水平定向钻下穿有轨电车轨道的施工要点控制

施桂钱

摘要：水平定向钻拖拉管作为一种非开挖的管线施工技术，其具有对现有道路交通及周边环境影响小的特点，因而在管线施工过程中得到广泛应用。拖拉管下穿有轨电车轨道时，对周围土层造成扰动并导致路基沉降，可能会给有轨电车运营安全带来较大影响。本文以高新大道综合改造工程电力拖拉管下穿光谷七路有轨电车轨道为实例，介绍拖拉管的特点、施工方案制定思路、施工过程控制及注意事项，以期为今后类似的工程提供借鉴。

关键词：水平定向钻；沉降特点；施工要点；沉降监测

1引言

现代有轨电车作为一种新型城市轨道交通，其轨道及附属设施基本布置在城市道路中央或两侧绿化带中，随着城市的发展，新建管线工程穿越有轨电车轨道结构的问题随之而来。为确保有轨电车正常运营，新建管线工程常采用非开挖工艺施工，其中水平定向钻作为一种施工速度快、施工成本低、适用于柔性管线敷设的工艺而被广泛采纳。

水平定向钻下穿有轨电车轨道时，工作面周围土体扰动将引起地表变形及有轨电车路基沉降，导致有轨电车轨道不平顺，加大轮轨间的冲击力，加速轨道结构和路基基床的损坏，对有轨电车列车运营安全产生严重影响[1]。因此，为确保有轨电车的安全运行，需掌握水平定向钻穿越有轨电车线路过程中地表的沉降规律，采取合理的施工方案和参数，进而对可能产生的沉降变形进行有效控制。

2工程概况

为实现高新大道东西方向新建电力管群的连通，高新大道南北两侧需分别敷设20孔电力管群横穿光谷七路。光谷七路上方有正在运行的武汉光谷现代有轨电车L2线，考虑施工工期较长且不能影响有轨电车运营，拟采用水平定向钻非开挖铺管技术施工，钻机固定在光谷七路两侧绿化带里，管道采用抗高温、耐外压的MPP管（见图2.1）。

图2.1高新大道-光谷七路电力套管拖管施工平面图

3水平定向钻的工作原理

水平定向钻进行管线穿越铺设施工，其工作原理是通过导向仪进行导向和探测，先钻出一个与设计曲线相同的导向孔，再通过更换钻头逐步将导向孔扩大，最后把热熔焊接的产品管线一次性回拖到扩大了的导向孔中。其主要施工工艺流程如下：测量定位→机械就位→机械固定、安装→引线段开挖→钻进→停钻、退回机身→接长钻杆→仪器测量→继续钻进→出土、钻孔完成→回扩孔→泥浆清运→管道拖拉→捆绑注浆管→注浆洞口封闭→拆除注浆管→拆除机械设备。

水平定向钻的工作原理图见图3.1。

图3.1  水平定向钻钻进铺管法原理图[2]

4下穿有轨电车轨道施工的路基沉降特点

目前,针对有轨电车地表沉降,常见的分析方法有理论分析法、模型试验法及数值模拟法。杨庆刚等应用 ABAQUS 有限元软件建立分析模型,分析了超浅埋隧道下穿铁路引起变形敏感度的情况[3]；赵伟通过有限元模拟结合现场监测结果分析了软弱地层地铁暗挖出入口下穿对有轨电车沉降的影响[4]；马伟东通过 MIDAS GTS 数值模拟软件，对盾构区间下穿有轨电车路基的沉降影响进行综合分析研究[1]。上述研究结果均表明，有轨电车轨道最大的沉降点发生在下穿施工的中心线位置，往中心线两侧越远，路基沉降越小，因此对下穿施工区的过程控制和监测，是水平定向钻施工的重点。

5水平定向钻下穿有轨电车施工要点

5.1外部作业与轨道交通结构安全的关系

1）有轨电车安全保护区的定义

根据《武汉市有轨电车管理暂行办法》，以有轨电车交通线路中心线为基线，两侧各30米为有轨电车安全保护区，在安全保护区内进行敷设管线作业，需书面征求有轨电车运营单位的意见。

2）轨道交通结构安全控制要求

参考《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJT202-2013）的规定，对于盾构法或顶管法，当外部作业的结构外边线与轨道交通结构的外边线空间位置大于3.0D（D为盾构法或顶管法的隧道外径）时，定义为不接近，其对城市轨道交通结构的影响等级最低。结合本项目的具体情况，定向钻扩孔顶部到轨道基础的距离需大于3倍的孔径。

3）轨道结构变形控制要求

根据《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB50911-2013）第9.3.5 条，当无地方工程经验时，城市轨道交通既有线隧道结构变形控制值可按下表确定：

