軌道交通區(qū)間隧道工作中的長(zhǎng)管棚施工工藝

陳剛

（貴陽(yáng)市公共交通投資運(yùn)營(yíng)集團(tuán)有限公司，貴州貴陽(yáng) 550000）

0 引言

長(zhǎng)管棚施工工藝可以在惡劣的施工環(huán)境中應(yīng)用，保證開(kāi)挖作業(yè)的安全性，避免地層出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，對(duì)結(jié)構(gòu)物的加固效果較好。為確保軌道交通正常運(yùn)行，施工單位必須將基礎(chǔ)沉降控制在合理范圍以?xún)?nèi)。圍繞實(shí)際隧道施工項(xiàng)目，對(duì)長(zhǎng)管棚施工工藝進(jìn)行分析，以此驗(yàn)證該工藝的可行性。

1 工程概況

以黃河南路站—錦江路站區(qū)間隧道建設(shè)項(xiàng)目為案例。該項(xiàng)目位于貴陽(yáng)市花溪區(qū)，項(xiàng)目的建設(shè)起點(diǎn)位于黃河南路站，途經(jīng)南明河黃河路段，與錦江路站連接。該隧道的長(zhǎng)度約為760m，設(shè)計(jì)為雙洞單線(xiàn)+單洞雙線(xiàn)結(jié)構(gòu)形式，隧道拱頂部位的埋設(shè)深度保持在18～22m，左線(xiàn)與右線(xiàn)之間的距離設(shè)計(jì)為14～28m。

2 長(zhǎng)管棚支護(hù)原理及施工方案

2.1 長(zhǎng)管棚支護(hù)原理

長(zhǎng)管棚預(yù)支護(hù)是指在開(kāi)挖隧道之前，沿著隧道的開(kāi)挖斷面，將鋼管埋設(shè)在指定的孔中。向鋼管注入水泥漿液，填充至巖體裂縫中，保證管棚與附近的巖體形成一個(gè)固結(jié)的整體。長(zhǎng)管棚安裝能夠形成加固圈，從而發(fā)揮承載拱的作用，對(duì)上部巖體起到支護(hù)作用，促使圍巖與支護(hù)體系轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N不受外部作用力的狀態(tài)。在這種情況下，隧道拱頂以?xún)?nèi)的圍巖與支護(hù)體系只需承載在隧道方向上產(chǎn)生的變形壓力。長(zhǎng)管棚預(yù)支護(hù)體系示意圖如圖1 所示。

圖1 長(zhǎng)管棚預(yù)支護(hù)體系示意圖

長(zhǎng)管棚預(yù)支護(hù)體系的支護(hù)原理為：

2.1.1 梁式效應(yīng)

如設(shè)計(jì)圖紙對(duì)長(zhǎng)管棚的進(jìn)口部位無(wú)特別要求，可設(shè)置套拱基礎(chǔ)，遠(yuǎn)端應(yīng)該設(shè)置在巖層的內(nèi)側(cè)，構(gòu)成簡(jiǎn)易化的簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，可以承載上部土體松動(dòng)產(chǎn)生的壓力及直接由上部傳遞而來(lái)的荷載，提高開(kāi)挖斷面區(qū)域內(nèi)圍巖的穩(wěn)定性，避免坍塌事故出現(xiàn)。

2.1.2 拱效應(yīng)

如隧道內(nèi)部未設(shè)置長(zhǎng)管棚支護(hù)，應(yīng)該沿著隧道的橫斷面地層設(shè)置拱腳，保證隧道兩側(cè)的邊墻始終處于平衡狀態(tài)。當(dāng)長(zhǎng)管棚支護(hù)體系施工完成以后，施工人員按照標(biāo)準(zhǔn)間距設(shè)置注漿孔，并向孔內(nèi)注漿，有效縮短每跨的跨距，保證隧道內(nèi)的圍巖迅速轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N平衡狀態(tài)。

