粉質(zhì)黏土層公路隧道下穿既有鐵路長(zhǎng)大管棚施工工法

趙立財(cái)

摘要：本文以廈漳公路（廈門(mén)段）東孚隧道下穿廈深鐵路牽出線(xiàn)為例，介紹了長(zhǎng)大管棚施工工法在粉質(zhì)黏土土層，土體自穩(wěn)性能差，淺埋隧道下穿公路隧道施工開(kāi)挖過(guò)程中的應(yīng)用，有效防止了塌方、涌泥事故的發(fā)生，沒(méi)有對(duì)鐵路運(yùn)輸產(chǎn)生不良影響，安全、順利地下穿了既有廈深鐵路牽出線(xiàn)，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：粉質(zhì)黏土；隧道；下穿；鐵路；大管棚

1 前言

在我國(guó)東南沿海地區(qū)地下水位較高，第四系地層以粉質(zhì)黏土、粉土為主，滲透系數(shù)較小，易液化。在這種特殊地層進(jìn)行開(kāi)挖時(shí)，小導(dǎo)管法、錨桿法等很難保證工程施工安全及質(zhì)量。因此，急需采取一種長(zhǎng)超前、安全可靠的支護(hù)措施。而長(zhǎng)管棚支護(hù)技術(shù)作為一種新的支護(hù)手段，對(duì)大跨度、超淺埋，工程地質(zhì)條件復(fù)雜的工程都有很好的支護(hù)效果。但是，飽和淤泥質(zhì)土、粉土地層含水無(wú)法成孔，管棚施工必須采取適合該地層特殊技術(shù)措施和施工工藝。

廈漳公路（廈門(mén)段）東孚隧道為淺埋暗挖單洞隧道，位于上述地層，由道路和隧道兩部分組成。下穿既有廈深鐵路牽出線(xiàn)，暗挖段隧道最小覆土厚度僅有2.6m。暗挖隧道全部采用長(zhǎng)大管棚超前支護(hù)與注漿加固。

針對(duì)工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，我們開(kāi)展了相應(yīng)的科研攻關(guān)，研發(fā)了特殊的鉆具，在工程實(shí)踐中開(kāi)發(fā)應(yīng)用了適合該地層特殊跟管施工工藝，保證了整個(gè)工程安全順利建成，在此基礎(chǔ)上總結(jié)出本工法。

2 工法特點(diǎn)

采用本工法進(jìn)行施工的特點(diǎn)有以下四點(diǎn)

2.1超前支護(hù)長(zhǎng)：長(zhǎng)管棚支護(hù)可跨越松弛區(qū)，伸入原狀土部位，使地層不至沉陷或流塌，穩(wěn)妥可靠，能保證施工安全。

2.2開(kāi)挖段增長(zhǎng)，可減少超前支護(hù)施工施作次數(shù)，縮短施工時(shí)間。

2.3大管棚直徑大，管壁厚，剛度較高，受力均勻，支護(hù)效果可靠。

2.4技術(shù)新穎、難度大。

3 使用范圍

本工法適用于埋深淺、覆蓋薄、跨度大、結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜的飽和粉土及粉細(xì)砂地層中的各類(lèi)工程進(jìn)行開(kāi)挖支護(hù)和地層加固的長(zhǎng)大管棚施工。

4 工藝原理

在地下洞室掌子面后部，以一定的間隔鉆設(shè)一排或兩排水平的環(huán)向鉆孔，然后布設(shè)長(zhǎng)大管棚，對(duì)地層進(jìn)行注漿加固。通過(guò)鉆孔，下設(shè)鋼管，注漿等一系列工序施作，使鋼管超越前方地層松弛區(qū)后，遠(yuǎn)遠(yuǎn)伸入到未受到施工影響的部位，保障開(kāi)挖時(shí)掌子面和周?chē)馏w的穩(wěn)定，起到骨架、格柵作用。通過(guò)注漿使?jié){液從鋼花管孔眼中壓出，以一定的壓力注入到鋼管周?chē)缮?、軟弱的地層中，從而形成?fù)合穩(wěn)定的固結(jié)體，使周?chē)貙拥牧W(xué)性質(zhì)得到改變，產(chǎn)生由鋼管和注漿加固體在開(kāi)挖體上方及周?chē)纬傻摹芭锸健狈雷o(hù)結(jié)構(gòu)。若需加固的地層較長(zhǎng)，則隨著向前掘進(jìn)，每隔一定距離重復(fù)上述作業(yè)。