表5.1城市隧道轨道交通既有线隧道结构变形控制值

检测项目	累计值(mm)
隧道结构下沉	3~10
隧道结构上浮	5
隧道结构水平位移	3~5
隧道沉降差异	0.04%L

参考以往工程项目经验并结合本项目的具体情况，确定结构及轨道变形必须满足的要求为：轨道结构上浮及下沉5mm。

5.2施工方案的制定及模拟验证

5.2.1施工方案

为降低单次拖拉管的推拉力，减少大直径扩孔对路基沉降的影响，提高拖拉管的成功率，本项目单侧20孔拖拉管计划分为两次施工，一次拖拉10孔电力套管，单次孔径0.8m；为避免相互串孔，两孔水平中心间距3m。结合地勘报告及轨道结构安全控制要求，水平定向钻选在强风化泥岩中施工，管孔顶部距离有轨电车轨道地面为8m。为最大程度减少孔洞对有轨电车的影响，拖拉管施工保证24h连续作业，管道铺设完毕后，及时对孔内间隙进行密压注浆。

5.2.2数值模拟验证

GTS NX是一款针对岩土领域研发的通用有限元分析软件，广泛适用于地铁、隧道、边坡、基坑、桩基、水工、矿山等各种实际工程的准确建模与分析。根据定向钻施工参数，采用GTS NX模拟分析结果如下表：

表5.2 各施工阶段累计位移及应力（其中位移为负代表位移向下）

列车 荷载		轨顶竖向位移	位移增量	拖拉管上方轨道板主拉应力	应力增量
	单位	mm	mm	Mpa	Mpa
无列车荷载	轨道修建完成	0	0.126	0.002	-0.0004
	拖拉管施工完成	-0.126		0.0016
有列车荷载	轨道修建完成	-0.477	0.126	0.0223	-0.0013
	拖拉管施工完成	-0.603		0.021

根据表5.2中数据可知：

1）在无列车荷载情况下，拖拉管施工前后轨道板竖向位移增大0.126mm，小于允许值5mm；轨道板最大主拉应力0.002MPa，小于轨道板C40主拉应力设计值1.71 Mpa。

2）在有列车荷载情况下，拖拉管施工前后轨道板竖向位移增大0.126mm，小于允许值5mm；轨道板最大主拉应力0.022MPa，小于轨道板C40主拉应力设计值1.71 Mpa。

综上所述，无论有无列车荷载，拖拉管的施工对轨道板的应力及位移影响较小，远小于规范限值，水平定向钻下穿有轨电车轨道施工在理论上是可行的。

5.3施工过程的控制要点

5.3.1导向控制

1）拖拉管轨迹线设计

设计拖拉管轨迹时重点考虑管线的材质及尺寸、曲率半径、钻杆弯曲极限、、地层条件、地上、地下障碍物状况。本工程导向轨迹设计如下：

图5.3拖拉管导向轨迹设计图

其中，α1为入土角，α2为出土角，R1为第一曲线段曲率半径，R2为第二曲线段曲率半径，h为铺管深度（此处为8米）。曲率半径R1、R1取1200d，d为钻杆直径200mm。相关计算公式如下[2]：

2）导向控制要点

这是本工程的关键工序，定向钻进使用的钻头是一种射流辅助切削式钻头，钻头前带有一个斜面，当钻头不停地回转前进时会钻出一个直线孔；当钻头朝着某个方向给进而不回转时，钻孔发生偏斜。导向钻头内腔装有信号发射器，当钻头向前推进时，发射器发射出来的信号被地表接收器接收而进行追踪，从而可以监视钻头的方向、深度和其它参数。

要严格按照设计好的轨迹曲线钻进，控制钻进曲线不同位置的深度和造斜率。在不超过管道弹性敷设半径或钻杆弯曲极限的范围内，操作员应确保按设计的轨迹钻进；当前一段钻进没有完全符合设计曲线，记录实际钻孔与设计钻孔的偏差，通过计算来调整钻进的参数，直到钻头的位置回到设计轨迹时为止。

5.3.2预扩孔的控制

预扩孔就是在实际铺设管线之前，经过一次或多次的扩孔来扩大钻孔的直径，以减小回拉铺管的阻力，确保施工顺利完成，最终成孔直径一般比管道直径大200毫米（或是管径的1.5倍）。本次施工孔数较多，管径较大，需分三次扩孔，首先钻孔孔径约φ200mm，第一次回拖扩孔孔径为φ400mm，第二次扩孔孔径为φ600mm，第三次扩孔终孔直径为φ800mm 。

导向孔完成后，将钻头从钻杆上卸下，安装上合适的反扩孔钻头和分动器，然后在分动器后面接上回拉钻杆，进行扩孔钻进。扩孔时视工作坑返浆情况，合理调配泥浆的粘度、比重、固相含量等技术参数。

5.3.3拖拉管施工控制

经过预扩孔后，才可以进行MPP管的回拖工作。回拖管线时MPP管在扩孔中处于悬浮状态，管壁四周与孔洞之间由泥浆润滑，这样即减少了回拖阻力，又保护了管线防腐层。

先将制作好的拖管头与待铺管道安装联接起来，然后将拉管头与分动器联接，随着钻杆的回拉，管道慢慢进入孔内，直到完成所有管道的铺设。拖管时要打入泥浆处理剂和管孔润滑剂，边旋转边回拖。

