长大管棚预支护技术在北京地铁暗挖段的应用

长大管棚预支护技术在北京地铁4＃线西单站暗挖段的应用1引言管棚在国外较早就得到了应用。20世纪70年末，意大利开发出在软弱地层中安全进行全断面掘进并提高生产效率的机械设备，管棚施工技术应运而生[1]。在德国法兰克福地铁建设的第一期施工中，有一段长160m的隧道在交通要道下通过；为了在不中断交通情况下进行分部开挖，使用管棚进行了超前支护[2]。在日本，超前管棚的方案在1976年用于砂土和淤泥中的地铁车站建筑[3]。在我国，管棚法首先用于山岭隧道施工中，并在穿越破碎带、松散带、软弱地层、涌水、涌砂层等软弱围岩隧道施工中发挥了重要作用，已发展成为隧道洞口及通过断层或软弱破碎带的主要辅助工法[4]。近些年，管棚法也被推广于地下铁道的暗挖施工中。在北京，1990年地铁1＃线西单站采用直径0.115m、长18m的管棚加小导管注浆的联合超前支护体系通过覆盖层仅厚6m的表层土及砂土，在土体自稳性极差的条件下，实现了大跨度的超前超长加固，保证了掘进安全，有效控制了地表沉降[5]。北京地铁浅埋暗挖施工中采用管棚超前支护的实例还有：1#线王府井站、东单站、国贸站；5＃线崇文门站、蒲黄榆站、黄庄站；等等。北京地铁采用的管棚，钢管直径最大的是0.6m：5＃线崇文门站从2＃东端区间隧道下方、相距1.98m处穿过，暗挖施工前采用长36m、直径0.6m、壁厚0.016m咬合管幕预支护；管棚最长的是146.6m：5＃线蒲黄榆站暗挖施工采用管棚超前支护，管棚长146.6m、管径0.114m、壁厚0.005m，纵向贯通整个车站拱顶，环向布置间距为0.3m，共施作了103根[3]。在建的北京地铁4＃线西单站中部下穿长安街暗挖段施工采用直径0.325m、壁厚0.012m、长度46.8m管棚预支护方案。该管棚设计参数虽然不是最长，管径也不是最大，但施工遇到的挑战是严格的限制条件：⑴不允许管棚本身施工引起西长安街路面沉降和隆起；⑵管棚两端垂直方向只有0.488m高的有限空间，上下为已施作的钢筋混凝土冠梁所限制；⑶2工程概况与特点北京地铁4#线西单站中部下穿长安街、上跨地铁1#线暗挖段长46.8m，左右线为2个马蹄型单洞断面，中间设联络通道，将这2个单洞相连，单洞开挖轮廓断面尺寸为：9.90m（宽）×9.17m（高），采用暗挖法施工，结构拱顶至地面覆土层厚度4.3m。覆土层主要是人工杂填土，稳定性差，管棚施作范围内有在暗挖段拱顶施作密排管棚作为超前支护措施，为了避免大量穿越混凝土管道施工，设计成“一”字型布置。管棚采用无缝钢管，直径0.325m、壁厚0.012m、长度46.8m。管材每节长度为9.0m，管棚长钢管采用6节9.0m长的钢管焊接形成，钢管之间中心间距为0.4m该暗挖段车站结构及管棚纵剖面见图1，图1暗挖段车站结构及管棚纵剖面暗挖段北端端头墙、管棚及混凝土管线位置关系见图2。图2暗挖段北端端头墙、管棚及混凝土管线位置关系该工程管棚设计限制条件有：⑴管棚布置在长安街下面距地面约3.5m处，选择合理的施工工法，尽量减少对地层的扰动，保证管棚本身施工不引起西长安街路面沉降和隆起。⑵管棚两端垂直方向处于暗挖段南、北端头已完成的上下冠梁间高度为0.488m范围的有限空间内，管棚从一端向另一端施作，要求另一端也正好从上下冠梁间这个有限空间内拉出。因此，管棚出口位置及进口位置自由空间很小。⑶部分管棚施工采取措施穿越C20细石混凝土充填的废弃管道和极不均匀的杂填土层。