5 工藝流程及操作要點(diǎn)

5.1 管棚施工工藝流程（管棚施工工藝流程如圖1所示）

5.2 操作要點(diǎn)

5.2.1套拱施工

套拱為包裹管棚后端的一層混凝土或鋼筋混凝土，起保護(hù)前方地層、便于開(kāi)鉆作業(yè)、精確定位管棚和增強(qiáng)管棚口部結(jié)合強(qiáng)度的作用。套拱一般厚0.3m～0.5m，長(zhǎng)1.5～2.5 m，混凝土標(biāo)號(hào)多為C20，前端和底部均嵌入地層。施工時(shí)，在每根管棚位置預(yù)埋一節(jié)內(nèi)徑比管棚外徑略大的鋼管（導(dǎo)向管），以精確定位每根管棚的口部位置。當(dāng)套拱混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后，按一定的間隔和順序沿導(dǎo)向管引導(dǎo)的方向往地層中進(jìn)行鉆孔，并進(jìn)行管棚布設(shè)的全程作業(yè)。

⑴開(kāi)挖與核心土

為了便于施工、節(jié)省方木、保持工作面的安全和穩(wěn)定，開(kāi)挖時(shí)，視場(chǎng)地情況預(yù)留一定的核心土。同時(shí)，挖夠套拱嵌入巖層的深度。當(dāng)?shù)貙臃€(wěn)定性差時(shí)，對(duì)兩側(cè)和前方暴露的地層進(jìn)行噴錨封閉。

⑵套拱混凝土施工

利用核心土搭設(shè)必要的工作平臺(tái)，進(jìn)行放樣、鋼筋綁扎、預(yù)埋件安裝、立模、預(yù)埋件準(zhǔn)確定位、混凝土一次灌注成型和養(yǎng)護(hù)，當(dāng)混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后拆除模板，完成全部套拱作業(yè)。

5.2.2搭設(shè)平臺(tái)

沿核心土環(huán)向用方木搭設(shè)施工平臺(tái)，如無(wú)留核心土，則用鋼管搭門(mén)型架后，再用方木搭設(shè)施工平臺(tái)。

管棚施工人員多，機(jī)械重，頂管推力大平臺(tái)受力大。要求平臺(tái)搭設(shè)一定穩(wěn)固，方能保證施工安全和工程質(zhì)量。

5.2.3鉆機(jī)定位

由于管棚鉆孔質(zhì)量要求高，施工中的各工序都非常關(guān)鍵。鉆孔設(shè)備也是其中一項(xiàng)。因此，開(kāi)鉆前，必須對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行校正，精確定位，然后固定在穩(wěn)定的平臺(tái)上。鉆進(jìn)期間，應(yīng)經(jīng)常檢查鉆機(jī)是否移動(dòng)，若移動(dòng)必須及時(shí)糾正，否則會(huì)引起鉆孔偏斜。

5.2.4開(kāi)孔

如每段暗挖的開(kāi)口需先穿過(guò)鋼筋混凝土圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，用金剛石鉆頭鉆孔破樁。為保證開(kāi)孔精度，要求巖芯管長(zhǎng)度大于2.5m，以保證有良好的導(dǎo)向性。

5.2.5管棚鋼管加工

鋼管采用管螺紋車(chē)床加工，長(zhǎng)度按設(shè)計(jì)要求切割或根據(jù)材料長(zhǎng)度情況而定，鋼管絲扣采用地質(zhì)通用的方絲，絲長(zhǎng)5～6cm，每根鋼管一頭加工為公絲，一頭加工為母絲，要求公母絲配合緊密?；ü芸准庸び勉@床或氧氣切割，采用梅花型布置，間距以30cm左右為好。

