超長管幕施工技術在淺埋暗挖隧道中的應用

彭 龍，卞桂榮，曹豪榮

（1. 中交第三航務工程局有限公司，上海 200032；2. 中南大學，湖南 長沙 410075）

新建北京至沈陽客專高麗營隧道地處北京市順義、昌平郊區(qū)平原，起止里程DK33+310～DK34+510，全長1200m，暗挖段430m，共設計2個豎井；其中在DK34+079～DK34+160段下穿1根Φ700超高壓燃氣管、1根Φ250石油管道、2根Φ1000超高壓燃氣管線以及1根Φ500超高壓燃氣管線，如圖1所示。該段隧道地面覆土5.0～7.2m，穿越地層以黏土為主，屬Ⅵ級圍巖。超高壓天然氣管道和石油管道管距隧道拱頂僅3.9～5.7m，設計采用超前管幕+格柵鋼架支護結構和雙側壁導坑施工方法。

1 超前管幕設計

DK34+079～DK34+160段超前管幕為Φ299×15mm鋼管，環(huán)向間距400mm，共55根，鋼管間采用外接式鎖扣進行連接，鎖扣材料為80×50×8mm角鋼，如圖2所示。管幕水平方向采用直線打設，豎直面上分別沿線路坡度打設，即DK34+079～DK34+160段設計為10.9‰的上坡，長81m。為了提高管幕的抗彎能力，鋼管打設完畢后對其進行水泥砂漿或水泥凈漿封孔注漿。

2 “無線導向、前拉后頂擠擴孔拉管”超長管幕施工方法

2.1 基本思路

技術資料調(diào)查發(fā)現(xiàn)，長度超過80m的帶鎖扣超前管幕施工案列在國內(nèi)少見，且高麗營隧道上方管線復雜，沉降和隆起控制要求嚴格，施工難度大。為此，借鑒非開挖水平定向鉆進技術，提出了“無線導向、前拉后頂擠擴孔拉管”的超長管幕施工方法。該方法的基本思路是：首先，由定向鉆孔設備在無線導向儀的指引下，將導向鉆桿打入到另外一側的接收井中，形成小孔徑定位引孔；進而在鉆桿尾端連接回擴頭，對定位引孔進行多次擴徑，直至預定孔徑；最后進行管幕回拉安裝。

2.2 工藝流程及關鍵步驟

圖1 高麗營隧道下穿超高壓燃氣管線段縱斷面圖

圖2 超前管幕布置及鎖口圖

“無線導向、前拉后頂擠擴孔拉管法”超長管幕工藝流程如圖3所示，關鍵施工步驟如圖4所示。結合依托工程，具體可描述為：

圖3 超前管幕前拉后頂擠擴孔拉管法

先采用Φ89mm地質(zhì)鉆桿從出口明挖段向2#豎井進行引孔，引孔出洞后將同管幕鋼管直徑稍大的錐形擴孔鉆頭連接到Φ89地質(zhì)鉆桿上，回拉擴孔至出口明挖段（DK34+160處）。然后將Φ89地質(zhì)鉆桿再鉆進至2#豎井中，再將錐形擴孔鉆頭通過自制拉鼻子和分動器連接管幕鋼管，采用前拉后頂?shù)姆绞綄⒐苣讳摴苡?#豎井拉至出口明挖段處，引孔過程中采用無線導向技術導向。

3 施工過程

3.1 引孔鉆孔

為盡量減少長距離鉆進過程中鉆桿下?lián)?，?yōu)選了GP40鉆機和Φ89地質(zhì)鉆桿，并根據(jù)鉆孔長度預抬一定角度和安裝1個帶2個小孔的斜板式導向鉆頭，以便于在鉆進過程中能夠進行糾偏。泥漿泵將沖洗液先注滿幕管，然后沖洗液通過2個小孔高壓噴射出去，對土體進行切割破除。鉆頭楔形板旋轉頂進過程中同時對土體進行修復性切割，使土體形成略大于管徑的孔。原地層渣土通過與沖洗液的攪拌形成泥漿，泥漿從管壁與土體之間的間隙中外流，直至流到孔口。如此循環(huán)，管幕不斷前進（見圖5）。

