田素龍

（中鐵十四局集團(tuán)隧道工程有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

控制地表沉降是淺埋暗挖車站的難點(diǎn)，二襯扣拱施工過(guò)程中因土體開(kāi)挖卸載作用易引起上部土體的過(guò)大變形甚至坍塌，這會(huì)給周圍建構(gòu)筑物及管線的安全造成潛在威脅。搭設(shè)管棚是控制土體沉降的有效措施，管棚形成的的棚蓋效應(yīng)能顯著控制上部土體變形，限制拱頂沉降。超前支護(hù)的管棚與開(kāi)挖后架設(shè)的鋼拱架共同作用形成棚狀支護(hù)體系，對(duì)地表微擾動(dòng)的控制起關(guān)鍵作用，因此管棚是微擾動(dòng)變形控制技術(shù)的重要研究對(duì)象。

1 管棚工藝

由于管棚超前支護(hù)法在穿越破軟弱破碎、涌水涌砂層地層中的突出優(yōu)勢(shì)，在軟巖隧道施工中得到廣泛應(yīng)用。管棚利用鋼管作為縱向支撐，開(kāi)挖后架設(shè)的鋼拱架作為橫向環(huán)形支撐，構(gòu)成沿隧道縱向具有梁結(jié)構(gòu)，橫斷面具有拱形結(jié)構(gòu)的整體支護(hù)體系。由于該支護(hù)體系剛度和強(qiáng)度性能優(yōu)異，既能提前承受早期圍巖壓力，又能有效地控制圍巖變形。

2 管棚主要作用效果

管棚作為一種隧道通過(guò)不良地質(zhì)的一種超前支護(hù)方法，對(duì)下穿既有建（構(gòu)）筑物、下穿既有管線、穿越不良地質(zhì)等情形能夠很好地起到限制拱頂土體釋放應(yīng)力的作用，能在一定程度上減少因隧道開(kāi)挖施工引起隧道上方覆土的沉降或者坍塌。管棚的作用具體表現(xiàn)在防坍塌、阻斷沉降、平滑沉降曲線和提高圍巖力學(xué)參數(shù)等方面。

3 管棚工藝特性對(duì)比

管棚成孔方式主要有引孔頂入法和跟管鉆進(jìn)法。前者施工程序?yàn)橄茹@孔后插管，即鉆孔結(jié)束并檢查合格后，接長(zhǎng)管棚，采用鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)頂進(jìn)的方式將管棚壓進(jìn)孔內(nèi)；后者鉆孔與管棚鋼管安裝一次性完成，即以管棚鋼管為鉆桿，由鉆機(jī)連接鉆桿將其旋轉(zhuǎn)頂入的方法。

引孔頂入法工藝在成孔時(shí)間段內(nèi)會(huì)出現(xiàn)土體失穩(wěn)塌孔的現(xiàn)象，易引起地表沉降，沉降量則受孔徑與地層的影響，孔徑越大、地層受動(dòng)荷載的影響下自穩(wěn)能力降低，地表沉降不容易控制且成孔率低。跟管鉆進(jìn)工藝中，潛孔錘跟管鉆進(jìn)法適合巖層較硬的地質(zhì)情況；夯管法的高頻率沖擊振動(dòng)大，長(zhǎng)期施工會(huì)破壞原土層的自穩(wěn)性，使土體變得松散、甚至引起地表坍塌；沖洗液循環(huán)跟管鉆進(jìn)法與螺旋出土頂進(jìn)法管棚施工工藝，這兩種工藝都配套導(dǎo)向系統(tǒng)，在地鐵暗挖隧道中均可應(yīng)用，兩種工藝的施工特點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 兩種洞柱法暗挖車站管棚工藝特征對(duì)比

