高速鐵路淺埋隧道超長管棚設(shè)計(jì)方案研究

朱國偉

(中國鐵路總公司工程管理中心，北京 100844)

高速鐵路淺埋隧道超長管棚設(shè)計(jì)方案研究

朱國偉

(中國鐵路總公司工程管理中心，北京 100844)

京沈高速鐵路高麗營隧道穿越六環(huán)路酸棗嶺互通立交段落，土質(zhì)、砂質(zhì)地層自穩(wěn)能力差，地下水位高，采用淺埋暗挖法施工。超前管棚支護(hù)是暗挖段難度最大的項(xiàng)目之一，通過計(jì)算分析，結(jié)合國內(nèi)超前管棚應(yīng)用實(shí)例和施工方案的研究，確定采用導(dǎo)向跟管鉆進(jìn)法兩側(cè)相向?qū)Υ蚴┕ぃ淮涡允┳鞒爸ёo(hù)，確保結(jié)構(gòu)安全和地面道路正常通行。

高速鐵路；鐵路隧道; 超前支護(hù)；超前管棚

超前支護(hù)技術(shù)作為一種常見的隧道超前加固措施，在隧道淺埋洞口、下穿地表構(gòu)筑物或斷層破碎帶等開挖施工中得到廣泛應(yīng)用，目前隨著城市地下工程建設(shè)的需要和工程設(shè)備技術(shù)的不斷進(jìn)步，管棚支護(hù)技術(shù)逐步向長距離、大直徑方向發(fā)展。常規(guī)的管棚施工工藝已經(jīng)不能保證有效成孔和打設(shè)精度。京沈高速鐵路高麗營隧道下穿六環(huán)路酸棗嶺互通立交段落，施工期間六環(huán)路正常通行，交通流量大，重載車輛多，變形控制標(biāo)準(zhǔn)比較嚴(yán)格，為有效控制下穿段落洞內(nèi)及地表沉降變形，同時(shí)確保隧道施工及道路的運(yùn)營安全，開挖前施作貫通長距離超前支護(hù)，暗挖快速通過的原則，對其工程支護(hù)措施和施工方法等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

1 工程概況

京沈高速鐵路高麗營隧道暗挖下穿北京市六環(huán)路酸棗嶺互通匝道，下穿段落六環(huán)路為高填方路基，無地下構(gòu)筑物，長約200 m，位于曲線半徑為7 000 m的平面線上，隧道縱向?yàn)閂字坡(下坡坡度為23‰，上坡坡度為20.8‰)，最低點(diǎn)位于下穿六環(huán)路正下方，最大覆土厚度約為15 m(其中原狀土厚度約為7 m，路基填方厚度約為8 m)。高麗營隧道與酸棗嶺立交橋位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 高麗營隧道與酸棗嶺立交橋位置關(guān)系

隧道穿越段落地層主要為黏土、粉質(zhì)黏土，局部夾有粉土，六環(huán)路互通立交路基填方材料主要為雜填土，填方高度約為5～8 m。地下水類型主要為第四紀(jì)松散沉積物孔隙水，根據(jù)其水力性質(zhì)不同可分為上層滯水、潛水、層間水，主要賦存于砂土、碎石土和粉土，勘探期間測量穩(wěn)定水位埋深6～9 m。

2 超前支護(hù)方案設(shè)計(jì)

管棚工程在隧道開挖前的預(yù)支護(hù)中的作用主要表現(xiàn)在提高隧道開挖線外周邊土體的承載能力和控制地表沉降兩個(gè)方面，在隧道穿越軟弱地層以及既有建(構(gòu))筑物時(shí)，管棚的這種作用尤為明顯。

2.1 計(jì)算超前支護(hù)

管棚結(jié)合拱架支撐設(shè)置時(shí)，管棚前端錨固在軟弱圍巖內(nèi)，后端與鋼拱架固定，其承載模式可簡化為“一端固定一端簡支”的受彎梁構(gòu)件。用不同管徑的鋼管間隔，假設(shè)上部荷載全部由鋼管承擔(dān)，則每一根鋼管承擔(dān)一定寬度的土柱壓力和道路荷載，假定隧道開挖長度一定，可求得鋼管間距。

由于黏土、粉質(zhì)黏土等呈現(xiàn)散粒體的材料特征，管棚等超前支護(hù)在隧道開挖過程中，其固定端支點(diǎn)會發(fā)生相應(yīng)的后移，如圖2所示。

圖2 管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)受力計(jì)算模式(單位：m)