5.2.6成孔及管棚跟進(jìn)施工

管棚施工通過(guò)地層為砂質(zhì)粉土層，含水量大，施工難度大，加之管棚施工對(duì)鉆孔精度要求非常高，如何選擇鉆具、作業(yè)人員鉆孔技術(shù)的高低都是管棚施工的關(guān)鍵，對(duì)鉆孔質(zhì)量起決定性作用。另外，管棚施作前要在洞口實(shí)施降水，把洞口水位降止管棚位置以下，以避免水土自涌。

⑴鉆具的選擇

由于地層為砂質(zhì)粉土層，自身承重能力差，易液化，沒(méi)有自穩(wěn)能力，無(wú)法成孔，不能采取傳統(tǒng)的先成孔后頂進(jìn)鋼管施工方法，應(yīng)采用扭矩較大、導(dǎo)向較好的鉆機(jī)，配備跟管鉆具進(jìn)行跟管施作。

跟管采用自行研制的鉆具，鉆桿與鋼管配合，使鋼管隨鉆桿一次安置，巖芯從鋼管內(nèi)排出。要求鋼管聯(lián)結(jié)緊密，必要時(shí)在絲扣加銷(xiāo)、加焊，以防鋼管扣滑絲。此外，相臨鋼管絲扣錯(cuò)開(kāi)至少1米。

⑵鉆進(jìn)參數(shù)

施工中對(duì)鉆進(jìn)參數(shù)的選擇非常關(guān)鍵，主要控制兩個(gè)方面：一是轉(zhuǎn)速宜為25～35rad/min左右，轉(zhuǎn)速過(guò)大易引起鉆具在孔內(nèi)擺動(dòng)幅度大，對(duì)地層的影響加大，加大偏斜量。二是鉆機(jī)的壓力控制應(yīng)根據(jù)鋼管頂進(jìn)情況隨時(shí)調(diào)整，以進(jìn)尺最快為宜，一般為1Mpa。

⑶參數(shù)配合

鉆進(jìn)中對(duì)轉(zhuǎn)速及壓力的要求不是一成不變的，要視具體情況和地層特點(diǎn)合理選配，需要一支有經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)好的施工隊(duì)伍，需要熟練的技術(shù)工人來(lái)適時(shí)掌握，而不是單純的靠一臺(tái)好的設(shè)備來(lái)完成。

⑷管棚布設(shè)施工

洞口兩側(cè)先開(kāi)槽，在槽中施做護(hù)拱（臨時(shí)襯砌支護(hù)）、邊墻部位鋼拱架及混凝土。從兩端布打長(zhǎng)管棚，對(duì)接的搭接長(zhǎng)度不小于3-3.5m，每個(gè)斷面約布置38根管棚，每根長(zhǎng)度42米，鋼管直徑108mm，間距40cm，管棚中間設(shè)Φ42超前小導(dǎo)管，小導(dǎo)管長(zhǎng)3.5m，間距40cm。如圖2所示。

5.2.7注漿

管棚注漿是管棚施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，注漿效果的優(yōu)劣同樣影響著整個(gè)管棚的施工質(zhì)量，注漿漿液為1：1純水泥漿加20%的水玻璃（水玻璃濃度為35Be°）。

⑴管棚鋼管孔口安裝

注漿前，為防止?jié){液從導(dǎo)向管和鋼管間的間隙內(nèi)外流，要把此間隙密封。

為保證注漿效果，孔口宜設(shè)排氣孔。如果管棚下傾，在特制封頭上設(shè)一排氣孔加上排氣閥即可。如果管棚上仰，則需在鋼管內(nèi)設(shè)一根排氣管至孔底，其孔口裝置同前。注漿時(shí)，把排氣閥打開(kāi)排氣，等漿液從排氣閥流出時(shí)，再把排氣閥關(guān)掉。

⑵注漿順序

采用鉆一注一的方法。

⑶管棚注漿

注漿漿液必須攪拌均勻，經(jīng)濾網(wǎng)放入儲(chǔ)漿桶，再由注漿泵經(jīng)管路注入到鋼花管中。注漿時(shí)，控制好注漿壓力和速度，在注漿泵及鋼管孔口處要設(shè)專(zhuān)人操作，認(rèn)真觀(guān)察壓力表和孔口有無(wú)異?，F(xiàn)象。每注完一桶，或注漿工作暫時(shí)間隙時(shí)，要把孔口注漿閥關(guān)閉，以防注漿液倒流。

