管棚施工技術(shù)哈爾濱地鐵教化廣場站施工中的應(yīng)用

孫顯峰

摘 要：簡要介紹在哈爾濱軌道交通一號(hào)線教化廣場站施工過程中，在車站1、2號(hào)風(fēng)道施工中采用Φ108大管棚對(duì)車站暗挖結(jié)構(gòu)施工進(jìn)行超前支護(hù)的施工情況，并對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。地面沉降監(jiān)測表明，其最終沉降值都在事先預(yù)定的沉降范圍內(nèi)，為暗挖施工提供了安全保障。

關(guān)鍵詞：非開挖；管棚技術(shù)；地下定位系統(tǒng)

一、概述

管棚法施工技術(shù)，是一種水平定向鉆進(jìn)技術(shù)，屬于非開挖技術(shù)的一種，衍生自原始鉆探技術(shù)并逐漸發(fā)展起來的一種新興技術(shù)，最早是作為隧道施工的一種輔助方法，是在不破壞地表的情況下鋪設(shè)各種地下管線的技術(shù)，因此，廣泛應(yīng)用在城市地鐵、市政管線等地下工程施工中。

管棚鉆機(jī)是管棚法施工技術(shù)中最關(guān)鍵的設(shè)備，它的作用是沿著隧道斷面外輪廓超前鉆進(jìn)并安設(shè)管棚。最早的管棚法施工采用的是普通水平鉆機(jī)，隨著管棚法大量應(yīng)用，專用管棚鉆機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，水平定向鉆進(jìn)技術(shù)特點(diǎn)是利用鉆桿固有的剛度和柔性，在導(dǎo)向系統(tǒng)的監(jiān)測下沿設(shè)計(jì)線路軌跡鉆進(jìn)，到達(dá)目的地，卸下鉆頭換上擴(kuò)孔器進(jìn)行回?cái)U(kuò)孔拖管或直接在管頭安裝擴(kuò)孔器，一次完成管的安裝。哈爾濱軌道交通一號(hào)線教化廣場站工程成功的應(yīng)用了這一技術(shù)，在車站1、2號(hào)風(fēng)道施工了Φ108大管棚，對(duì)地層進(jìn)行超前支護(hù)，為后續(xù)采用暗挖工法施工風(fēng)道提供了安全保障并加快了施工進(jìn)度。

二、工程概況

教化廣場站位于西大直街與上夾樹街、春明街交叉口，沿西大直街布置。西大直街路面車流量大，兩側(cè)建筑物較多，主要建筑為哈特商務(wù)酒店、工大集團(tuán)大廈、名人俱樂部、哈爾濱鐵路局工程總公司及物資公司、哈鐵五中、中國農(nóng)行黑龍江分行等。1、2號(hào)豎井分別為1、2號(hào)風(fēng)道明挖結(jié)構(gòu)。其中1號(hào)豎井位于車站的西北側(cè)的哈鐵五中后院內(nèi)；2號(hào)豎井位于車站的東北側(cè)。該站位于哈爾濱市市區(qū)內(nèi)繁華路段，是哈爾濱市的交通干道，地面交通繁忙，車站主體設(shè)計(jì)為地下兩層三跨框架結(jié)構(gòu)，地下一層為站廳層，地下二層為站臺(tái)層。車站外包長度為142.2米，標(biāo)準(zhǔn)段凈寬度24米，中跨最大凈高14.23米，標(biāo)準(zhǔn)段頂拱最小覆土厚度9.5米，風(fēng)道頂拱最小覆土厚度4.5米。在結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)，埋設(shè)有通信光纜（最大埋設(shè)深度1.9米）和上水管線（最大埋設(shè)深度3.4米）。車站主體結(jié)構(gòu)和風(fēng)道采用暗挖法進(jìn)行施工，因此為了保證安全和進(jìn)度，教化廣場站1、2、風(fēng)道在進(jìn)行施工設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)采用了Φ108大管棚作為超前支護(hù)，管棚沿初期支護(hù)拱部環(huán)向布置，環(huán)向間距0.3m，比初期支護(hù)開挖輪廓面抬高15cm。