4 跟管鉆進(jìn)長(zhǎng)大管棚施工工藝

4.1 測(cè)量定位

為保證管棚開(kāi)孔位置的準(zhǔn)確性及后續(xù)管棚的打設(shè)精度要求，管棚施工前應(yīng)對(duì)管棚開(kāi)孔位置進(jìn)行逐一測(cè)量定位，并對(duì)該位置進(jìn)行噴漆標(biāo)記，確保符合設(shè)計(jì)要求。

4.2 平臺(tái)搭設(shè)

由于管棚孔位沿隧道斷面外輪廓線呈弧形設(shè)置，施工過(guò)程中還需要跳孔打設(shè)，因此在施工時(shí)管棚鉆機(jī)需要不斷地移動(dòng)和升降，且在洞內(nèi)受到場(chǎng)地限制的影響，腳手架作業(yè)平臺(tái)已不能滿足施工需求；為保證提高施工效率，解決上述問(wèn)題，該項(xiàng)目自主研發(fā)了管棚鉆機(jī)自行升降式平臺(tái)，以此達(dá)到管棚鉆機(jī)快速移動(dòng)和升降的目的，滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需求。

4.3 鉆機(jī)定位

鉆機(jī)定位過(guò)程中應(yīng)滿足下列要點(diǎn)。1）鉆機(jī)必須焊接固定在自行升降式平臺(tái)上，通過(guò)移動(dòng)平臺(tái)從而控制鉆機(jī)位置。2）精確核定鉆機(jī)位置，通過(guò)使用水平尺、掛線、卷尺相結(jié)合的方法，確保鉆機(jī)軸線與管棚設(shè)計(jì)軸線相吻合。3）根據(jù)鉆孔深度調(diào)整鉆桿軸線與管棚軸線不大于1°的外插角，以抵消管棚接長(zhǎng)后自重增加產(chǎn)生的下垂。

4.4 初支混凝土面開(kāi)孔

初支混凝土面開(kāi)孔如圖1所示，開(kāi)孔應(yīng)滿足下列要點(diǎn)。1）采用與當(dāng)前管棚鉆機(jī)匹配的開(kāi)孔鉆桿進(jìn)行初支混凝面的開(kāi)孔，無(wú)須單獨(dú)配備鉆孔設(shè)備開(kāi)孔，方便快捷。2）開(kāi)孔前還需進(jìn)一步核定鉆機(jī)位置，確保鉆桿與孔位方向平行，開(kāi)孔孔位偏差不大于2cm后方可進(jìn)行開(kāi)孔。3）混凝土面開(kāi)孔前需要事先開(kāi)泵，待沖洗液流通正常后，方可進(jìn)行破除。4）為考慮到施工安全及降低施工造成的沉降，開(kāi)孔時(shí)以先破拱部再破兩邊以及跳孔開(kāi)孔的原則進(jìn)行管棚施工。

圖1 初支混凝土面開(kāi)孔圖

4.5 導(dǎo)向跟管鉆進(jìn)

