的初步工作后，Bohrtec 團(tuán)隊(duì)帶著“前導(dǎo)儀”到達(dá)，幾小時(shí)之后已經(jīng)成功的鉆進(jìn)了最初的幾米，從一開(kāi)始的新導(dǎo)向頭的控制就非常好，即使在不同的地層條件下，無(wú)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(nèi)的灌漿體，在土體清理和導(dǎo)向中都沒(méi)有出現(xiàn)任何問(wèn)題。
經(jīng)過(guò)與全新導(dǎo)向系統(tǒng)的短暫磨合，Mr. JohnAdams———Frisch & Faust 公司一位經(jīng)驗(yàn)豐富的操作手———能夠獨(dú)立的操作轉(zhuǎn)向頭，對(duì)于簡(jiǎn)單的操作已經(jīng)沒(méi)有任何問(wèn)題了。Frisch & Faust 的施工團(tuán)隊(duì)對(duì)于大量常見(jiàn)的導(dǎo)向鉆進(jìn)設(shè)備都進(jìn)行過(guò)良好的培訓(xùn)，在第一天就達(dá)到4 米每小時(shí)的鉆進(jìn)速度，其中還包括了管道連接和其它工序。一天下來(lái)，長(zhǎng)25m、直徑為419mm 鋼套管已經(jīng)被成功的頂進(jìn)，即便鉆進(jìn)從當(dāng)天早上才開(kāi)始。
兩天之后已經(jīng)鉆進(jìn)了54m，并沒(méi)有出現(xiàn)任何的特殊問(wèn)題。雖然安裝鋼套可以在施工的第二天完成，但在到達(dá)接收井之前有個(gè)短暫的停頓，這是為了顯示“前導(dǎo)儀”進(jìn)入接收坑，在第二天早晨進(jìn)行“Berliner Wasserbetriebe”典型操作。在到達(dá)目標(biāo)井后，導(dǎo)向頭被拆下來(lái)，施工團(tuán)隊(duì)開(kāi)始管徑為300mm的陶土管頂進(jìn)。
僅僅花了四天的時(shí)間就完成了60m 的鉆進(jìn)，所有部分都令人非常滿(mǎn)意，吃管法和新先導(dǎo)儀的首次配合使用結(jié)果取得了完全的成功。
4.2 德國(guó)波鴻的使用帶有激光導(dǎo)向系統(tǒng)的419mm前導(dǎo)儀
從2011 年10 月到12 月，Weitz 公司作為Batteux 公司在“德國(guó)波鴻Konrad-Adenauer-Platz 段管道更換和管道鋪設(shè)”工程中的轉(zhuǎn)包商，它需要鋪設(shè)96m、管徑300mm 的陶土管頂進(jìn)。管道被分成3 個(gè)單獨(dú)的鉆進(jìn)。最長(zhǎng)的鉆進(jìn)長(zhǎng)度是62m，最初的計(jì)劃是使用導(dǎo)向式微型隧道法，但是由于對(duì)地層的調(diào)查，Weitz公司決定繼續(xù)使用先導(dǎo)儀，因?yàn)榈貙诱{(diào)查顯示地層名為“EmscherMergel”，是一種擁有高壓實(shí)度的致密土層，常規(guī)的微型隧道法很難進(jìn)行。
用BM500 在直徑3.2 米的圓形出發(fā)坑中頂進(jìn)406mm 的臨時(shí)套管。在空心螺旋鉆桿的幫助下，利用激光導(dǎo)向系統(tǒng)通過(guò)光路進(jìn)行導(dǎo)航，鉆進(jìn)過(guò)程中幾乎沒(méi)有偏離管道中心線(xiàn)和坡度。在完成臨時(shí)套管安裝后，臨時(shí)套管在陶土管的作用下被推出。
采用前導(dǎo)儀是一個(gè)很好的決定，因?yàn)閷?duì)于常規(guī)導(dǎo)向方法來(lái)說(shuō)，土層太堅(jiān)硬了。而對(duì)于土層的開(kāi)挖，前導(dǎo)儀一點(diǎn)也不成問(wèn)題，三次鉆進(jìn)都完成的很好，而且不會(huì)有任何的問(wèn)題。
