卵石夾素樁地層狹小空間長大管棚施工技術(shù)研究

代洪波

1 前言

管棚支護(hù)技術(shù)由于其施工所需設(shè)備簡單、施工效率高、支護(hù)效果好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于隧道施工中。管棚支護(hù)施工方法是在隧道開挖之前，沿隧道開挖斷面外輪廓，以一定間隔與隧道軸線成一定夾角鉆孔，并插入開孔的鋼管，在鋼管內(nèi)壓注充填水泥漿增加鋼管的彎矩，并對管周圍的巖土體進(jìn)行加固，使鋼管與巖土體一體化，由管棚和巖土體構(gòu)成的棚架支撐減小巖土體沉降。

近年來隨著隧道施工條件越來越復(fù)雜，管棚施工難度越來越大。時(shí)亞昕通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定了成都砂卵石地層長距離管棚采用帶沖擊錘頭的潛孔鉆機(jī)施工的可行性；董守義通過采用破心干鉆同心跟管鉆進(jìn)、花管護(hù)壁及變濃度注漿等綜合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高水壓、高地應(yīng)力、易泥化復(fù)雜斷裂帶中的防突鉆進(jìn)與穩(wěn)壓注漿；白太亮介紹了無工作室超前大管棚施工方法在富水砂層的應(yīng)用；劉澤通過現(xiàn)場試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)超長管棚施工必須根據(jù)管棚經(jīng)過地層、深度及干擾情況選擇合適導(dǎo)向儀進(jìn)行正確導(dǎo)向；李偉采用一次成孔跟進(jìn)安管的施工工法，保證了超長管棚的施工質(zhì)量；張德華明確了“有線儀器定向，一次性跟管鉆進(jìn)工法”是一項(xiàng)可有效控制管棚超長的施工偏差、控制地表沉降及隆起的有效工法；劉勇發(fā)現(xiàn)采用潛孔錘跟進(jìn)管鉆進(jìn)法及定向糾偏等技術(shù)能較好地解決卵石地層管棚施工問題。

在盾構(gòu)隧道中管棚可為盾構(gòu)始發(fā)接收起到支護(hù)作用，但近年來盾構(gòu)隧道面臨著地層多變、環(huán)境制約等因素影響，在復(fù)雜環(huán)境下如何保證管棚打設(shè)順暢、打設(shè)精度滿足支護(hù)要求是需要研究的問題。該文以成都地鐵17號線盾構(gòu)小近距下穿運(yùn)營地鐵4號線為工程背景，研究狹小空間下卵漂石夾素樁地層長大管棚施工方法，探索提高管棚施工精度及施工工效的方法，為復(fù)雜環(huán)境下長大管棚施工提供參考。

2 工程概況

2.1 工程簡介

成都地鐵17號線一期工程位于成都市區(qū)西南方向，鳳溪河站～溫泉大道站區(qū)間盾構(gòu)在接收井附近需近距離下穿運(yùn)營地鐵4號線左右線，17號線與4號線最小間距為3.4 m，17號線隧道管片外徑為8.3 m，4號線隧道管片外徑為6 m(圖1)。

圖1 隧道縱剖面圖 (單位:mm)

為有效控制盾構(gòu)下穿4號線隧道時(shí)既有線隧道沉降，對盾構(gòu)機(jī)上方與4號線隧道下方之間的土體采用管棚加固(圖2)。管棚設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

圖2 管棚布置圖

表1 管棚設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 水文地質(zhì)

管棚所在區(qū)域地層為密實(shí)卵石土。成都地區(qū)密實(shí)卵石土呈灰色、青灰色、褐黃色，卵石含量占55%～75%，粒徑為60～180 mm，局部地段見漂石，礫石含量占15%～20%，余為細(xì)砂充填。盾構(gòu)接收井采用降水開挖，管棚打設(shè)過程中地層無水。

17號線與4號線平面重疊區(qū)域預(yù)先打設(shè)有素混凝土樁，沿17號線軸線方向布置6排，沿17號線隧道橫向布置5排，素樁直徑1 000 mm，間距1 350 mm，素樁從地面打設(shè)至17號線隧道底以下約900 mm。素樁混凝土強(qiáng)度為C25。管棚打設(shè)過程中需在密實(shí)卵石土中穿過素混凝土樁群。

3 管棚施工工藝

3.1 施工材料及設(shè)備

管棚施工時(shí)采用專用頂管管棚鉆機(jī)，管棚直徑194 mm，為了適應(yīng)卵石夾素樁地層頂進(jìn)，采用管棚壁厚16 mm，管棚材質(zhì)為P110地質(zhì)石油管。所需要的主要材料及設(shè)備如表2所示。