回拖前要进行试回拖，检验所扩孔是否塌方。试回拖必须打入泥浆或化学处理剂，试回拖次数须视转回拖的压力而定，一般以两边为准，经检查确认后方可进行拖管。

5.3.4注浆施工的控制

因为扩孔孔径大于拖拉管所占空间，管道回拖后钻孔内存在间隙，所以回拖前，在管线的首尾各焊接一根密压注浆管，拖拉管施工完成后，采用水灰比1: 0.5水泥浆通过注浆管上的注浆孔注入缝隙内。先从管线一侧开始施工，当密压浆液无法注入时停止注浆施工，再从管线另一侧注浆施工，当注浆压力稳定在0.5Mpa左右或者缝隙内有密压注浆液大量溢出时，停止注浆，采用闷头密封注浆管。

根据经验值，通过两侧的注浆施工，可使缝隙的填充度达到95%以上[5]，确保了有轨电车轨道基础的稳定性。注入密压浆液施工时，会将扩孔使用的膨润土、泥浆等顶出钻孔，注浆完毕后，使用吸污罐车将废弃化学泥浆拉运至指定场所处理。

图5.4注浆管横断面布置图

6沉降监测

由于拖拉管施工要横穿路面及有轨电车轨道，为全面掌握施工对有轨电车及路面结构的影响程度，需对受影响的轨道交通结构进行监测，通过分析监测数据，及时预警和指导项目施工，避免安全事故的发生。

6.1监测内容

根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》、《城市轨道交通工程监测技术规范》与《建筑变形测量规范》的监测要求，结合工程现场条件，监测的内容有：有轨电车轨道道床沉降监测、轨顶沉降监测、拖拉管附近路面结构地表沉降监测。

6.2监测点布置方案

监测点应沿着施工中心线上方及施工中心线两侧进行布置，监测点的埋设方式如下：

1）道床沉降监测点埋设

首先在地面开φ100mm-φ150mm的孔，打入顶部磨成椭圆形的φ22mm螺纹钢筋，钢筋须钉入有轨电车混凝土基础上，然后在标志钢筋周围填入细砂夯实。设置4个监测断面，左右线各2个断面。

2）轨顶沉降监测点埋设

用红油漆在轨道不受碾压侧标记，4条轨道共设置4个监测断面。

3）地表沉降监测点埋设

采用钻孔方式埋设，钻孔深度应到原状土层，钻孔直径不小于100mm，螺纹钢标志点直径宜为18mm～22mm，长度大于或等于1000mm，顶部加工成半圆头。每10米一个断面，共设置4个监测断面 。

为减小路面结构对观测效果的影响，上述所有沉降点均埋设在土层内，由套管保护至地面，套管四周用水泥砂浆填实固牢（见图6.1）。

图6.1监测点埋设示意图

6.3监测频率及警戒值、控制值

施工开始前预观测3天，采集初始观测值；拖拉管作业期间及拖拉管完成1周内需加密监测频率；拖管完成1周后~8周内，每周监测一次，当变形量趋于稳定，可停止监测。若监测数据达到报警值，应立即停止施工，同时上报监理和业主。监测项目的监测报警值、控制值如下表所示：

表6.2 各监测项目报警值、控制值

序号	监测项目	报警值	控制值
1	道床沉降	5 mm	10 mm
2	轨顶沉降	2 mm	4 mm
3	地表沉降	21 mm	30 mm

6.4监测结果评价

根据监测单位反馈的监测结果，各监测项目的变形量均未超过报警值，本工程采取的技术措施有效性得到充分体现，圆满完成水平定向钻下穿有轨电车轨道的施工。

7结论及建议

本文通过成功实践的工程案例，探讨了水平定向钻拖拉管下穿既有有轨电车路基所引起的沉降变形情况、施工过程控制要点及监测方案制定思路，可得出如下成果供以后类似工程参考：

1）有轨电车轨道最大的沉降变形发生在水平定向钻下穿施工的中心线位置，对施工中心线及周边的监测是掌握轨道变形量的关键。

2）施工前应采用理论分析法、模型试验法、数值模拟法等方法，评估水平定向钻对轨道交通结构的影响，论证施工作业方案的可行性。

3）拖拉管施工完毕后，需及时对孔洞注浆加固，确保轨道路基的稳定。

参考文献

[1]马 伟 东.轨道交通盾构区间下穿有轨电车路基沉降控制研究与实践[J].中国市政工程，2017（05）:26-29.

[2]DBJ/T13-102-2019，水平定向钻进管线铺设工程技术规程[S].

[3]杨庆刚,孙明,倪小东等.超浅埋隧道下穿铁路引起变形敏感度数值分析[J] . 现代隧道技术, 2017,54 ( 3 ): 112-119.

[4]赵伟.软弱地层地铁暗挖出入口下穿有轨电车设计及施工影响分析[J].北方交通，2021,06:78-81.

[5]柴义.锦州匝道定向钻回拖后密压注浆施工策略[J].工艺管控，2017,07:180.