2.1.3 加固效應(yīng)

在長(zhǎng)管棚注漿作業(yè)中，水泥漿液會(huì)由注漿孔逐漸向周?chē)膸r體縫隙流動(dòng)，待水泥漿液膠結(jié)以后，提高圍巖的穩(wěn)定性和加固效果。

2.2 施工方案

隧道的進(jìn)出口施工方案如下：使用小導(dǎo)管支護(hù)+復(fù)合襯砌鋼結(jié)構(gòu)支撐，使用臺(tái)階法開(kāi)挖土方。結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，因出口部位的山體存在偏壓現(xiàn)象，區(qū)域內(nèi)的圍堰破碎，節(jié)理發(fā)育，巖體軟弱且受風(fēng)化影響比較大。若按照原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行施工，則有很大的可能性導(dǎo)致洞口發(fā)生坍塌事故。為了保證施工的安全性，需對(duì)隧道的拱頂進(jìn)行注漿支護(hù)，管棚選擇使用89mm×6mm 熱軋無(wú)縫鋼管，管棚的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為32m，管棚的環(huán)向間距設(shè)置為40cm[1]。

3 長(zhǎng)管棚施工工藝

結(jié)合實(shí)踐狀況來(lái)看，長(zhǎng)管棚支護(hù)在以下場(chǎng)景中具備顯著的應(yīng)用效果：地質(zhì)條件比較差、巖體存在破碎現(xiàn)象、圍巖的自穩(wěn)能力較差、隧道出現(xiàn)塌方路段、裂隙發(fā)育路段、人工回填土路段、淺埋路段等。結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)的隧道地質(zhì)條件、長(zhǎng)管棚的實(shí)際支護(hù)效果等因素，確定合適的管棚配置形式。

3.1 長(zhǎng)管棚鉆孔工藝

3.1.1 長(zhǎng)管棚鉆孔施工工藝流程

長(zhǎng)管棚鉆孔施工工藝的具體流程如圖2 所示。

圖2 長(zhǎng)管棚鉆孔工藝流程圖

3.1.2 鉆孔施工

（1）鉆孔作業(yè)時(shí)，可以選擇使用XY-28-300 鉆機(jī)，鉆頭的直徑為120mm。該設(shè)備可以有效解決送管難的問(wèn)題。

（2）在管棚施工過(guò)程中，打孔的角度控制在1°～2°，管棚的安裝間距設(shè)置為40cm，單根管棚的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為32m。管棚由多節(jié)組成，每節(jié)段管棚的長(zhǎng)度控制在4～6m，使用絲扣將短管棚連接為1 根長(zhǎng)管棚。管棚的接頭部位使用套管進(jìn)行焊接，套管的搭接長(zhǎng)度設(shè)置為35cm。相鄰的2 根管棚的接頭應(yīng)該相互錯(cuò)開(kāi)。在管棚表面設(shè)置注漿孔，注漿孔的孔徑設(shè)置為10mm，將注漿孔布設(shè)為梅花狀，保證水泥漿液順利灌注至管棚內(nèi)。

（3）為保證管棚順利被頂入設(shè)計(jì)要求的部位，需保證鉆桿的接頭具有足夠的強(qiáng)度、剛度，同時(shí)鉆桿與連接套的材質(zhì)保持一致。鉆桿的兩端使用螺紋鋼進(jìn)行加工，連接套的壁厚不得小于10mm。為保證在鉆桿鉆進(jìn)的過(guò)程中，不會(huì)出現(xiàn)鉆孔傾斜等現(xiàn)象，將扶直器安裝在鉆桿上。鉆進(jìn)時(shí)，扶直器隨鉆桿移動(dòng)。

