孔令彥

（山西省水利水電勘測設計研究院，太原030024）

0 引言

淺埋暗挖法是一種在離地表很近的地下進行各種類型地下洞室暗挖施工的方法。在明挖法、盾構法不適應的條件下，淺埋暗挖法顯示了巨大的優(yōu)越性。淺埋暗挖法施工步驟是：先將鋼管打入地層，然后注入水泥或化學漿液，使地層加固。開挖面土體穩(wěn)定是采用淺埋暗挖法的基本條件。地層加固后，進行短進尺開挖。一般每循環(huán)在0.5～1.0 m。隨后即作初期支護。第三步，施作防水層。開挖面的穩(wěn)定性時刻受到水的危脅，嚴重時可導致塌方。處理好地下水是非常關鍵的環(huán)節(jié)。最后，完成二次支護。一般情況下，可注入混凝土，特殊情況下要進行鋼筋設計。當然，淺埋暗挖法的施工需利用監(jiān)控測量獲得的信息進行指導，這對施工的安全與質量都是重要的。

簡單概括淺埋暗挖法就是管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測。

1 工程概況

南水北調西四環(huán)暗涵第四標段位于北京市西四環(huán)金溝河橋西側，線路全長1 200 m，其中有720 m在主要路面下（覆土深度12 m至14 m）、另外480 m穿越西四環(huán)金溝河橋基（覆土深度10 m至12 m）。

主要工程量包括：兩孔直徑4 m輸水主涵洞、左右各有一孔直徑2.5 m分水暗涵、通氣兼檢修孔三對。整個工程呈現的特點為：

（1）線路長，開挖初期支護作業(yè)循環(huán)次數多。主體左右暗涵總長2 400 m，左右分水暗涵合計198 m，全部采用淺埋暗挖法中的正臺階法施工，作業(yè)循環(huán)多，按設計0.5 m的開挖步距計算，約做5 196個循環(huán)，打設超前小導管2 598次；（每循環(huán)的工序：打設超前小導管→支立鋼格柵→焊接縱向連接筋→鋪設鋼筋網→噴射砼）。

（2）拱頂部地質情況復雜，超前小導管打設困難。從施工豎井、廊道開挖所揭示的地質情況及相關初步設計的地質資料來看，暗涵所處的地質情況基本為砂礫卵石漂石地層（礫石平均含量70%以上、漂石粒徑在20 cm以上、最大顆粒65 cm），地質情況特殊，因大粒徑的漂石存在、超前小導管的打設困難極大，不易成洞型，拱部易垮塌。

（3）環(huán)境復雜、要求嚴。線路沿西四環(huán)主路和金溝河橋基下穿過，覆土埋深較淺，因主路車流量大且車速較快，拱頂荷載大，沉降要求嚴（路面沉降不超過15 mm、拱頂沉降不超過20 mm）。

（4）時間緊、任務重。因主暗涵開挖初期支護完成后還要進行整體二次襯砌，整個工程工期為894天，按每天平均開挖初期支護12榀，進尺6 m計算，開挖初期支護時間約433天，其余剩余時間需做二次襯砌，時間較緊張。

所有的這些制約工程安全和進度的客觀因素，使我們認識到：必須研究一種簡單、快捷、有效地打設超前小導管的工藝，才能確保暗涵開挖初期支護的安全、質量及進度不受地質條件的制約，使得工程整體進展有序可控。

2 施工方法的選擇及運用

綜合北京地鐵淺埋暗挖的施工經驗，各施工單位打設超前小導管有三種主要的施工方法：

（1）高壓風吹孔。成孔后將小導管插入孔中再進行注漿，這種方式只適合細粉砂或中粗砂地層，此種方式的弊端在于成孔后如果粉細砂或中粗砂較松散，容易塌孔，小導管插入仍然困難，仍需采用其他機械輔助成孔；

（2）采用風鎬頂進。這種成孔方式對地層適應性有所增強，使用于粉細砂、中粗砂、砂礫石地層、黏土層，但因風鎬沖擊頻率低、沖擊力小，小導管進入土層1.7 m后因小導管與土體摩阻太大幾不能再進尺，如果地層沉積年代較久遠、土層較致密將更會體現出它的弊端：打設時間長，每循環(huán)打設15根管需要6～7 h，且進尺僅為1.5～1.7 m，且有后座力，工人勞動強度大；

（3）采用風槍鉆孔。這種方式比較適合卵礫石夾大漂石地層，但是因為風槍是采用沖擊、旋轉地方式成孔，對于全部是巖石的地層比較適應，但最大的缺點是容易卡鉆，操作費時費力。