3管棚施工工法的回顾、分析与选择管棚常用的施工方法有水平钻机顶进法、水平钻机回拖法、夯管法、导向钻机成孔管锤夯进法等。对于大直径管棚施工，对于软弱土层采用直接顶进方法；对于均匀土层采用定向钻进、多次扩孔再回拖钢管的方法；也有采用水平液压自动取土顶管机的施工方法。管棚采用水平钻机顶进法施工，钻孔机具常采用水平旋转钻、套管钻、注浆钻、水冲钻等。钻孔循环介质一般为风、水、泥浆，也有用水泥浆的[6]。最常用的钻机钻头直径0.108m，成孔直径0.110～0.113m，钻杆长度1.5～2.5m对于土质很软的情况，有人采用把管棚钢管直接顶入的施工方法。例如，上海某箱形地道桥顶进采用管幕进行超前支护，管幕位于饱和的淤泥质粘土层中，管棚长为126m，管棚钢管直径为Ф970，钢管之间采用外接式锁口，采用顶进法施作80根管棚钢管，误差控制在了±20mm左右[7]。导向钻进工作原理是利用非对称钻头斜面反力作用来改变钻进方向和调解钻头射入角度。若同时给进和回转钻转杆则实现直线钻进，若只给进不回转，则斜面的反力使钻头改变方向，实现斜钻进。钻进过程中，钻头内的探头或发射器发出的信号被地表探测仪接收，可随时调整钻头的角度和深度。钻头到达预定目标点，再进行回拉，往返数次直至将钻孔扩大到所铺设管棚钢管的直径为止，再将管棚钢管拖入钻孔中。根据成孔方式不同，导向钻进可分为干式和湿式2种。干式钻具由挤压钻头、探头室和冲击锤组成，靠冲击挤压成孔，不排土。湿式钻具由射流钻头和探头室组成，以高压水射流切割土层，有时辅以顶驱式冲击动力头以破碎大块卵石和硬土层。该工法可用于大直径的管棚施工，在北京有成功的应用实例。例如，在首都机场滑行道下顶进框架式隧道采用超前大管棚支护，棚管长度148.3m，总根数24根，管中心距0.65m；棚管中心距箱涵结构外缘0.5m；棚管采直径0.325m、壁厚0.01m的螺旋钢管，位于粉质粘土层，局部为回填土。管棚打设采用水平定向钻进，循环介质为泥浆，经过采用扩孔器2次扩孔后再回拖管棚钢管，水平、垂直精度均达到对于更大直径的管棚，可采用水平液压自动取土顶管机施工。北京地铁5＃线崇文门车站过既有线暗挖施工采用管幕进行超前支护，管幕钢管直径0.6m、壁厚0.016m，长度36m；钢管之间采用2×10＃槽钢和10＃字钢相互咬合。管幕钢管采用水平液压自动取土顶管机施工，螺旋出土钻头落后钢管前端10cm～15cm夯管施工法的工作原理是夯管锤在压缩空气驱动下产生的较大冲击力直接作用在钢管后端，克服土层与管体间的摩擦力，通过前端钢质切削管头切入土体，被切削的土芯暂时留在钢管内，待夯管成功后，取下切削管头，用压气、高压水射流或螺旋钻杆等方法将土芯排出[10]。对于回填土不均匀地层，夯管施工钢管遇到障碍时会改变方向，施工精度难以保证。长管棚常见工法的比较见表1。表1长管棚施工方法的比较施工方法适用地层适用管棚（长度/直径*）定位精度施工速度引起沉降经济造价水平钻机顶进软岩小/小低快大低水平钻机回拖非含水土层中/小、中高快小低导向钻机成孔管锤夯进均匀土层长/小、中高快小高夯管法均匀土层短/中低慢大高水平液压自动取土顶管机均匀土层长/大高慢大高直接顶进软弱土层长/大中快小低*一般小直径（89.1～139.8mm）、中直径（165.2～216.3mm）或大直径（318.5mm以上）[11]对浅埋暗挖法来说，由于成孔时的应力释放和成孔过程中的水土流失，总要引起地表沉降。