（4）當(dāng)臺(tái)車(chē)準(zhǔn)備就位以后，利用臺(tái)車(chē)引測(cè)鉆孔的具體部位。

（5）在鉆進(jìn)過(guò)程中，施工人員要嚴(yán)格控制鉆進(jìn)設(shè)備的立軸方向，確保臺(tái)車(chē)與掌子面緊密連接，避免因振幅過(guò)大，導(dǎo)致鉆進(jìn)的精準(zhǔn)度受到影響[2]。

（6）在鉆進(jìn)過(guò)程中，一開(kāi)始采用低轉(zhuǎn)速作業(yè)，當(dāng)鉆進(jìn)至20cm 以后，恢復(fù)正常轉(zhuǎn)速。

（7）首節(jié)鉆桿頂入巖層中以后，可以預(yù)留20～30cm 的長(zhǎng)度裸露在巖層外部。使用管鉗將鉆桿卡死，并操作鉆機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，鉆機(jī)沿著導(dǎo)軌向后移動(dòng)，開(kāi)始進(jìn)行第二根鉆桿頂入作業(yè)。

（8）更換鉆桿時(shí)，施工人員需檢查鉆桿是否存在彎曲、損傷等。若不合格，應(yīng)該立即更換，以保證施工任務(wù)順利完成。

（9）引導(dǎo)孔的孔徑應(yīng)大于管棚外徑15～20mm，深度大于管棚長(zhǎng)度50cm。

3.2 長(zhǎng)管棚頂管工藝

3.2.1 頂管方式

結(jié)合施工項(xiàng)目的管理要求，該項(xiàng)目的施工工期比較緊張，所以使用引導(dǎo)孔+管棚鉆的方式進(jìn)行施工。先鉆出引導(dǎo)孔，然后利用鉆進(jìn)設(shè)備將管棚頂入引導(dǎo)孔，逐節(jié)對(duì)管棚進(jìn)行接長(zhǎng)處理，直至管棚深入至設(shè)計(jì)部位。

3.2.2 管件制作

選擇使用熱軋無(wú)縫鋼管，單節(jié)鋼管的長(zhǎng)度為4～6m，使用絲扣將鋼管連接為管棚，絲扣的長(zhǎng)度為15cm；在對(duì)管棚進(jìn)行接長(zhǎng)作業(yè)時(shí)，需將前一根鋼管插入引導(dǎo)孔，然后進(jìn)行接長(zhǎng)作業(yè)。

3.2.3 清孔檢查

成孔以后，及時(shí)進(jìn)行清孔作業(yè)，將孔內(nèi)的碎石、土體等雜物清理干凈，然后安裝鋼管。

3.2.4 頂管作業(yè)

將待安裝的鋼管放置在臺(tái)車(chē)上，施工人員將鑿巖機(jī)與引導(dǎo)孔對(duì)齊，以低轉(zhuǎn)速將鋼管頂入引導(dǎo)孔內(nèi)，設(shè)備的頂入壓力保持在4.0～6.0MPa。

3.2.5 接管

首根鋼管被頂入引導(dǎo)孔后，在孔外預(yù)留30～40cm的長(zhǎng)度。此時(shí)，啟動(dòng)鑿巖機(jī)，促使鑿巖機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)。施工人員手動(dòng)安裝第二節(jié)鋼管，并使用電焊機(jī)進(jìn)行加固，保證2 節(jié)鋼管連接為一個(gè)整體。然后，將2 根鋼管對(duì)齊，鑿巖機(jī)緩慢地向前移動(dòng)，并以低轉(zhuǎn)速將首根鋼管向內(nèi)頂進(jìn)。結(jié)合管棚的長(zhǎng)度，將剩余的鋼管按照此流程頂入巖層。

3.2.6 封閉鋼管尾部

管棚頂進(jìn)作業(yè)完成后，可使用抹布條對(duì)管棚內(nèi)的縫隙做封堵處理，最后使用楔形環(huán)頂緊。頂緊后，使用電焊將楔形環(huán)加固在管棚上。

3.2.7 管棚補(bǔ)強(qiáng)