表2 管棚打設(shè)材料及設(shè)備

3.2 施工平臺

管棚沿盾構(gòu)接收洞門拱頂呈弧形布置，施工平臺高度應(yīng)滿足最高點(diǎn)管棚施工需要，施工平臺支架主要采用型鋼焊接制作，底部設(shè)有滾輪及軌道，可以沿接收井橫向移動，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)水平位置調(diào)整。管棚鉆機(jī)放置在施工平臺支架上，通過螺栓及手拉葫蘆將其與施工平臺支架連接，調(diào)節(jié)手拉葫蘆可實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)高度調(diào)整。

3.3 管棚打設(shè)

管棚打設(shè)流程見圖3。

圖3 管棚打設(shè)流程

管棚打設(shè)前采用水鉆工藝進(jìn)行導(dǎo)向孔鉆孔，導(dǎo)向孔宜比管棚鋼管外徑大20 mm，便于接頭處鋼管順利通過導(dǎo)向孔，導(dǎo)向孔長度不小于1.3 m，鉆孔前進(jìn)行測量對每一個(gè)孔位進(jìn)行放樣精確定位。

管棚打設(shè)采用潛孔錘沖擊成孔頂管工藝，將鉆具、沖擊鉆頭連接好并穿入作為外套管的φ194 mm×16 mm鋼管管內(nèi)，通過鉆機(jī)借助高壓風(fēng)使錘頭發(fā)生高頻率沖擊，以此來破碎鋼管前端卵石地層，通過高壓風(fēng)將破碎碎屑吹出管口，同時(shí)利用大頂力鉆機(jī)推動鉆桿、鉆頭和外套管同步向前，擠入卵石地層，從而完成管棚打設(shè)。管棚打設(shè)過程中采用水位測量技術(shù)減小管棚豎直方向累積誤差，通過可視化的連通管入口液位監(jiān)測鉆頭位置高度，避免管棚侵入4號線隧道范圍。

3.4 管棚注漿

連接注漿管路后，利用注漿泵先壓水檢查注漿管路連接處是否漏水，設(shè)備狀態(tài)是否正常，而后再做壓水試驗(yàn)，以檢查設(shè)備的完好性。管棚端部焊接封堵板，焊接2個(gè)止?jié){球閥，并在進(jìn)漿管上連接流量計(jì)及注漿芯管，出漿管口連接壓力表。

管棚注漿順序采取“由低至高、由兩端向中間、一次性注入”的原則進(jìn)行，由最低處的管棚管向高處的管棚管順序注漿。開始注漿時(shí)漿液濃度稍低，逐漸加濃至設(shè)計(jì)濃度，有利于漿液向拱頂方向擴(kuò)散，促進(jìn)漿液的致密程度，利于防滲的要求。

4 管棚施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 卵漂石夾素樁地層長大管棚打設(shè)技術(shù)

管棚施工目前常用工藝有螺旋鉆、人工洛陽鏟掏孔、夯管法、高精度水切割鉆進(jìn)法、導(dǎo)向跟管鉆進(jìn)法及潛孔錘跟管鉆進(jìn)法。對于成都大粒徑砂卵石地層，螺旋鉆無法成孔，極易卡鉆頭; 人工洛陽鏟掏孔，阻力大，掏孔時(shí)洛陽鏟碰撞卵石容易卷曲，且孔洞掏得過大時(shí)容易塌孔; 夯管法施工對于卵礫石地層，鋼管容易產(chǎn)生材料疲勞破壞而難以鉆進(jìn); 卵礫石層高精度水切割鉆進(jìn)工藝，雖然也是套管跟進(jìn)，但是對于大卵石切割難度大，楔形鉆頭碰撞卵石容易卷曲。

卵石地層采用擴(kuò)孔型潛孔錘跟管鉆進(jìn)法可實(shí)現(xiàn)長距離管棚施工。擴(kuò)孔型潛孔錘成孔直徑略大于管棚直徑，管棚頂進(jìn)后其外周形成擴(kuò)挖區(qū)域，同時(shí)錘擊作用將周圍地層擾動后形成松動區(qū)域，有效減小管棚長距離施工的頂進(jìn)阻力。潛孔錘在卵石地層與素樁中成孔存在差異，在卵石地層成孔后，孔周圍松動區(qū)域表現(xiàn)為卵石由密實(shí)變?yōu)樗缮?，管棚頂進(jìn)時(shí)可將松動區(qū)域卵石擠密，管棚頂進(jìn)阻力較??；在素樁中成孔后，孔周圍松動區(qū)域表現(xiàn)為素樁產(chǎn)生裂紋，但其仍是整體混凝土塊，管棚頂進(jìn)時(shí)松動區(qū)域無法擠密，管棚頂進(jìn)阻力較大(圖4、5)。