風鎬打設超前小導管，除了風鎬功率小、沖擊頻率低外，風鎬與小導管的連接為彈性連接，每次風鎬沖擊力量因有反作用力而有很大的損失，真正的有效作用力很小。這就說明如果在特殊地層情況下打設超前小導管就必須選擇一種沖擊頻率高（使砂子在較高的頻率下摩阻減小、近似液化狀態(tài)）、每次沖擊力大（克服致密土體較大的阻力）且反作用力小的一種機械，而且這種機械必須簡單、重量輕、易操作，否則難以適應正臺階法施工時上臺階狹小的空間要求。

參考天津引灤入津工程中，采用的德國TT公司產的145 mm夯管錘（長度1 545 mm、重量137 kg、沖擊次數310次/min、夯擊力80 t/次），其優(yōu)點是可以在非開挖的工況下將Φ600 mm的鋼管打入土層80 m以上，由此想到采用類似的機械設備可以實現在淺埋暗挖法的工況條件打設小導管。

氣動沖擊矛打設小導管與夯管錘打設管棚的不同點在于：夯管錘是平行打設、而氣動沖擊矛在導洞上臺階是斜向上打設，力量因缸體活塞有向下重力分力，所以功率會有一定損失。

氣動沖擊矛的規(guī)格型號從Φ45 mm至Φ180 mm，根據各種型號氣動沖擊矛的技術性能及現場試驗：選擇了Φ75 mm的氣動沖擊矛（長度1 443 mm、重量34 kg、沖擊次數420次/min、夯擊力 4.6 t/次）。

氣動沖擊矛具有如下特性：

A）鋼材材質質量過硬，各種零件加工精度高。通過采用先進的鋼材及計算機精密控制的加工精度，既保證了氣動沖擊矛內活塞往復工作時間的精確，又保證了缸體與活塞之間良好的氣密性，使之可以最充分、有效地利用風能，轉化成巨大的沖擊力量而不發(fā)生矛體破壞。

B）采用專利的潤滑油技術為矛體工作提供了一個良好的工作環(huán)境。潤滑油采用獨特的氣壓抽入式加油，使活塞運動得到了均勻良好的潤滑，且由于潤滑油中加入了特殊成分，使活塞在氣缸內一個較低的溫度（5℃）下工作，保證了活塞與氣缸無論摩擦時間多長都能因環(huán)境溫度穩(wěn)定而較好地密合，同時前方被擊打的端部不會因為活塞沖擊頻率高而造成材料分子運動過于激烈而發(fā)生疲勞破壞。

C）工作時有效作用力大反作用力小?；钊ぷ鲿r沖擊力大而反作用力小，由于對活塞往復運動的時間進行了精確計算，根據物理學公式：F×t=mΔv=ΔP，即 F=ΔP/t，即當時間無限小的時候作用力無窮大，且缸體前后均有彈簧，采取了專利技術保證活塞向后運動時發(fā)作用力小，工作平穩(wěn)可靠。

使用氣動沖擊矛與其他三種方法的效率對比見表1。

表1 使用氣動沖擊矛與其他三種方法效率對比

使用氣動沖擊矛最初設想是采用它在前方拖管沖眼（2 m），然后將小導管插入的工藝方式。經過在現場試驗，因采用氣動沖擊矛擠壓土體的方式成孔，直徑較大（Φ75 mm），拱部土體過于致密（本工程覆土深度13 m、為金溝河水系沖擊砂礫石、沉積年代久遠），成孔時間長，成孔1.7 m需時間20 min，無法滿足工序時間要求。

經過召集相關人員開會認真分析研究，決定采用從小導管管后沖擊的方式，為確保沖擊可靠傳力，采用了仿造夯管錘剛性連接的工藝將矛頭沖擊端與小導管可靠連接。

氣動沖擊矛要求風壓力為0.7 MPa，為了確保正常工作，原則上應采用螺桿式空壓機，因為螺桿式空壓機風壓穩(wěn)定，不會像活塞式空壓機那樣氣壓脈沖過于頻繁，氣動沖擊矛主要的作用元件-活塞對這種氣壓脈沖非常敏感，很難處于正常的工作狀態(tài)。

實踐證明：只要風壓正常，打設2.25 m的小導管僅用3 min（包括正常的工作時間及輔助工作時間）。

3 結束語

實踐證明：采用氣動沖擊矛打設超前小導管，能夠大大減少工人的勞動強度、加快了開挖掘進的施工速度，使得淺埋暗挖法在特殊地質情況下成功運用得到了更有力的保證，值得在淺埋暗挖法工程中廣泛使用。

感謝崔文江老師和王夢恕老師對本課題的指導。