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        粉細(xì)砂層洞柱法暗挖長(zhǎng)大管棚施工技術(shù)研究

        2022-08-13 07:31:04田素龍
        關(guān)鍵詞:信號(hào)線管棚鉆桿

        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。

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