单根管棚产生的沉降非常小，随着管棚数量增加，成孔应力释放造成沉降量累加，将引起较大的总沉降量，有的管棚施工引起的沉降甚至大于隧道开挖所产生的沉降。管棚施工引起的地表沉降原因可以归纳为3类：成孔时的应力释放；成孔过程中的水土流失；成孔施工精度误差引起的超挖[12、13]。本工程管棚直径为325mm，属于大直径管棚。从地面沉降要求严，施工空间有限、地层不均匀等限制条件出发，考虑的主要因素有：采取措施弥补或改善成孔过程中的水土流失；严格控制施工误差；尽量避免成孔时因应力释放所产生的变形。通过对管棚施工工法的综合比较，确定采用导向钻成孔、多次扩孔、前拉后夯的综合施工方法。该工法有如下优点：⑴施工精度高。水平导向钻进上下左右偏差可控制在50mm以内，扩孔器将孔径扩大并调直，可进一步提高精度。⑵地面沉降或隆起小。在钻孔过程中使孔周应力释放，而扩孔过程中使钻孔周边受到挤压，应力相互抵消，地层损失小，对地面不会产生影响。⑶一次通长设置长46.8m钢管，整体性好，能很好起到管棚“梁的效应”。4本工程长大管棚施工技术与效果4.1总体施工方案该工程采用导向钻成孔、多次扩孔、前拉后夯的综合施工方法，先由北向南通过水平钻机(HTG-200)施作φ89导向钻孔，然后在φ89钻杆末端连接φ159钻杆进行扩孔。φ159扩孔完成后，分别使用φ250和φ350钻头钻杆从南向北再进行2次扩孔。最后在北端工作平台使用拉管机(SYUG-300)对φ325钢管向北回拉，同时南端工作平台使用夯管机(TAURUS350)对φ325钢管向北夯进。4.2主要施工工序对一根管棚钢管的施作，主要施工工序包括：有线导向钻进→二次钻进扩孔→扩孔器一次扩孔→扩孔器二次扩孔→管棚钢管置入→管棚钢管内压注细石混凝土→管棚钢管外注浆。有线导向钻进：导向孔打设钻机及拉管机安装在隧道北侧，由北向南打设导向孔，采用φ89钻杆进行钻进。钻头内装有特制的传感器，传感器由信号线连接显示屏。显示屏显示钻头的倾角和面向角，根据钻头在钻进过程中的位置和方向与设计轨迹的差异，利用能调节方向的楔型钻头改变钻进方向。二次钻进扩孔：从北向南采用φ159钻杆进行钻进扩孔。扩孔器一次扩孔：从南向北采用φ250扩孔器进行扩孔作业扩孔时，在扩孔头的后端加带拉管钻杆。扩孔器二次扩孔：从南向北采用φ350扩孔器进行扩孔作业扩孔时，在扩孔头的后端加带拉管钻杆。管棚钢管置入：下管由南向北下管，夯管机安置在南端，由南向北方向夯入。采用“前拉后夯”工法从南向北进行φ325管幕的拉管工作。由于回填地层拉管过程中会出现拉管受阻，受阻时用夯管方法，采用冲击力清除障碍或通过障碍。管棚钢管内压注细石混凝土：通过高压风将夯管内的土壤压出，在管内压注C20细石混凝土。对整个管棚施作来说，首先施作的钻孔使地层受到扰动造成地层软硬不均，如紧接着再打下一个相邻的孔，很难控制该孔的偏斜；管外跟踪注浆要保证管内外间隙注满填充实，又在时间和空间位置与导向钻孔及扩孔错开，避免对导向钻孔及扩孔产生不良影响。因此，确定管棚施作顺序的原则是：导向孔跳孔打设，扩孔及管内注浆也间隔进行，管外注浆顺序施作。导向孔、扩孔、管内注浆及管外注浆平行流水作业，如表2所示。（注：表中带圈的数字为施作管棚钢管或钻孔编号，见表2。）施作顺序12345678910导向孔①③②④⑥⑤⑦⑨⑧⑩扩孔位置①③②④⑥⑤⑦管内注浆①③②④⑥⑤管外注浆①②③④表2管棚施作顺序4.3主要技术参数与工艺要求⑴钻孔水平钻机工作面上铺“工”字钢桂道，钻机支架安在轨道上，利用油缸，可以自由升降和水平移动；支架和钻机用螺丝拧紧斜拉筋定位，保证稳定性。