按要求注完漿液后，管內(nèi)再注入砂漿進(jìn)行充填。對(duì)無(wú)孔實(shí)管只注砂漿進(jìn)行充填，要求充填要飽滿(mǎn)密實(shí)。

⑷注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

鋼花管注漿一般按單孔注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)漿量作為注漿標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓不小于20分鐘，進(jìn)漿量仍達(dá)不到設(shè)計(jì)注漿量時(shí)，也可結(jié)束注漿。另外，當(dāng)注漿壓力達(dá)到終壓的80﹪時(shí)，出現(xiàn)較大的跑漿，經(jīng)間歇注漿后，也可結(jié)束注漿。

⑸注漿施工注意事項(xiàng)

①注漿前認(rèn)真檢修機(jī)具，對(duì)管路系統(tǒng)如混合器、接頭、閥門(mén)等，如有破損應(yīng)予更換。

②所有注漿材料應(yīng)無(wú)雜物，水泥應(yīng)無(wú)結(jié)塊。

③在注雙液漿時(shí)，為防止管路堵塞，先開(kāi)水泥漿泵，后開(kāi)水玻璃泵。結(jié)束注漿時(shí)，先關(guān)水玻璃泵，后關(guān)水泥漿泵。

④注漿作業(yè)要前后配合，統(tǒng)一指揮。否則，不能保證注漿計(jì)劃的實(shí)現(xiàn)，不能達(dá)到預(yù)期的目的和效果。

⑤認(rèn)真作好注漿記錄，包括每孔注漿量、注漿壓力、有無(wú)跑漿、竄漿情況等都要及時(shí)填寫(xiě)清楚。

5.2.8注漿效果檢測(cè)

管棚注漿施工完畢后，為探明注漿加固效果，需采取一定的檢測(cè)手段對(duì)注漿結(jié)果加于評(píng)定，從中找出不足，加以改進(jìn)，不斷提高注漿技術(shù)水平。

⑴鉆探取芯法

從取出的巖芯可以直觀(guān)地觀(guān)察并判斷漿液擴(kuò)散半徑以及通過(guò)對(duì)巖芯做室內(nèi)三軸強(qiáng)度試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)等，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，從而判定注漿效果的好壞。

⑵根據(jù)開(kāi)挖后實(shí)際情況進(jìn)行判斷

此方法為鉆探取芯法的補(bǔ)充，雖為推遲檢測(cè)法，不能及時(shí)對(duì)已施工完成的管棚所存在的缺陷加以補(bǔ)救，但可以此來(lái)進(jìn)行下一步調(diào)整完善下一循環(huán)的管棚施工，改進(jìn)注漿參數(shù)。

6 機(jī)具設(shè)備

6.1 長(zhǎng)大管棚作業(yè)主要機(jī)具設(shè)備（參見(jiàn)表1）

6.2 主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)

6.2.1 MK-5坑道鉆機(jī)的技術(shù)參數(shù)（參見(jiàn)表2）

此鉆機(jī)廣泛應(yīng)用于坑道地質(zhì)勘探，錨固、旋噴注漿等工程施工作業(yè)。

鉆機(jī)采用全液壓動(dòng)力頭結(jié)構(gòu)，由主機(jī)、泵站、操作臺(tái)三部分組成。管棚施工時(shí)，為減輕重量，泵站可放置地面上，搬遷升降方便。此鉆機(jī)穩(wěn)定性好，給進(jìn)壓力大，頂管或跟管方便。

6.2.2 BW-150泥漿泵的技術(shù)參數(shù)（見(jiàn)表3）

7 勞動(dòng)組織

7.1 人員組織

施工人員的組織參見(jiàn)表4，職能組織形式如圖3所示。

7.2 施工管理

施工管理是一個(gè)系統(tǒng)工程，對(duì)施工生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)、各個(gè)方面如人力、財(cái)、物等都要認(rèn)真做好施工組織，并保證得以有效的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)以最少的消耗得到最大的經(jīng)濟(jì)效益，達(dá)到工期短、質(zhì)量好、成本低的目的。施工管理的內(nèi)容主要包括技術(shù)管理、質(zhì)量管理、設(shè)備管理和安全管理等。