初支混凝土面開(kāi)孔后，隨即進(jìn)行管棚鋼管的打設(shè)。直接采用鋼管做鉆桿，采用泥漿護(hù)壁，隨鉆桿進(jìn)尺將管棚鋼管依次打入，成孔與鋼管安裝一次完成。管棚鉆進(jìn)作業(yè)時(shí)應(yīng)符合下列規(guī)定。1）因?qū)Ф磧?nèi)場(chǎng)地限制的影響，管棚鋼管將加工成2m一段的管節(jié)，管節(jié)之間采用絲扣連接，管節(jié)兩頭公母絲頭長(zhǎng)度均為5cm，絲扣加工形式為矩形螺紋絲扣，同時(shí)為防止反轉(zhuǎn)脫扣，并保持鋼管連接密封，絲扣擰緊后，接縫處進(jìn)行滿焊。2）為保證相鄰管棚處接縫錯(cuò)開(kāi)1m，將首節(jié)鋼管加工成1m和2m兩種類型。3）管棚打設(shè)順序?yàn)橄裙安?，后兩邊，跳孔打設(shè)。4）首節(jié)鋼管前端加工成帶有切削板的鉆頭，利于管棚鋼管頂進(jìn)及打設(shè)位置糾偏；同時(shí)鋼管前端留有出漿孔，便于管棚打設(shè)時(shí)泥漿噴射以及注漿過(guò)程中漿液填充管棚周邊孔隙。5）鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)及時(shí)檢查鉆機(jī)各部位是否正常工作，對(duì)不正常工作的部位進(jìn)行更換維修，檢查循環(huán)泥漿是否正常流通。6）鉆機(jī)鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)保持低壓勻速鉆進(jìn)，嚴(yán)格控制鉆進(jìn)壓力，壓力控制值分別為頂進(jìn)壓力3 MPa～5 MPa，旋轉(zhuǎn)扭力5 MPa～7 MPa。在鉆進(jìn)過(guò)程中，如果穿越粉細(xì)砂層發(fā)現(xiàn)壓力異常升高，立即停止鉆進(jìn)，對(duì)泥漿循環(huán)漿液進(jìn)行改良，在緩慢鉆進(jìn)。7）鉆進(jìn)過(guò)程中，粗碎屑易在鉆孔底部沉淀，造成鉆頭上仰或左右偏斜。因此在鉆進(jìn)中應(yīng)檢查循環(huán)泥漿的質(zhì)量；合理控制泵壓、泵量，以保證鉆進(jìn)碎屑在泥漿懸浮力的作用下帶出孔外。8）為確保管棚成孔精度滿足設(shè)計(jì)要求，通過(guò)使用高精度導(dǎo)向儀器及鉆頭前端切削板控制管棚鉆進(jìn)方向，時(shí)刻監(jiān)測(cè)鉆進(jìn)方向，如有偏差及時(shí)糾偏。

4.6 泥漿循環(huán)系統(tǒng)

泥漿循環(huán)系統(tǒng)如下：循環(huán)液制備→儲(chǔ)漿箱（第一層橫通道）→泥漿泵→管棚鉆桿→管外環(huán)狀間隙→孔口回水→儲(chǔ)漿箱（第二層橫通道）→沉淀池（豎井內(nèi)）→儲(chǔ)漿箱（第一層橫通道）。

管棚施工中采用泥漿循環(huán)液。為了合理利用泥漿循環(huán)液，施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置泥漿循環(huán)系統(tǒng)，具體施工方法如下：1）第一層橫通道內(nèi)設(shè)置儲(chǔ)漿箱，制備泥漿漿液。2）通過(guò)泥漿泵將制備的泥漿沿水管送入鉆桿鋼管內(nèi)，進(jìn)而從鉆頭前端射出，沖刷前方土體，同時(shí)向推前進(jìn)，泥漿從鋼管與土體間的間隙回流，最后從孔口流出。3）流出的泥漿通過(guò)預(yù)先做好的泥漿槽下漏至第二層橫通道內(nèi)儲(chǔ)漿箱，再由第二層橫通道內(nèi)儲(chǔ)漿箱通過(guò)泥漿泵抽入豎井內(nèi)。4）當(dāng)管棚施工時(shí)，將豎井內(nèi)泥漿通過(guò)水泵抽入第一層橫通道內(nèi)儲(chǔ)漿箱中，經(jīng)過(guò)合理配制及充分?jǐn)嚢韬蠹纯墒褂?，形成泥漿循環(huán)液。同時(shí)，為防止地表下沉，須嚴(yán)格控制出漿量，始終保持進(jìn)漿量大于回漿量。