現(xiàn)場沖洗液采用高效膨潤土造漿護壁，根據(jù)不同地質(zhì)條件泥漿比重控制在1.1～1.3，粘度在30～40s左右，PH值控制在8.5～10。泥漿采用機械攪拌，拌制均勻，時間不少于7min，泥漿用量一般為孔徑的3倍左右，鉆進過程中為減少泥漿損耗，采用泥漿回收系統(tǒng)，經(jīng)過處理后循環(huán)利用。為防止地面沉降，嚴格控制出泥量，須通過回水閥門與密封盒的有效控制，始終保持回漿量小于進漿量。施工時，嚴格控制循環(huán)泥漿回流泥砂量，要求定向鉆進中堅持“以保為主，以糾為輔”的原則。在施工中，根據(jù)地層情況對技術參數(shù)進行適時調(diào)整。

圖4 超前管幕施工步驟

圖5 引孔鉆進

3.2 回拖擴孔

引孔完成后即可進行回拖擴孔施工。在2#豎井內(nèi)拆除楔形板導向鉆頭，安裝錐形擴孔鉆頭即可進行回拖擴孔。為將地層沉降減至最小，擴孔器直徑320mm，略大于管幕鋼管，見圖6。

圖6 擴孔器

3.3 管幕鋼管頂進

擴孔完成后即可進行管幕鋼管的施工。為確保燃氣管線和地層不會產(chǎn)生較大隆起，管幕鋼管采用液壓緩慢頂進的方式進行。將擴孔鉆頭再次推進至2#豎井內(nèi)，連接1個萬向頭和自制的拉鼻子，再連接管幕鋼管（見圖7）。采用GP40鉆機前拉、GM800鉆機后頂，確保管幕沿預定軌跡前行。

圖7 分動器、拉鼻子和管幕鋼管

3.4 導向、糾偏控制

引孔導向精度的控制是決定管幕施工成敗的關鍵因素。為實時得到引孔鉆頭的位置和方向，在引孔鉆頭部位安裝無線導向信號棒，根據(jù)鉆進過程中鉆頭的位置、方向與設計軌跡的差異，利用能進行調(diào)節(jié)方向的楔形板鉆頭改變鉆進方向，實現(xiàn)導向糾偏和控制。其原理為：通過無線導向儀實時捕捉鉆頭部位的仰俯角度和楔形板的朝向；當鉆頭處角度低于設計軌跡角度，則將楔形板旋轉至正上方，通過土層的反作用力產(chǎn)生向上前進的趨勢，鉆進角度逐漸上升，達到往上糾偏的效果；角度達到設計規(guī)定后再繼續(xù)旋轉前進。同理，上、下、左、右各個方向均可以進行糾偏。鉆進過程中，鉆機操作人員通過無線導向儀上的傾角值對鉆頭傾角進行控制，傾角偏差控制在±0.3%以內(nèi)，測試頻率為每米或每節(jié)鉆桿1次。

為保證引孔精度，地面上由全站儀將擬施做的管幕每隔5m一個點放樣并掛線，同時測出地面高程，計算出每處的地面高程和管幕中心的高差，用以輔助校驗無線導向。

3.5 配管、打設順序及管幕鋼管連接

（1）配管。各孔位以3m節(jié)的鋼管為主要施工管，前端鉆頭配1m、1.5m和2m節(jié)不同長度管將相鄰孔位的管接縫錯開，最后1節(jié)管根據(jù)設計長度要求配，如此則可滿足每個斷面管口接縫小于整體管幕的50%。

（2）打設順序。超前管幕由中間高孔位開始向兩側低孔位逐個進行打設施工。

（3）管幕鋼管連接。采用坡口焊接，并用小片的6mm厚鋼板在接頭處焊接加固，鎖口位置要定位準確，如圖8所示。

圖8 管連接

3.6 注漿

（1）安裝好管幕且驗收合格后，即對管內(nèi)和管外進行注漿。漿液由ZJ-400高速制漿機拌制。

（2）注漿材料：注漿材料為M5水泥砂漿和1∶1水泥漿。

（3）注漿主要對管內(nèi)及管外環(huán)狀間隙進行充填，封孔注水泥砂漿從孔口開始，漿液通過管幕，充填鋼管；管外采用1∶1水泥漿從管頭鋼管外環(huán)狀間隙處安裝注漿管，管內(nèi)空氣則通過設置在孔口密封裝置上的排氣孔排除，當排氣孔流出漿液后，關閉排氣孔，繼續(xù)灌注漿，使?jié){液充滿鋼管及周圍空隙。注漿壓力控制在0.3～1.0MPa，根據(jù)單孔孔內(nèi)情況靈活控制泵壓。當排氣孔流出漿液后，關閉排氣孔，續(xù)灌注漿，孔內(nèi)壓力保持在0.2～0.5MPa范圍內(nèi)，穩(wěn)定3～5min后停止注漿；第1次注漿結束后，停留6～7h進行2次補漿，2次補漿壓力控制在0.5～0.8MPa。注漿要有保壓措施，環(huán)狀間隙保壓靠單向閥與關閉回水閥門及孔口密封；幕管內(nèi)保壓靠單向閥與孔口密封裝置。