圖4 砂卵石層管棚成孔圖(單位：mm)

圖5 素樁中管棚成孔圖(單位：mm)

為了防止在素樁中頂進(jìn)管棚時(shí)阻力大導(dǎo)致管棚頂端變形，施工中采用壁厚16 mm的鋼管，增強(qiáng)管棚自身強(qiáng)度，實(shí)際應(yīng)用中管棚頂進(jìn)油壓最大達(dá)到21 MPa，管棚依然可以實(shí)現(xiàn)頂進(jìn)。

管棚實(shí)際施工過程中，存在頂進(jìn)困難的現(xiàn)象，尤其是在管棚進(jìn)入素樁之后。為了減小管棚頂進(jìn)阻力，對鉆機(jī)錘頭形式及管棚前端的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了研究。圖6為不同的錘頭形式，其中圖6(a)為常規(guī)潛孔錘，成孔直徑略小于管棚直徑，圖6(b)為擴(kuò)孔錘，成孔直徑略大于管棚直徑。圖7為不同的管棚前端結(jié)構(gòu)形式。

圖6 潛孔錘頭

圖7 不同管棚前端結(jié)構(gòu)形式

研究結(jié)果表明：

(1) 常規(guī)潛孔錘可用于卵石地層鉆進(jìn)，但不適應(yīng)于素樁地層鉆進(jìn)，素樁地層管棚頂進(jìn)困難；擴(kuò)孔錘可用于卵石地層和素樁地層鉆進(jìn)。

(2) 管棚難以鉆進(jìn)的原因主要為偏差過大和頂進(jìn)阻力大，前端結(jié)構(gòu)形式有助于控制管棚頂進(jìn)偏差，減小頂進(jìn)阻力，提高管棚施工成功率。

4.2 長大管棚施工偏差測量技術(shù)

管棚施工偏差大小不僅會影響地層加固效果，同時(shí)還會影響施工安全。目前常用的偏差測量方式為水位測量和全站儀測量，其中水位測量是利用連通器原理，可實(shí)現(xiàn)管棚豎直偏差測量，但無法測量水平方向偏差；全站儀測量是利用光的直線傳播原理，可實(shí)現(xiàn)管棚的水平測量和豎直測量，但當(dāng)管棚自身變形較大時(shí)光線無法射入，偏差無法測量。為了實(shí)現(xiàn)管棚全長方向的偏差測量，光纖陀螺儀作為一種測量工具進(jìn)入工程視野，它是利用重力垂直向下和北極方向不變的原理，可實(shí)現(xiàn)管棚的水平測量和豎直測量。施工過程中3種測量方式配合使用。

為了實(shí)現(xiàn)管棚打設(shè)過程中的豎直偏差測量，管棚鉆桿為中空構(gòu)造，前端鉆頭處開孔，通過往鉆桿內(nèi)部注水，實(shí)現(xiàn)管棚的垂直方向測量，此方法可實(shí)現(xiàn)隨鉆測量，提高管棚偏差測量效率。

全站儀測量過程中需將棱鏡塞入管棚內(nèi)部，為了保證測量精度，采用滾動小車將棱鏡推入管棚內(nèi)部，棱鏡固定在小車正中心與管棚中心重合，測量時(shí)可間隔一定距離測一次，實(shí)現(xiàn)管棚全長偏差測量，但此測量方法測量時(shí)需將管內(nèi)清空，無法實(shí)現(xiàn)隨鉆測量。

將光纖陀螺儀傳感器塞入管棚內(nèi)部，間隔一定距離測一次，連續(xù)測量，可實(shí)現(xiàn)管棚全長偏差測量，但其測量需將管棚內(nèi)部清空，且測量用時(shí)較長，測量效率低。

該工程管棚位于兩隧道之間，管棚偏差過大極易導(dǎo)致侵限，造成施工風(fēng)險(xiǎn)，因此需及時(shí)有效獲取管棚偏差情況，指導(dǎo)管棚施工。根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況，綜合考慮各測量方法的可靠性、可實(shí)施性等，兼顧實(shí)際測量的效率，得出以下結(jié)論：

(1) 管棚入孔時(shí)應(yīng)準(zhǔn)確測量其角度，管棚打設(shè)過程中應(yīng)間隔一定距離測量偏差，管棚位于安全區(qū)域間隔5～10 m測量一次偏差，位于侵限風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域間隔2 m測量一次偏差。由于管棚打設(shè)過程中難以實(shí)現(xiàn)定向糾偏，存在侵限趨勢時(shí)應(yīng)及時(shí)終孔。