4.7 管棚注漿

管棚孔口密封及后續(xù)注漿必須符合下列要求。1）采用水泥（加少量速凝劑）將孔口鋼管與孔壁間縫隙填充密實(shí)，同時(shí)安裝排氣閥門(mén)。2）鋼管末端采用法蘭盤(pán)焊接封口，法蘭盤(pán)上預(yù)留注漿閥門(mén)。3）注漿前應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)情況及時(shí)調(diào)整注漿參數(shù)。4）嚴(yán)格按照試驗(yàn)配合比（水∶水泥∶膨脹劑=1.2∶1∶0.08）要求配制微膨脹水泥漿液。5）注漿過(guò)程中嚴(yán)格控制注漿壓力（0.4MPa～0.6MPa），壓力值不得超過(guò)要求范圍。6）注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)如下。注漿壓力逐步上升，當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)終壓并穩(wěn)定3 min～5 min；注漿量不小于總注漿量的80%，注漿量一般為鉆孔圓柱體的1.5倍。如果注漿量超限，未達(dá)到壓力標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)調(diào)整漿液濃度二次注漿，保證管及周圍空隙填充密實(shí)。

5 長(zhǎng)大管棚施工精度控制工藝

采用大管棚作為超前支護(hù)措施，在初支扣拱拱部形成棚護(hù)區(qū)，承受拱部地層壓力，降低地層變形，防止施工過(guò)程中洞內(nèi)坍塌，減少地表建筑物沉降變形，如果管棚施工精度得不到有效控制，將削弱支護(hù)效果，管棚支護(hù)體系將出現(xiàn)空檔或者在某一區(qū)域失效，存在較大安全隱患。因此洞內(nèi)長(zhǎng)大管棚施工中長(zhǎng)大管棚精度的控制至關(guān)重要。根據(jù)管棚施工精度控制要求及施工工藝的限制，采用水平導(dǎo)向跟管鉆進(jìn)法能有效控制大管棚施工精度。

水平導(dǎo)向跟管鉆進(jìn)法施工時(shí)以管棚鋼管為鉆桿，使用水平定向鉆機(jī)將鋼管打入土層中，并在鉆進(jìn)過(guò)程中通過(guò)鋼管專用導(dǎo)向儀器隨時(shí)控制鉆進(jìn)角度，發(fā)現(xiàn)角度偏差及時(shí)進(jìn)行糾偏，直至監(jiān)測(cè)鉆進(jìn)到設(shè)計(jì)長(zhǎng)度。該技術(shù)的導(dǎo)向糾偏工作原理是通過(guò)有線導(dǎo)向系統(tǒng)及鉆桿前端帶有切削板的鉆頭控制管棚鉆進(jìn)方向來(lái)實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，采用專用開(kāi)孔鉆桿開(kāi)孔后，進(jìn)行首節(jié)鋼管的鉆進(jìn)。鋼管前端安裝斜板式鉆頭用于調(diào)整鉆進(jìn)軌跡，保證管棚打設(shè)精度滿足設(shè)計(jì)要求。鉆進(jìn)到達(dá)指定位置后，將導(dǎo)向儀探測(cè)棒固定于首節(jié)鋼管管口用于監(jiān)測(cè)管棚打設(shè)方向，首先通過(guò)將探測(cè)棒固定架焊接于首節(jié)鋼管管口，再將探棒卡在預(yù)先焊接在管口的固定架上。信號(hào)線放置于次節(jié)鋼管中（鉆進(jìn)過(guò)程中傳感線與顯示器斷開(kāi)），信號(hào)線一端與探測(cè)棒連接，一端從鉆機(jī)設(shè)備鉆頭處預(yù)留洞口引出，信號(hào)線中間部分卷成圈，用扎絲捆好，鉆進(jìn)過(guò)程中信號(hào)線將隨鋼管一起轉(zhuǎn)動(dòng)，不會(huì)發(fā)生纏繞。同時(shí)信號(hào)線上纏有鋼絲繩，防止鉆進(jìn)完成后，探測(cè)棒在拔出過(guò)程中信號(hào)線被拉斷。每節(jié)鋼管打設(shè)完成后，將顯示器一端信號(hào)線與鋼管內(nèi)引出的信號(hào)線接通，此時(shí)通過(guò)信號(hào)線將探測(cè)棒與遠(yuǎn)程顯示器接通，操作人員通過(guò)遠(yuǎn)程顯示器監(jiān)測(cè)的傾角值對(duì)鉆頭在3、6、9、12點(diǎn)鐘方向的偏差進(jìn)行監(jiān)測(cè)，鉆頭傾角偏差控制在1°以內(nèi)即符合要求。如果需要提高成孔精度，將監(jiān)測(cè)頻率增加到每鉆進(jìn)1米測(cè)一次。在向上糾偏時(shí)，當(dāng)鉆頭斜面向下，小沖程頂進(jìn)鉆桿，鉆頭逐步上抬，達(dá)到向上糾偏的目的。同理，當(dāng)鉆頭斜面向上、向左、向右，可達(dá)到向下、向右、向左糾偏的目的，保證管棚實(shí)際鉆進(jìn)軌跡以較小的偏差回歸設(shè)計(jì)軌跡。