根據(jù)鐵路隧道管棚設(shè)計(jì)、施工經(jīng)驗(yàn)，選用外徑為89～325 mm不同規(guī)格的鋼管，對超前支護(hù)鋼管抗彎強(qiáng)度和抗彎剛度進(jìn)行檢算。分別以抗彎強(qiáng)度和抗彎剛度作為控制因素進(jìn)行比選(表1)。

工程實(shí)踐表明，在一般情況下，管幕變形量小于5 mm時(shí)，地表沉降可控制在20 mm以內(nèi)，假設(shè)鋼管間距為a，依據(jù)前述原則對管棚強(qiáng)度和剛度進(jìn)行驗(yàn)算，得出采用不同鋼管做管棚時(shí)的鋼管間距見表2。

表1 鋼管規(guī)格及截面特性

表2 不同管徑管棚鋼管間距計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，管棚采用單排φ159×8 mm或雙排φ108×8 mm無縫鋼管，管棚環(huán)向間距取3根/m，即可滿足要求。

2.2 擬定超前支護(hù)參數(shù)

下穿段落初步擬定采用隧道開挖前長距離超前支護(hù)一次性貫通施作，暗挖快速通過的原則，減少隧道暗挖施工在下穿段落的停留時(shí)間，降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)。

(1)管棚鋼管尺寸

考慮長距離管棚施工精度影響及本工程管棚段落水平方向和線路縱向均位于曲線段落，雙層管棚施工過程中存在因管棚鋼管密度過大，造成鉆孔成孔困難、易損壞鉆頭、管棚施工造成地層多次擾動等問題，采用單排φ159 mm×8 mm無縫鋼管，管棚沿隧道開挖輪廓線外環(huán)向布置，環(huán)向間距40 cm，管棚施作范圍為拱墻150°，管棚長度106 m，搭接6 m，管棚內(nèi)灌注水泥砂漿提高管棚剛度。

(2)管棚與結(jié)構(gòu)間隙尺寸

長距離管棚一次性施作，因不能設(shè)置施工外插角，同時(shí)在鉆孔過程中，水平鉆進(jìn)受鉆具自重影響，鉆具前端易下垂，管棚與結(jié)構(gòu)之間所預(yù)留間隙過小對管棚施工提出了較高的精度要求，且容易造成管棚侵限，過大易造成拱部開挖掉塊及隧道超挖。

北京地鐵5號線蒲黃榆車站對不同埋深、不同地層情況下的管棚施工偏差進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如下：埋深小于10 m，上部為粉質(zhì)黏土層，采用無線普通型探棒導(dǎo)向時(shí)，平均軸心偏差為12.3 mm，粉細(xì)砂地層，采用無線加強(qiáng)型探棒導(dǎo)向時(shí)，平均偏差為16.7 mm；埋深超過10 m中粗砂地層，采用無線加強(qiáng)型探棒導(dǎo)向時(shí)，中心平均偏差為19.5 mm；埋深超過12 m中粗砂地層，采用地磁地下定位系統(tǒng)導(dǎo)向，中心平均偏差為17.4 mm。由此可見，管棚施工偏差與地層、管棚埋深及導(dǎo)向系統(tǒng)均有密切的關(guān)系，國內(nèi)施工超長管棚的實(shí)例調(diào)查見表3。

根據(jù)表3，管棚中線外放距離基本為20～40 cm，結(jié)合調(diào)研結(jié)果，拉管法管棚施工精度基本可以控制在20 cm以內(nèi)，本工程管棚外放距離確定為40 cm。

表3 國內(nèi)超長管棚的應(yīng)用實(shí)例調(diào)查

3 長距離管棚技術(shù)分析

長距離超長管棚技術(shù)是從城市地下管線非開挖技術(shù)衍生發(fā)展起來的一種新興技術(shù)，目前較為成熟的長距離管棚施工技術(shù)主要是利用水平定向鉆進(jìn)技術(shù)，進(jìn)而衍生出以兩種管棚敷設(shè)技術(shù)。

3.1 水平定向鉆進(jìn)技術(shù)(拉管法)

水平定向鉆進(jìn)施工管棚方法是由水平定向鉆井技術(shù)發(fā)展而來，利用水平定向鉆機(jī)在導(dǎo)向儀導(dǎo)向控制下進(jìn)行導(dǎo)向孔鉆進(jìn)形成導(dǎo)向孔，導(dǎo)向成孔完成后，在管棚的另一端卸下鉆頭，再根據(jù)孔徑不同換裝不同的擴(kuò)孔器，在拉回鉆桿的同時(shí)將鉆孔擴(kuò)大至所需直徑，同時(shí)回拖鋼管施工，最后進(jìn)行注漿。