3.3 配制水泥漿液

3.3.1 配制設(shè)備和材料

施工單位在施工現(xiàn)場(chǎng)配備高速攪拌機(jī)，可以使用高速攪拌機(jī)配置水泥漿液。配制時(shí)，要嚴(yán)格按照施工配合比摻加原材料。向鋼管內(nèi)注入水泥漿液，水灰比設(shè)計(jì)為1∶1。在注漿開(kāi)始階段，壓力控制在0.5～1.0MPa，在注漿結(jié)束階段，壓力控制為2.0MPa。必須保證管棚的強(qiáng)度與剛度符合設(shè)計(jì)圖紙要求。

3.3.2 配制過(guò)程

向攪拌設(shè)備內(nèi)摻加清水，然后將緩凝劑、外加劑按照既定的比例摻加在水中。通過(guò)反復(fù)攪拌，使外加劑徹底溶解在水中，而后摻加水泥，持續(xù)攪拌2～3min[3]。

3.3.3 外加劑的摻加量

外加劑的摻加量控制在水泥質(zhì)量的5%～10%。緩凝劑的摻加量控制在水泥質(zhì)量的2%～3%。

3.3.4 避免堵塞

在確定好研究假設(shè)后，采取問(wèn)卷調(diào)查法來(lái)研究。工作績(jī)效量表分為任務(wù)績(jī)效、人際關(guān)系和工作奉獻(xiàn)3個(gè)維度，直接采用Motowidlo和Scotter績(jī)效模型的量表[4]，結(jié)合王雁飛和張淑熙等人的研究[5]，并進(jìn)行了一些修訂。工作滿(mǎn)意度量表分為報(bào)酬滿(mǎn)意度等7個(gè)維度，采用Hackman和Oldham編制的工作診斷調(diào)查(job Diagnostic Survey,JDS)中的部分項(xiàng)目，結(jié)合Spector編制的工作滿(mǎn)意度調(diào)查量表[6]，并作了一些修正。經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)研究和訪(fǎng)談得出，人格特質(zhì)量表分為成就需要維度、控制源維度和自我效能感3個(gè)維度。

在配置水泥漿液的過(guò)程中，結(jié)塊的水泥不得直接倒入水泥漿液內(nèi)。拌制好的水泥漿液要通過(guò)過(guò)濾網(wǎng)，再倒入儲(chǔ)漿桶，避免注漿泵出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。

3.3.5 合理存放

拌制完成的水泥漿液要及時(shí)存放至儲(chǔ)漿罐中，避免長(zhǎng)時(shí)間的閑置，出現(xiàn)沉淀、離析等現(xiàn)象。

3.4 注漿

3.4.1 注漿原則

管棚注漿工作嚴(yán)格按照以下基本原則進(jìn)行：由兩側(cè)到中間的順序灌注，先灌注稀漿再灌注濃漿。以管棚的兩端作為初始點(diǎn)，沿著拱頂鋼管的方向依次作業(yè)。在注漿的初期階段，盡量使用稀漿，隨著注漿作業(yè)的進(jìn)度不斷遞進(jìn)，逐漸換用高濃度的水泥漿液。這種遞進(jìn)式的轉(zhuǎn)變可以保證水泥漿液沿著拱頂鋼管布設(shè)的方向向四周擴(kuò)散。

3.4.2 注漿要點(diǎn)

注漿施工的要點(diǎn)：

（1）為了保證在薄弱地層注漿時(shí)不會(huì)出現(xiàn)跑漿現(xiàn)象，要先在注漿起始部位的掌子面噴射20cm 的混凝土，噴射混凝土之前掛設(shè)鋼筋網(wǎng)。在注漿完成的部位，需預(yù)留3m 厚的圍巖，將其作為止?jié){巖盤(pán)。

