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)，二襯扣拱施工過程中因土體開挖卸載作用易引起上部土體的過大變形甚至坍塌，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 初支混凝土面開孔

初支混凝土面開孔如圖1所示，開孔應(yīng)滿足下列要點(diǎn)。1）采用與當(dāng)前管棚鉆機(jī)匹配的開孔鉆桿進(jìn)行初支混凝面的開孔，無(wú)須單獨(dú)配備鉆孔設(shè)備開孔，方便快捷。2）開孔前還需進(jìn)一步核定鉆機(jī)位置，確保鉆桿與孔位方向平行，開孔孔位偏差不大于2cm后方可進(jìn)行開孔。3）混凝土面開孔前需要事先開泵，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，開孔時(shí)以先破拱部再破兩邊以及跳孔開孔的原則進(jìn)行管棚施工。

圖1 初支混凝土面開孔圖

4.5 導(dǎo)向跟管鉆進(jìn)

初支混凝土面開孔后，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)泥漿通過水泵抽入第一層橫通道內(nèi)儲(chǔ)漿箱中，經(jīng)過合理配制及充分?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。2）鋼管末端采用法蘭盤焊接封口，法蘭盤上預(yù)留注漿閥門。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）注漿過程中嚴(yán)格控制注漿壓力（0.4MPa～0.6MPa），壓力值不得超過要求范圍。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)過程中通過鋼管專用導(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)，采用專用開孔鉆桿開孔后，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)過程中傳感線與顯示器斷開），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)通過信號(hào)線將探測(cè)棒與遠(yuǎn)程顯示器接通，操作人員通過遠(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發(fā)持續(xù)發(fā)揮積極作用。