三、大管棚施工過程

（一）施工前準(zhǔn)備情況

1.技術(shù)準(zhǔn)備

熟悉設(shè)計(jì)圖紙，針對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)，選擇Φ108大管棚施工的鉆孔機(jī)械和注漿設(shè)備，參考類似工程應(yīng)用該技術(shù)的情況和所取得的經(jīng)濟(jì)效益，初步擬定先在2號(hào)風(fēng)道35米長的管棚進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)，為大規(guī)模施工進(jìn)行相關(guān)工藝和技術(shù)參數(shù)驗(yàn)證。通過考察選擇了兩個(gè)管棚施工單位，編制了施工方案，經(jīng)與甲方代表、監(jiān)理、管棚施工單位共同對(duì)方案進(jìn)行了研究討論，決定在2號(hào)風(fēng)道采用北京中海恒通公司生產(chǎn)的水平鉆機(jī)進(jìn)行施工。其主要工作原理是：在作業(yè)面設(shè)置導(dǎo)向管，采用預(yù)拌制膨潤土泥漿做護(hù)壁，利用導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行定向并進(jìn)行糾偏，鉆進(jìn)成孔一次完成并成孔安管；本次實(shí)地試驗(yàn)導(dǎo)向系統(tǒng)采用美國DCI公司生產(chǎn)的ECLIPSE無線地下定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括地面接受器及遙控顯示，地面接受器通過接收鉆頭內(nèi)無線探棒發(fā)射的信號(hào)，探測鉆頭的具體位置，遙顯上顯示鉆頭鐘面值及溫度和接受器探測的鉆頭深度；鉆機(jī)操作人員根據(jù)接收器探測結(jié)果，在導(dǎo)向人員指揮下，對(duì)鉆頭偏離設(shè)計(jì)軌跡時(shí)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，確保鉆頭沿設(shè)計(jì)軌跡鉆進(jìn)。

2.設(shè)備準(zhǔn)備

本次施工1號(hào)風(fēng)道大管棚施工采用北京中海恒通公司生產(chǎn)的水平鉆機(jī)，一次成孔工藝，因此在首節(jié)Φ108管內(nèi)即安裝無線探棒，便于地面探測接收儀器跟蹤成孔情況，以便于在鉆進(jìn)過程中采用糾偏措施，管端頭加工成45o的斜角，斜面上焊接一塊比Φ159管直徑大20mm的20mm厚的鋼板作為鉆頭。

3.材料準(zhǔn)備

Φ108大管棚主體材料以及水泥、膨潤土等輔助材料進(jìn)場，經(jīng)監(jiān)理驗(yàn)收并復(fù)試合格后，方可對(duì)進(jìn)場的Φ108管進(jìn)行加工。由于受豎井場地的限制，將整根Φ108管加工成3米一節(jié)，每節(jié)在施工過程中采用焊接連接。本次施工經(jīng)過粉質(zhì)粘土地層，考慮地質(zhì)條件較差，為防止因鉆機(jī)施工而導(dǎo)致泥漿護(hù)壁失穩(wěn)造成地面出現(xiàn)大的沉降，造成阻斷交通的險(xiǎn)情發(fā)生，特別制定在108管管身不鉆孔，采取在第一節(jié)管端加工成斜角的封端處鉆一個(gè)直徑10mm的出漿孔，由此處在鉆進(jìn)過程中提供泥漿，經(jīng)過機(jī)器旋轉(zhuǎn)形成泥膜進(jìn)而形成泥漿護(hù)壁。泥漿池在豎井內(nèi)部不妨礙施工的位置設(shè)置。

4.施工現(xiàn)場準(zhǔn)備

在即將施工的位置，按照?qǐng)D紙?jiān)O(shè)計(jì)位置，在外放10cm后，使用白色自動(dòng)噴漆，在圍護(hù)樁樁體上噴涂標(biāo)記出管棚位置，并使用水鉆進(jìn)行開孔作業(yè)，搭設(shè)管棚施工工作平臺(tái)，在工作面上按已施測的管棚位置點(diǎn)安裝Φ200，600mm長導(dǎo)向管，砌筑泥漿池，制備膨潤土泥漿。鉆機(jī)就位調(diào)試。