（2）施工人員必須保證注漿孔位設(shè)置的精準(zhǔn)性，實(shí)際孔位與設(shè)計(jì)要求之間的偏差不得超過(guò)5cm，孔底的偏差控制在鉆孔設(shè)計(jì)深度的1%～2%以?xún)?nèi)。

（3）在配制水泥漿液的過(guò)程中，嚴(yán)禁將雜物摻加至水泥漿液中。對(duì)拌制完成的漿液，需進(jìn)行過(guò)濾處理，嚴(yán)禁將未過(guò)濾的水泥漿液直接泵送至泵管中，保證管路暢通。

（4）若在注漿過(guò)程中，施工人員發(fā)現(xiàn)掌子面存在漏漿現(xiàn)象，應(yīng)立即對(duì)漏漿部位做封堵處理。

（5）注漿結(jié)束階段，進(jìn)漿量不超過(guò)20～25L/min。注漿壓力持續(xù)性加大，當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值以后繼續(xù)注漿，持續(xù)10min。注漿作業(yè)完成后，使用水泥漿液對(duì)管棚底部做封堵處理。當(dāng)長(zhǎng)管棚施工結(jié)束以后，施工人員則可按照標(biāo)準(zhǔn)流程進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)。

3.4.3 異常處理

在注漿過(guò)程中，要加大施工現(xiàn)場(chǎng)的管理力度，保證注漿質(zhì)量符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。水泥漿液的注入壓力是一個(gè)關(guān)鍵性技術(shù)參數(shù)。根據(jù)流量計(jì)顯示的孔口壓力，可以判斷注漿施工的具體情況。若存在異?，F(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)采取補(bǔ)救措施。

各種有可能出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象的原因及處理措施如下：

（1）注漿壓力持續(xù)提高，但是未能達(dá)到設(shè)計(jì)值。主要原因是水泥漿液的濃度偏低、凝膠時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，對(duì)巖層造成劈裂現(xiàn)象導(dǎo)致部分水泥漿液溢出。處理措施是適當(dāng)提高水泥漿液的濃度或減少注漿的間隔時(shí)間。

（2）注漿壓力穩(wěn)定后，初始?jí)毫χ饾u減小。主要原因是水泥漿液向外溢出。處理措施是降低注漿的速度，同時(shí)提高水泥漿液的濃度。若采取以上措施后情況未有明顯好轉(zhuǎn)，則應(yīng)該暫停注漿。

（3）注漿壓力提高后又驟然減小。主要原因是水泥漿液沿著注漿管向外溢出，或注漿速度過(guò)快導(dǎo)致巖層薄弱部位受到擾動(dòng)。處理措施是降低注漿速度。除了上述3 種情況以外，如果注漿壓力穩(wěn)定提升，即便達(dá)到設(shè)計(jì)壓力值以后，注漿速度也沒(méi)有發(fā)生顯著的波動(dòng)，或者注漿壓力提高后又降低，而后注漿壓力再次提高，說(shuō)明注漿作業(yè)非常成功。

4 施工效果評(píng)價(jià)

結(jié)合該項(xiàng)目的施工效果來(lái)看，長(zhǎng)管棚施工工藝取得了理想的成效。長(zhǎng)管棚施工工藝的加固效果非常顯著，可以有效保證圍巖的穩(wěn)定性。項(xiàng)目開(kāi)工至今，尚未發(fā)生過(guò)異常沉降現(xiàn)象。通過(guò)施工現(xiàn)場(chǎng)取芯可以幫助施工單位更加透徹地掌握巖層的具體情況，為隧道開(kāi)挖提供真實(shí)、可靠的數(shù)據(jù)，保證施工質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)以上分析來(lái)看，使用長(zhǎng)管棚施工工藝對(duì)巖層進(jìn)行加固以后，可以為施工人員提供良好的安全保障。長(zhǎng)管棚施工工藝比較適合應(yīng)用在軟弱圍巖、地質(zhì)破碎等隧道施工場(chǎng)景中。