注漿量應滿足設計要求，若注漿量超限，未達到壓力要求，應調(diào)整水泥漿液濃度繼續(xù)注漿，確保鉆孔周圍土體與鋼管周圍孔隙充填飽滿。

4 監(jiān)控量測

超前管幕施工過程中，主要對地表沉降以及管線變形進行監(jiān)測。地表沉降觀測點每條燃氣管線左右側附近布設18個，管道正上方布設2個，共3個斷面。使用水準儀進行觀測，參照二等水準測量規(guī)范要求建立水準測量監(jiān)測網(wǎng)，監(jiān)測頻率和預警值見表1和表2。

表1 監(jiān)測頻率

表2 監(jiān)測數(shù)據(jù)控制值

實際施工過程中，采用雙控指標，即實測絕對值和速率值。設F=實測值/控制標準值，同時滿足沉降速率小于3mm/d。（1）當F＜0.6時：安全，正常施工；（2）當0.6≤F＜0.8時：預警，分析原因，加強監(jiān)測，通知施工單位準備補救措施；（3）當0.8≤F＜1.5時：警戒，停止施工，采取補救措施，避免沉降值進一步增加。監(jiān)測頻率加密為4次/d，并立即向建設單位、產(chǎn)權單位、設計單位、監(jiān)理單位匯報情況；（4）當F≥1.5時，應馬上通知權屬單位進場搶險，現(xiàn)場全面防火防爆。

對已完成管幕區(qū)域內(nèi)的燃氣管線監(jiān)測的累計最大沉降量為3mm＜20mm（要求值），燃氣管線每延米差異最大沉降值為0.5mm/m＜3mm/m（要求值），超前管幕施工時的燃氣管線沉降滿足控制要求。

5 施工注意事項

結合高麗營隧道施工實踐情況，“無線導向、前拉后頂擠擴孔拉管法”管幕施工還應注意以下事宜：

（1）管幕鉆進前對鉆機定位、方位、傾角以及導向儀顯示情況進行全面復檢，確認正常后進行施鉆。鉆進時產(chǎn)生坍孔、卡鉆時，需補探明情況后再鉆進。

（2）鉆機開鉆時，應低速低壓，待成孔10m后可根據(jù)地質(zhì)逐漸調(diào)整鉆速及風壓。鉆進過程中用導向裝置實時對鉆進軌跡進行追蹤、糾偏，并根據(jù)鉆進的狀態(tài)判斷成孔質(zhì)量，及時處理鉆進過程中出現(xiàn)的事故。

（3）鉆進過程中確保動力器、扶正器、合金鉆頭按同心圓鉆進。認真作好鉆進過程的原始記錄，及時對孔口渣土進行地質(zhì)判斷、描述，作為洞身開挖時的地質(zhì)預測預報參考資料，從而指導洞身開挖。

（4）不得采用水循環(huán)大擴孔方法，防止引起地層擾動導致地面沉降。為減少管幕施工的累計誤差，采用多基準管順序施工。為了減少管道與周邊土體的摩擦力，可以在鋼管四周打上蠟。

（5）水平鉆進中受鉆具自重影響，鉆具前部產(chǎn)生下垂現(xiàn)象：鉆具順時針旋轉，產(chǎn)生右旋力，造成鉆孔偏斜。因此確定開孔角度時，根據(jù)經(jīng)驗和試驗孔成果，需要給開孔方位角與垂直角以合理的糾偏值，并根據(jù)已成孔測斜結果隨時予以調(diào)整糾偏角度。開孔方位=隧道走向+鉆孔放射角水平分量+水平糾偏角；開孔仰角=鉆孔放射角垂直分量+鉆進糾偏垂直角。

（6）對軟硬不均地層，鉆進時宜采取低壓、慢轉、快速給進的鉆進方法，遇有情況慎重處理，不得盲目加壓，增轉速。對軟一流塑狀態(tài)的地層，鉆進時應采用低泵壓、慢轉速、快給進的鉆進方法。