這種管棚施工方法引進(jìn)了城市地下管線非開挖施工技術(shù)，在鉆進(jìn)過程中進(jìn)行導(dǎo)向控制，保證了鉆進(jìn)軌跡的正確性和精確性，鉆孔軌跡可以是直的，也可以是逐漸彎曲的，對管棚長度、管徑和長距離管棚敷設(shè)軌跡變化的適應(yīng)性強(qiáng)，同時(shí)參考了常規(guī)管棚施工先鉆孔后鋪管的施工理念，管棚施工質(zhì)量和可操作性強(qiáng)。導(dǎo)向系統(tǒng)工作原理見圖3。

圖3 導(dǎo)向系統(tǒng)工作原理示意

3.2 導(dǎo)向跟管鉆進(jìn)技術(shù)

導(dǎo)向跟管鉆進(jìn)技術(shù)是從水平導(dǎo)向鉆進(jìn)發(fā)展而來的一種新型技術(shù)，采用有線或無線儀器定向，一次性跟管鉆進(jìn)，即成孔和埋設(shè)管棚一次完成。該技術(shù)的特點(diǎn)在于以管棚鋼管作為鉆桿進(jìn)行導(dǎo)向鉆進(jìn)，同時(shí)配備導(dǎo)向儀，由位于鉆頭內(nèi)的傳感器將信號通過鉆桿內(nèi)的電纜直接傳輸?shù)竭h(yuǎn)程顯示器上，實(shí)時(shí)監(jiān)測鉆頭的鉆進(jìn)方位。根據(jù)打設(shè)長度、設(shè)計(jì)線路鉆進(jìn)軌跡(預(yù)設(shè)鉆進(jìn)角度)，在導(dǎo)向系統(tǒng)的監(jiān)測下進(jìn)行鉆進(jìn)。鉆進(jìn)時(shí)，高壓液體通過鉆桿、管棚鋼管，從鉆頭前端射出，沖刷前方土體，同時(shí)鉆桿旋轉(zhuǎn)向前推進(jìn)。管棚糾偏主要通過采用導(dǎo)向鉆進(jìn)專用鴨(斜)板式鉆頭(內(nèi)設(shè)單向閥)實(shí)現(xiàn)。完成跟管鉆孔深度后，撤出內(nèi)部導(dǎo)向器具，然后封閉管口，向內(nèi)部注入水泥漿或水泥砂漿。

3.3 適用性分析(表4)

長距離管棚施工，導(dǎo)向鉆進(jìn)是整個(gè)管棚施工過程的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，整個(gè)過程導(dǎo)向孔成功與否直接關(guān)系到管棚施工的成敗。而導(dǎo)向系統(tǒng)的選擇又受到管棚施工方法、管棚埋置深度以及周邊環(huán)境等因素的制約，目前市場上常用的導(dǎo)向系統(tǒng)有無線導(dǎo)向系統(tǒng)、地磁導(dǎo)向系統(tǒng)和有線導(dǎo)向系統(tǒng)。經(jīng)過市場調(diào)研，結(jié)合不同導(dǎo)向系統(tǒng)的適用性，對上述兩種長距離管棚施工技術(shù)的適用性進(jìn)行分析。

(1)從目前市場應(yīng)用情況來看，拉管法多應(yīng)用于城市地下管線非開挖敷設(shè)施工，該類工程的特點(diǎn)是：管線埋設(shè)深度淺(一般不大于10 m)、施工距離長(一般都在100 m以上)、鉆孔及管線線形靈活度高(可以同時(shí)在平面和深度方向以曲線形式通過)。在地下工程應(yīng)用中，在橋涵頂進(jìn)施工中應(yīng)用較多，這類工程的特點(diǎn)是覆土很小且頂部多為平直結(jié)構(gòu)，但是在地下工程應(yīng)用中管棚敷設(shè)方式均為直線形布置，目前尚無類似城市地下管線進(jìn)行曲線埋設(shè)的案例。

表4 長距離管棚施工方法適用性對照

(2)拉管法施工導(dǎo)向孔多采用無線地下定位系統(tǒng)。無線導(dǎo)向系統(tǒng)因需要導(dǎo)向人員手持接收儀，沿鉆進(jìn)路線尋找接收從地下鉆頭內(nèi)信號棒發(fā)出的信號，因此更適用于結(jié)構(gòu)埋深淺，地面施工場地相對開闊的環(huán)境，同時(shí)管棚距離較長時(shí)優(yōu)勢更為突出。