圖7 419mm 先導(dǎo)起始井和在接收井的地層條件
4.3 在瑞典鋼管利用前導(dǎo)儀配合孔底沖擊錘頂進(jìn)609mm 管道
來(lái)自瑞典的BAB Rortryckning 公司需要越過(guò)95m 的距離來(lái)頂進(jìn)609mm 鋼管，這次頂進(jìn)是鋪設(shè)壓力管線(xiàn)的一部分，從一個(gè)周邊交通繁忙的湖出發(fā)，在一個(gè)泵站結(jié)束。工作管是在鐵套管中管徑為500mm的PE 管。之前的非導(dǎo)向頂進(jìn)有太大的偏差，這就是為什么尋找一種導(dǎo)向鉆進(jìn)方法的原因。
地層當(dāng)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(jìn)不能用常見(jiàn)的先導(dǎo)管法來(lái)施工的原因，BMB 公司———在非導(dǎo)向夯擊鉆進(jìn)中有豐富的經(jīng)驗(yàn)———決定使用配備氣動(dòng)錘的前導(dǎo)儀系統(tǒng)。
鉆進(jìn)工作的實(shí)施是采用來(lái)自Bohrtec 公司的BM400 激光
系統(tǒng)，它是一種長(zhǎng)框架設(shè)備。609mm 的鋼管每根的長(zhǎng)度是12m，圖8 所示，在施工安裝現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的起始井。設(shè)備直接放在地表，頂進(jìn)荷載傳到堅(jiān)固的反力墻。
工作人員從2012 年1 月末開(kāi)始鉆進(jìn)，一開(kāi)始的施工非常好，因?yàn)樵趧傞_(kāi)始的40m 沒(méi)有卵石和漂石，鉆進(jìn)可達(dá)每天15 米。
圖8 瑞典工作安裝現(xiàn)場(chǎng)
后來(lái)，先導(dǎo)系統(tǒng)不得不穿過(guò)大的卵石和漂石，有時(shí)甚至是堅(jiān)硬的巖石，這使得施工速度變慢，但是配有夯擊錘的前導(dǎo)系統(tǒng)工作的非常好，導(dǎo)向效果也非常好，穿過(guò)堅(jiān)硬巖石之后是呈各項(xiàng)異性的混合地層，但是配有夯擊錘的先導(dǎo)系統(tǒng)工作沒(méi)有任何的問(wèn)題，鋼管在測(cè)斜儀和電水壓計(jì)的幫助下，鋼管頂進(jìn)沒(méi)有出現(xiàn)任何的偏差。
5 結(jié)論
導(dǎo)向螺旋鉆進(jìn)機(jī)器的裝備和方法在最近幾年期間得到了發(fā)展，發(fā)展的要求總是圍繞以下幾點(diǎn)：
（1）低資本投資；
（2）在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)間短；
（3）操作簡(jiǎn)單。
隨著先導(dǎo)系統(tǒng)的發(fā)展，Bohrtec 公司可以完全滿(mǎn)足上述工程的要求，通過(guò)在應(yīng)用范圍拓展上的不懈努力，證明了導(dǎo)向螺旋鉆進(jìn)技術(shù)在非松軟的地層中（標(biāo)貫值>35）和強(qiáng)度達(dá)到10Mpa 的巖石中（在有夯擊錘的情況下甚至在硬度達(dá)到150Mpad 堅(jiān)硬巖石中）鋪設(shè)小管徑、短長(zhǎng)度的管道是非常成功的。此外，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例展示了普通先導(dǎo)管在不同環(huán)境下的應(yīng)用范圍。