（7）回拖孔孔徑不宜過大，宜為回托鋼管管徑的1.0～1.5倍。現(xiàn)場根據(jù)地層情況可采用邊回拖擴孔邊拖鋼管或一次性回擴孔后回拖鋼管，這樣能較好的減少地層沉降。

（8）孔內(nèi)和孔外注漿要及時跟進，早注漿早控制沉降。引擴孔時泥漿液的性能要根據(jù)地層情況適時調(diào)整，確保達到泥漿護壁效果。

6 特殊問題處理措施

“水平定向鉆進、前拉后頂擠擴孔拉管法”施工超前管幕關鍵在于引孔成孔的精度，以及引孔的軌跡和設計軌跡的偏差。因而，引孔鉆進糾偏需要小幅度調(diào)整、實時調(diào)整，讓引孔軌跡盡量平滑、順暢，保證后續(xù)施工的拉管管幕在頂進過程中不會脫扣。引孔鉆進過程中，檢查鉆機鉆桿傾斜情況以及泥漿性能，督促換漿。如遇以下情況，應及時采取控制措施：

（1）在鉆進中若遇飽和水土層，有可能出現(xiàn)鉆孔糾偏效果不理想，引孔軌跡成蛇形，對后續(xù)擴孔和拉管會產(chǎn)生不利影響，應采取如下措施：①遇到鉆孔糾偏不理想的情況，如經(jīng)分析可能是循環(huán)泥漿積存土層中軟化了土體導致糾偏效果不理想，可以直接將楔形板鉆頭調(diào)整到需要糾偏的反方向，鉆頭不轉動，直接頂進100～200cm，再進行旋轉頂進，查看糾偏效果；若還是效果不大，可以加大直接頂進的長度，直到鉆孔糾偏過來；反之，則可以減少直接頂進的長度。②對孔外土體進行注水泥漿加固，固結前方軟弱土體，在水泥漿初凝后終凝前鉆進通過該處土體，注漿量不宜過大，否則會影響后續(xù)擠擴孔的施工。

采取以上措施后，如無異常，可繼續(xù)鉆進施工，并時刻觀察異樣現(xiàn)象。若采取以上措施還無法進行正常鉆進時，可采取混合漿液置換充填措施，并及時制定處理方案。

（2）超前管幕段地表和地層上方土體中有較多干擾物，干擾無線探棒信號的接收，無法正確指導鉆進糾偏的施工，應采取以下處理措施：①排除地表干擾物；②對于燃氣管線可以將無線接收器在管道前后方來回多次測試，綜合考慮偏差值，以控制鉆孔的偏差；③如遇信號干擾嚴重，無線探棒無法正常工作時，可以采用有線探棒進行輔助糾偏。

（3）鉆進施工中，如遇不可鉆異（硬）物，需慎重對待，并采取以下處理措施：①鉆進中確認遇異物立即停止鉆進，不準抱著鉆鉆看的態(tài)度蠻鉆，及時向有關方匯報；②首先校正鉆孔角度，排除上仰超限的可能性；③確定異物空間位置，調(diào)查異物類型與來源，探尋可繼續(xù)鉆進的鉆進工藝變更方案；④為保證管幕打設質(zhì)量，嚴格崗位責任制和逐級匯報制度，科學施工，杜絕蠻干。

7 結束語

高麗營隧道2#豎井施工完成13根81m長Φ299×12mm的管幕，單根管幕打設有效長度誤差均≤100mm，管幕打設偏斜誤差≤100mm，滿足設計要求，為后續(xù)暗洞開挖提供了有力的安全保證。實踐表明，“無線導向、前拉后頂擠擴孔拉管”超長管幕施工法成功克服了螺旋出土頂進法施工超前管幕時產(chǎn)生旋轉力量將管幕鋼管帶偏的難題，同時也具有很好的地層變形控制能力，非常適合車站等一些特大斷面隧道、重要下穿工程或超淺覆蓋、對地面沉降要求較高而水文地質(zhì)情況特別復雜的地下空間的超前支護。

經(jīng)實踐，該施工技術優(yōu)缺點有：（1）能夠較好的控制超前管幕的頂進方向，確保超前管幕鎖扣連接質(zhì)量及成型效果；（2）采用前拉后頂方法，解決了回拉過程中因單端動力負荷過大而易引起抱鉆的風險；（3）無線導向儀能夠?qū)崟r進行糾偏，糾偏效果比較直觀，易于操作；（4）地面沉降量相比較螺旋出土頂進法施工較大；（5）干擾源較多時，無線導向儀器易無法正確導向；（6）該方法工序較多，施工周期較長，成本投入較大。