（二）施工實(shí)施過程（以1號(hào)風(fēng)道管棚施工為例）

施工準(zhǔn)備工作完成后，啟動(dòng)鉆機(jī)，安裝首節(jié)Φ108管，同時(shí)，在管內(nèi)安裝探測系統(tǒng)，設(shè)定上傾角設(shè)為1o，啟動(dòng)泥漿泵和鉆機(jī)開始鉆進(jìn)，地面探測儀器跟蹤進(jìn)尺情況進(jìn)行監(jiān)測，經(jīng)測得的數(shù)據(jù)及時(shí)反饋到鉆機(jī)操作人員進(jìn)行糾偏處理。第一節(jié)管鉆進(jìn)速度不宜過快，主要是為了在鉆進(jìn)過程中所穿越地層的地質(zhì)情況；隨著管節(jié)輸入，Φ108管管節(jié)之間進(jìn)行了點(diǎn)焊連接。為了防止泥漿護(hù)壁坍塌造成相鄰孔位處地層擾動(dòng)、貫通引起大面積地面沉降鉆孔采用跳孔法施工，每隔兩個(gè)施工一個(gè)。1#風(fēng)道Φ108管長35米，第一根管鉆進(jìn)用時(shí)約1小時(shí)，其它管平均用時(shí)約50分鐘。endprint

（三）Φ108管填充注漿

管棚施工約10根后開始注漿，主要為了減小地面因管棚施工造成的沉降。每根管棚注漿一般分4次完成注漿。Φ108管內(nèi)填充注漿采用水泥砂漿混合漿液，同時(shí)為改善水泥砂漿的和易性，按照質(zhì)量比摻入了粉煤灰，初次配合比設(shè)計(jì)為水泥：粉煤灰：砂=1：0.5：1.5。為了驗(yàn)證配合比的合理性，將第一根管棚作為試驗(yàn)管，在管內(nèi)泥漿水流干后，采用高強(qiáng)快凝砂漿對(duì)管周圍空隙進(jìn)行了封堵，并使用鋼板焊接封閉管口，在此之前將安裝有閥門的注漿管焊接在鋼板之上，同時(shí)預(yù)留了排氣孔作為排氣之用。連接好注漿管，配置好水泥砂漿后開始注漿，根據(jù)導(dǎo)管的流量計(jì)算實(shí)際注漿量，與理論注漿量0.4m3對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，實(shí)際注漿量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論注漿量，而且注漿的壓力達(dá)到了1.0Mpa以上，注漿管爆裂，針對(duì)此情況，現(xiàn)場立即停止注漿，組織技術(shù)人員和施工人員與監(jiān)理一道進(jìn)行分析產(chǎn)生此問題的原因，一致認(rèn)為是管內(nèi)排氣不暢、水泥砂漿粘度大、流動(dòng)性差等原因所致，并采取了對(duì)策，反復(fù)調(diào)整水泥砂漿的配比，最終配合比水泥：粉煤灰：砂=1：0.6：1.5；采用直徑20mm的PVC管設(shè)置通長的排氣管（34m），通過采取以上措施后，后續(xù)回填注漿量都大于理論計(jì)算量，滿足了設(shè)計(jì)預(yù)期要求，同時(shí)，經(jīng)過不間斷的監(jiān)測，管棚上方的西大直街地面沉降量，完全在預(yù)期設(shè)計(jì)的沉降范圍內(nèi)。