(3)跟管鉆進(jìn)法在地下工程應(yīng)用中相對較多，其導(dǎo)向鉆進(jìn)多采用有線儀器定向系統(tǒng)，不受地面交通以及地上、地下建(構(gòu))筑物影響，適用范圍也更為廣泛。有線導(dǎo)向系統(tǒng)不能控制鉆進(jìn)過程左右方向位移偏差，無法對位于曲線地段管棚施工進(jìn)行水平方向和埋深情況進(jìn)行定位，因此無法進(jìn)行曲線地段的管棚施工。

小學(xué)生的思維以具體形象為主要形式，離不開形式和操作，教學(xué)中應(yīng)放手學(xué)生操作，在實(shí)際動手中探究，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。

4 本工程管棚施工方案選擇

4.1 可行性分析

(1)管棚設(shè)置段落為高填方路基，路基兩側(cè)主要為果園，地勢平坦，地形條件簡單，周邊分布有自來水管、超高壓燃?xì)夤芫€等地下管道工程，埋深較淺(不超過2 m)。對管棚施工形成制約因素的主要為超高壓燃?xì)夤芫€，兩端平面上可用以工作施工豎井布置的范圍分別為7～10 m和50～60 m，滿足超長管棚施工的空間需求。

(2)管棚施作段落地層主要為黏土、粉質(zhì)黏土，地下水含量較少，水位較深，地層條件滿足長距離定向鉆機(jī)鉆進(jìn)施作的適用條件。

(3)有線導(dǎo)向系統(tǒng)為水平直線鉆進(jìn)過程中相對導(dǎo)向糾偏，而非類似盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的坐標(biāo)式導(dǎo)向方式，無法從真正意義上對曲線地段鉆桿鉆進(jìn)軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤；而采用水平導(dǎo)向鉆進(jìn)技術(shù)拉管法施工具備進(jìn)行曲線地段管棚施工的可能，但是受本工程地形及周邊環(huán)境條件影響，需對其導(dǎo)向系統(tǒng)的適用性結(jié)合本工程進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。

(4)根據(jù)水平導(dǎo)向鉆進(jìn)技術(shù)拉管法施工在城市地下管線、石油管線敷設(shè)方面的應(yīng)用情況，采用拉管法施工具備進(jìn)行曲線地段管棚施工的可能。但是本工程管棚施工精度要求高，穿越段落埋深相對較深，地面高低不平，道路交通繁忙，采用從一側(cè)向另一側(cè)一次性鉆進(jìn)拉管法施工超長管棚，應(yīng)用地面信號接收系統(tǒng)對導(dǎo)向鉆進(jìn)進(jìn)行無線跟蹤定位困難。另外，采用拉管法進(jìn)行管棚曲線施工，目前尚無施工先例，需要進(jìn)行相關(guān)方面的研究和試驗(yàn)工作。

4.2 預(yù)期施工效果評價(jià)

(1)采用拉管法施工，管棚鋼管從一側(cè)向另一側(cè)貫通施作，鉆孔過程及加拖拉管進(jìn)行相互校驗(yàn)，可控制鋪管方向，質(zhì)量控制效果較好。

(2)根據(jù)調(diào)研結(jié)果，在保證導(dǎo)向系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性的前提下，拉管法管棚施工精度為20 cm，可有效保證整個(gè)段落的管棚的支護(hù)效果。

(3)管棚鋼管沿線路方向結(jié)構(gòu)輪廓線外均勻布置，管棚施工完成即可形成有效的支護(hù)作用，在無需其它輔助加強(qiáng)的情況下，即可進(jìn)行隧道開挖。

(4)管棚施工效果受鉆孔導(dǎo)向系統(tǒng)的可靠性和鉆機(jī)制約，需通過現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行導(dǎo)向系統(tǒng)綜合比選。

4.2.2 采用導(dǎo)向跟管鉆進(jìn)法施工

(1)采用有線導(dǎo)向鉆進(jìn)技術(shù)，可以有效解決埋深較深的情況下無線導(dǎo)向信號接收效果較差無法進(jìn)行有效導(dǎo)向的問題。