為加強(qiáng)管棚的支護(hù)效果，有效控制管棚施工對(duì)鄰近建構(gòu)筑物的影響，采用水平導(dǎo)向跟管鉆進(jìn)法施工大管棚時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)。1）鉆機(jī)定位過(guò)程中要求孔位對(duì)正，鉆機(jī)與操作平臺(tái)固定牢固，移動(dòng)支架基礎(chǔ)牢固。依照設(shè)計(jì)鉆孔軸線對(duì)正鉆機(jī)動(dòng)力軸中心，采用測(cè)量?jī)x器校準(zhǔn)，確保鉆進(jìn)開(kāi)孔位置與測(cè)量放樣孔位一致。2）鉆機(jī)定位時(shí)，根據(jù)鉆孔深度調(diào)整鉆桿軸線與管棚軸線不大于1°的外插角，以抵消管棚接長(zhǎng)后自重增加而產(chǎn)生的下垂。3）在鉆機(jī)鉆進(jìn)過(guò)程中，一定要及時(shí)監(jiān)測(cè)管棚鉆頭走向，做好校準(zhǔn)工作。每跟鋼管鉆進(jìn)完成后，及時(shí)對(duì)管棚鉆頭的方位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并做好監(jiān)測(cè)記錄，如果發(fā)現(xiàn)鉆頭偏移設(shè)計(jì)軌跡，及時(shí)通過(guò)帶有切削板的鉆頭進(jìn)行鉆頭方位的糾偏，保證管棚鉆進(jìn)軌跡回歸設(shè)計(jì)軌跡。4）在鉆機(jī)鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆機(jī)應(yīng)保持低壓勻速鉆進(jìn)，嚴(yán)格控制鉆進(jìn)過(guò)程中鉆機(jī)的旋轉(zhuǎn)壓力（5 MPa～7 MPa）和頂進(jìn)壓力（3 MPa～5 MPa），發(fā)現(xiàn)壓力異常，及時(shí)停止鉆進(jìn)，防止壓力過(guò)大造成鉆桿偏移設(shè)計(jì)軌跡。

6 結(jié)語(yǔ)

管棚超前支護(hù)法作為隧道施工的一種輔助方法，在軟巖隧道施工中發(fā)揮了重要作用。管棚支護(hù)因具有抗坍塌能力強(qiáng)、一次支護(hù)長(zhǎng)度長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)城市地下暗挖工程中得到廣泛推廣。該文簡(jiǎn)述了粉細(xì)砂層洞柱法暗挖地鐵車站長(zhǎng)大管棚工藝和主要作用效果，對(duì)比分析了沖洗液循環(huán)跟管鉆進(jìn)法和螺旋出土頂進(jìn)法的工藝特征，并詳細(xì)介紹了跟管鉆進(jìn)長(zhǎng)大管棚施工工藝。隨著我國(guó)地鐵建設(shè)的蓬勃發(fā)展，管棚超前支護(hù)技術(shù)將不斷革新，并為城市地下空間開(kāi)發(fā)持續(xù)發(fā)揮積極作用。