8 安全管理

針對(duì)管棚施工特點(diǎn)建立安全責(zé)任制、安全檢查制和安全教育制度。做到安全責(zé)任到人，及時(shí)檢查，不留隱患，班前班后進(jìn)行安全教育，確保施工中人、機(jī)、物的安全。

9 質(zhì)量要求

9.1建立群眾性的質(zhì)量管理小組，組織全員性的質(zhì)量管理活動(dòng)，開(kāi)展質(zhì)量管理全員教育等工作。

9.2確定管棚施工質(zhì)量目標(biāo)，制定質(zhì)量保證責(zé)任制。

9.3建立質(zhì)量管理體系，并組織協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)。

9.4利用科學(xué)方法，全面控制各種影響管棚質(zhì)量的因素（如圖4所示）。

9.5建立嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗(yàn)環(huán)節(jié)，并對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行正確評(píng)定。

9.6在工作中認(rèn)真貫徹落實(shí)，使設(shè)備經(jīng)常處于良好的技術(shù)狀態(tài)，能保證施工順利進(jìn)行，達(dá)到提高工效、保證工程質(zhì)量的目的。

10 效益分析

長(zhǎng)大管棚是用在軟弱或破碎地層，暗洞需超前支護(hù)加固保證開(kāi)挖安全情況下施作，主要是技術(shù)需要。采用特殊的施工工藝，快速優(yōu)質(zhì)地完成了注漿長(zhǎng)管棚施施工，安全有效地保證了隧道開(kāi)挖穩(wěn)定，為整個(gè)工程提供了工期、安全、質(zhì)量保證。在華東地區(qū)特殊地質(zhì)條件下開(kāi)創(chuàng)了注漿長(zhǎng)管棚施施工的先例，為今后類(lèi)似工程積累了經(jīng)驗(yàn)。

11 應(yīng)用實(shí)例及結(jié)論

廈漳公路（廈門(mén)段）東孚隧道為淺埋暗挖單洞隧道，為地面道路與地下隧道（雙線(xiàn)）相結(jié)合的形式，全長(zhǎng)340m，單孔隧道凈尺寸19.34（寬）*6.24（高）m，位于上述地層中，本隧道需下穿既有廈深鐵路牽出線(xiàn)淺埋軟弱人工填筑層段（Q4dl+el）粉質(zhì)黏土，隧道頂厚度約為4～5米，下為厚1米左右的中粗砂層，再下為殘積粘土層，硬塑為主，土體自穩(wěn)性能差。隧道下穿地層主要為基巖裂隙水，地下水發(fā)育，對(duì)混凝土無(wú)侵蝕性。

根據(jù)暗挖隧道超淺埋及對(duì)廈深鐵路既有線(xiàn)保護(hù)的需要，采用長(zhǎng)大管棚施工工法，每個(gè)斷面施工時(shí)間不到10天，管棚布設(shè)中非常順利，大大縮短了隧道開(kāi)挖循環(huán)時(shí)間。從隧道開(kāi)挖情況看，鋼管排列整齊，注漿效果良好，對(duì)地層和既有設(shè)施起到很好的保護(hù)作用，安全、順利地下穿了既有廈深鐵路牽出線(xiàn)，有效防止了塌方、涌泥事故的發(fā)生，暗挖施工期間沒(méi)有對(duì)鐵路運(yùn)輸產(chǎn)生不良影響，保證了廈漳公路和廈深路正常交通，提高隧道的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]朱亮來(lái)， 董天樂(lè).近距大跨超淺埋雙洞分修隧道穿越鐵路施工技術(shù).隧道建設(shè)，2006（02 ）：81-84.

[2]吳全立，劉招偉，張文強(qiáng).富水粉砂土層超淺埋近距離雙洞隧道施工.施工技術(shù)，2004（10）：18-20.

[3]李兆平，李銘凱，黃慶華.南京地鐵車(chē)站下穿既有鐵路站場(chǎng)施工技術(shù)研究.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005（03）：1062-1066.

[4]黃永生.隧道超前管棚支護(hù)施工工藝探討，黑龍江交通科技，2010（05）：74-75.

[5]胡相鈺.盾構(gòu)下穿鐵路箱涵施工變形控制技術(shù)研究.鐵道建筑，2013（02）：38-42.