(2)管棚施工采用跟管鉆進(jìn)法施工，有效解決了鉆孔塌陷問題，成孔速度較快，操作簡單、施工便利，效率較高。

(3)管棚采用兩端分別打設(shè)中間搭接的方式施工，減小管棚鋼管獨(dú)頭鉆進(jìn)長度，降低管棚施工難度。

(4)本方案的主要缺點(diǎn)是受施工工藝的限制，不能進(jìn)行管棚曲線施工，在平面及縱向均采用直線鉆進(jìn)施工，因線路自身曲線的影響，造成管棚施工完成后，管棚距隧道開挖輪廓線水平最大偏差為23 cm。

(5)本方案的第二個(gè)缺點(diǎn)就是由于管棚施工精度相對較低(3‰～8‰)，同時(shí)考慮線路曲線影響，管棚施工預(yù)留外放尺寸較大，造成隧道開挖后局部段落開挖輪廓線與管棚間產(chǎn)生較厚的土體夾層，易產(chǎn)生掉快超挖現(xiàn)象，隧道開挖過程需補(bǔ)充施作超前小導(dǎo)管進(jìn)行加強(qiáng)。

4.3 管棚施工方案綜合比選

本工程在下穿六環(huán)路段落的主要受控因素有以下3個(gè)方面：

(1)隧道同時(shí)位于平面和豎向曲線上，長距離超前支護(hù)一次性施工精度要求高；

(2)下穿段為土質(zhì)地層，超前支護(hù)應(yīng)盡可能小地避免對地層的擾動，隧道開挖施工風(fēng)險(xiǎn)較??；上跨道路交通繁忙，施工要求高，如若施工控制不到位，引起地表道路變形過大影響其正常使用，容易產(chǎn)生較大的社會影響；

(3)附近分布有多處超高壓燃?xì)夤芫€，豎井等臨時(shí)施工空間布局受限。

因此，需根據(jù)場區(qū)內(nèi)地質(zhì)地層條件、周邊施工環(huán)境、國內(nèi)施工水平等因素，對上述超前支護(hù)方案進(jìn)行綜合比較選擇，保證工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性。管棚施工方法優(yōu)、缺點(diǎn)對照見表5。

表5 管棚施工方法優(yōu)、缺點(diǎn)對照

通過上述管棚施工方法的綜合比較，采用導(dǎo)向跟管鉆進(jìn)法兩側(cè)相向?qū)Υ蚴┕ぃ芘锸┕るy度相對較低、施工效果易控制，施工工藝成熟，在滿足及隧道開挖前一次性施作超前支護(hù)的前提下，可以達(dá)到較好的支護(hù)效果，保證隧道安全施工。

5 結(jié)語

(1)目前國內(nèi)長距離管棚施工技術(shù)在城市鐵路隧道工程建設(shè)中的研究和應(yīng)用尚處于起步階段，曲線長距離管棚施工更是尚無施工先例，綜合現(xiàn)有工藝水平、施工效果、工程可控性、施工環(huán)境要求等因素，推薦采用有線導(dǎo)向系統(tǒng)，一次性跟管鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行長距離超前管棚施工。

(2)長距離管棚一次性施作，在鉆進(jìn)過程受鉆具自重影響，鉆具前端易下垂，對管棚鉆進(jìn)施工及其糾偏能力提出了較高的精度要求，管棚外放尺寸過小容易造成管棚侵限，過大易造成拱部開挖掉塊及隧道超挖，因此，管棚施工外放尺寸應(yīng)該是今后長距離管棚應(yīng)用研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

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Study on Pipe Roof Design of Shallow Tunnel on High-speed Railway

ZHU Guo-wei

(Project Management Center of China Railway Corporation， Beijing 100844， China)

The Gaoliying tunnel on Beijing～Shenyang high-speed railway passes through Suanzaoling interchange on the sixth ring road， where soil， sandy strata of poor stability and high underground water level are encountered， and shallow excavation is employed. Advanced pipe roof support is one of the most difficult sections of excavation. Calculation and analysis are conducted with reference to practices of and researches on advanced pipe roof construction， and guide pipe drilling method on both sides to rally for one-time construction with advanced support is determined to ensure the safety of structure and normal road traffic．

High speed railway; Railway tunnel; Advanced support; Advanced pipe roof

2015-03-17；

2015-05-05

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃課題(2014G004-K)

朱國偉(1971—)，男，高級工程師，1993年畢業(yè)于西南交通大學(xué)地下工程與隧道工程專業(yè)，E-mail：ggzxzhuguowei@sina.com。

1004-2954(2015)10-0089-05

U238； U452.2

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.10.021