(2) 水位測量效率高，對管棚施工影響小，測量一次用時(shí)0.5 h，全站儀和光纖陀螺儀測量需清空管棚內(nèi)部，全站儀單次測量用時(shí)超過2 h，光纖陀螺儀單次測量用時(shí)超過3 h，管棚施工過程中應(yīng)以水位測量作為常規(guī)測量方法，全站儀測量和光纖陀螺儀測量應(yīng)作為偏差復(fù)核方法。

(3) 管棚偏差測量需配備相應(yīng)的輔助器具。水位測量需配備高壓水管、觀測管，全站儀及光纖陀螺儀測量需配備相應(yīng)推拉桿及移動小車。

4.3 卵漂石夾素樁地層管棚施工排渣技術(shù)

采用潛孔錘沖擊成孔跟管鉆進(jìn)的方法適用于砂卵石地層，該工法出渣在管內(nèi)完成，施工中不會造成局部空穴，可有效控制地面沉降。潛孔錘將卵石破碎后需及時(shí)將碎石排出，避免造成管棚堵管卡死鉆桿及錘頭，管內(nèi)排渣時(shí)粉塵多，且碎渣易沉積，如何實(shí)現(xiàn)快速有效排渣是工程中需要解決的問題。管棚跟管鉆進(jìn)出渣方式一般有螺旋鉆桿出渣、氣動吹渣及高壓水沖渣3種方式，其優(yōu)缺點(diǎn)比較見表3。

表3 不同出渣方式比較

該工程采用氣動吹渣、鉆桿拖拉、噴水降塵等措施保證出渣順暢，有效控制了高壓風(fēng)排渣時(shí)粉塵多的問題。潛孔錘跟管每鉆進(jìn)0.5 m，鉆桿錘頭來回拖拉2 min，并通過鉆桿注入高壓空氣，從錘頭處排出的高壓風(fēng)將碎渣排出管內(nèi)，同時(shí)在管棚孔口處焊接水管，高壓風(fēng)出渣過程中通過水管往管棚內(nèi)部噴水，將碎渣粉塵濕潤，有效降低粉塵的產(chǎn)生，避免了施工環(huán)境污染對管棚打設(shè)進(jìn)度的影響，大大提高了施工效率。

5 長大管棚應(yīng)用

管棚在盾構(gòu)近距離下穿建(構(gòu))筑物工程中應(yīng)用廣泛，其可有效控制隧道開挖過程中地層的沉降。該工程實(shí)現(xiàn)了既有隧道與盾構(gòu)開挖隧道之間的狹小空間內(nèi)長大管棚施工，通過實(shí)際盾構(gòu)掘進(jìn)驗(yàn)證，在此狹小空間下施工的52根管棚均未侵入隧道范圍，盾構(gòu)下穿4號線過程中，4號線結(jié)構(gòu)最大沉降控制在5 mm以內(nèi)，確保了運(yùn)營地鐵安全。

6 結(jié)論與建議

以成都地鐵17號線盾構(gòu)近距離下穿運(yùn)營地鐵4號線為工程背景，研究了卵石夾素樁地層狹小空間長管棚施工技術(shù)，結(jié)果表明：

(1) 通過試驗(yàn)研究，常規(guī)潛孔錘跟管鉆進(jìn)施工管棚可適用于卵石地層，但不適應(yīng)于素樁中，擴(kuò)孔錘跟管鉆進(jìn)施工管棚適用于卵石地層和素樁。

(2) 卵石夾素樁地層長大管棚難以鉆進(jìn)的原因主要為偏差過大和頂進(jìn)阻力大，改變管棚前端結(jié)構(gòu)形式有助于控制管棚頂進(jìn)偏差，減小頂進(jìn)阻力，提高管棚施工成功率。

(3) 長大管棚施工過程中應(yīng)以水位測量作為常規(guī)偏差隨鉆測量方法，全站儀測量和光纖陀螺儀測量可作為偏差復(fù)核方法。

(4) 卵石夾素樁層管棚跟管施工過程中采用氣動吹渣、鉆桿拖拉、噴水降塵等措施，可實(shí)現(xiàn)順暢排渣，有效降低粉塵的產(chǎn)生。

(5) 隨著城市地鐵隧道施工環(huán)境復(fù)雜變化，管棚支護(hù)由于其自身的優(yōu)越性應(yīng)用越來越廣泛，如何在復(fù)雜環(huán)境下提高管棚的施工質(zhì)量需要進(jìn)一步研究。該文通過試驗(yàn)研究，雖然論證了卵石夾素樁地層長管棚施工方法，但施工過程中出現(xiàn)了管棚偏差大、管棚頂進(jìn)阻力大等問題，仍是今后研究重點(diǎn)。