全液压水平钻机回拖力25t，扭矩9000Nm，钻杆主要为Φ89×5mm、Φ159×5mm钢管，两端为Φ89×10mm、Φ159×10mm钢管，加工成每根6m⑵扩孔前面用拉管机通过钻杆拉动扩孔头扩孔。扩孔分两次进行，第一次孔径扩到250mm，第二次扩至350mm；扩孔时，在扩孔头的后端加带拉管钻杆，以备后续扩孔或拉管使用；扩孔过程中随时记录拉力及扭力的变化。⑶拉管Φ325管棚钢管采用厚度为12mm无缝钢管，钢管之间加内接管箍，管箍长400mm,直径Φ299mm采用直接对焊连接。对焊时要加内管，要求钢管之间对准、对直，并加以满焊；相邻两个孔的接头位置距离不小于2m。拉管机由万向节同Φ325钢管连接保证方向，并拉动钢管，将钢管拉入，后面用夯管锤锤击，直至设计深度46.8m。⑷管内灌注通过高压风将夯管内的土壤压出，在管内注C20细石混凝土。灌注混凝土由南端进行，灌注口设在南端，出浆口位于北端，设在钢管顶部，当出浆口流出浆液后，关上阀门，然后加压至0.5MP。⑸管外注浆管外注浆通过专门的Φ60钢管进行，Φ60钢管随同Φ325钢管拉入，Φ60钢管位于Φ325钢管的侧面，基本位于Φ325钢管左上或右上45°角方向，Φ60钢管径向钻Φ15注浆孔，注浆孔按每米4个孔布设；拉管时，注浆孔朝向Φ325钢管，防止砂土堵塞。首根及尾根注浆管不设注浆孔。注浆前要先将注浆管内泥土清出，保证两端通畅。浆液为水泥浆，水灰比为1：0.8。每一根钢管注浆量根据钢管内和钢管外的间隙及地层渗漏情况确定。注浆采用管内管外分别加注，泵压控制在0.5～0.8MPa，停15～30分钟进行二次补浆，确保管内外填充质量、泵压低会影响地面下沉，泵压高会影响地面拱起。注浆必须控制好注浆量、注浆压力等每一个环节，保证达到设计要求为标准。注浆设备采用泥浆泵，注浆时为了控制注浆压力，在Φ60注浆管的端头要安装高精度压力表和出浆阀门，注浆时密切关注，压力达到后立即打开阀门，防止压力过高。⑹管棚端部连接Φ325钢管全部布设完成后，需将南北两端的管头连接起来，使端头部位形成一个整体；端头连接方法是用Φ20mm钢筋上下两排焊接起来，同下冠梁之间用钢板或钢筋垫起，使钢管两端的承重传递到下冠梁上。4.4施工精度与质量控制管棚的施工精度要求：⑴导向孔开孔孔位偏差≤±10mm；以设计轴线为准向上偏角为0.1°；终端孔位最大偏差为1⑵单根管棚钢管要求水平偏差不能大于120mm，垂直偏差不能大于⑶管棚设计轴线从北向南为3‰下坡，管棚出口位置比进口位置低190mm，误差控制在80mm以内。⑷下管管棚长度与设计长度误差不大于200mm。管棚施工精度与质量的控制方法：⑴导向孔打设采用楔掌斜板钻头，钻头后面200mm处装有有线或无线导向探棒，操作台上有显示屏，如有偏斜随时可以调整角度。利用高精度有线导向仪及管内光学测量系统能控制精度为3‰，利用无线导向仪器在地表进行测量定位。⑵水平定向钻进时，每打设一根钻杆可以监测1～2次是否偏斜，如有偏斜立即校正。⑶钻孔入孔以设计轴线为准向上的偏角为0.1°，并一直基本保持该角度，避免钻头向下弯沉。随着不断钻进，时刻观察探头角度变化情况，角度偏差大于0.2°时，及时纠偏。当纠偏无效、偏差大于0.5°时，停止钻进，并退钻调整好姿态后再钻。⑷导向孔偏差如大于80mm，采用扩孔方法将孔径扩大到300～320m