四、地面沉降監(jiān)測

在開始施工1、2號(hào)風(fēng)道管棚前1周左右，按照設(shè)計(jì)圖紙的要求并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，在管棚施工范圍地面上布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，對(duì)因管棚施工可能引起地面沉降的范圍進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)完畢后，在管棚施工開始前，安排監(jiān)測人員進(jìn)行量測取得初始值，此數(shù)值將作為原始數(shù)據(jù)，與后續(xù)測得同一點(diǎn)位監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，以期求出此點(diǎn)位的沉降情況，并依據(jù)數(shù)據(jù)的回歸曲線，對(duì)后續(xù)地表沉降進(jìn)行預(yù)測。

1、2號(hào)風(fēng)道Φ108管棚施工完成，風(fēng)道在暗挖初支施工完成后，按照規(guī)范所規(guī)定的的監(jiān)測頻率進(jìn)行了地面沉降監(jiān)測，通過對(duì)地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在Φ108管棚在施工過程中，很好的控制了地面沉降，都在事先預(yù)定的沉降范圍內(nèi)，保證了暗挖施工的施工安全。

地面沉降監(jiān)測參數(shù)

五、施工總結(jié)與評(píng)價(jià)

本次管棚施工主要穿越了粉質(zhì)黏土層，在現(xiàn)有的地面監(jiān)控條件下，1#風(fēng)道采用北京中海恒通公司生產(chǎn)的水平鉆機(jī)，可以在一次施工中完成成孔跟進(jìn)安管，體現(xiàn)了工序少，施工速度快等特點(diǎn)。在顧及管棚施工速度的同時(shí)，Φ108管棚的施工質(zhì)量總體較好，管棚作業(yè)過程中設(shè)備維修保養(yǎng)少，能保證管棚連續(xù)作業(yè)，從而保證了管棚施工按計(jì)劃順利完成。

管棚的施工完成質(zhì)量完全達(dá)到了設(shè)計(jì)和施工要求的效果，1號(hào)風(fēng)道開挖過程中，經(jīng)過檢查，施工的管棚形成的輪廓圓弧規(guī)則，形成一個(gè)完整的超前支護(hù)環(huán)，填充注漿效果通過在暗挖施工過程對(duì)Φ108管棚的填充注漿進(jìn)行檢查，達(dá)到了預(yù)期效果。在對(duì)廢棄的108管切割后，發(fā)現(xiàn)管內(nèi)填充密實(shí)，實(shí)踐證實(shí)了采用配合比水泥：粉煤灰：砂=1：0.6：1.5是可行的，增加通長的PVC排氣管的方法是正確的。

就此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用前景看，在暗挖風(fēng)道過程中以及施工風(fēng)道全部初支完成以后，通過對(duì)Φ108管棚施工總體質(zhì)量進(jìn)行總結(jié)分析后，我們可以認(rèn)為：采用成孔與棚管安裝一次完成的施工工法，在質(zhì)量和進(jìn)度方面可以很好的滿足要求，因?yàn)槭┕C(jī)械的靈活性，可以在某些施工作業(yè)空間比較受限的地方進(jìn)行施工作業(yè)。雖然有數(shù)據(jù)表明世界上最長的大口徑長管棚是日本八戶市一段公路隧道施工采用的管棚，全長180m，但是，成本和施工難度都是呈直線上升的，因此在成本和施工難度允許的話，Φ108管棚長度以80米為宜，否則，將難以保證施工質(zhì)量。

六、結(jié)束語

大量的工程實(shí)例證明，作為一種有效工法用管棚技術(shù)可以對(duì)地鐵暗挖施工的提供安全可靠的超前支護(hù)，對(duì)加固軟弱土體、提高不良地層剛度效果明顯，可以大大的的降低暗挖施工的風(fēng)險(xiǎn)程度。管棚施工質(zhì)量的好壞，關(guān)系著后續(xù)暗挖施工安全，因此，此項(xiàng)技術(shù)非常值得進(jìn)行深入研究。

教化廣場站的大管棚施工技術(shù)所采取的措施，在后期的施工過程中得到了很好的驗(yàn)證，證明其所選用的施工機(jī)械和注漿方式是正確的，即保證了管棚的施工質(zhì)量和進(jìn)度，同時(shí)也為其后的暗挖施工工序安全保證，減少了事故隱患。

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