長大管棚在涵洞穿越既有線施工中的應用

李正耀

(洛張(石懷)電化改造建設指揮部，湖南 張家界 427000)

1 工程概況

石懷擴能工程新增的石門交通涵洞位于焦柳線K853+813.28處石門縣站內高路堤地段，涵洞全長128 m，下穿站場6股道，與線路斜交為78°，其中下穿股道地段40 m，貨場地段45 m，邊坡地段43 m。涵頂覆土厚度11.5 m，涵洞圍巖為碎石土、粉砂性，灰黃色，碎石粒徑40～70 mm，含量約80%，松散中密，飽和，土的抗壓強度σ0=300 kPa，設計判定為Ⅵ級圍巖，石門交通涵洞與焦柳線空間關系位置見圖1。

圖1 石門交通涵洞與焦柳線位置(單位:cm;高程單位:m)

本工程原設計為框架帶土頂進，施工過程中出現塌方后無法頂進，經設計修改后的帶土頂進方案仍發生嚴重塌方。為確保既有線行車安全，參考國內已有的相關工程實踐［1-3］，現場及時將原方案調整為長大管棚注漿預加固，按隧道暗挖方式開挖并初期支護，最后將框架在已成型隧道中頂推施工。

2 設計概況

鑒于涵洞洞室圍巖為Ⅵ級黏砂土性的人工填土，為保證開挖面的穩定，減少變形，整個頂涵段洞室上部和拱部全采用管棚超前預注漿支護。進口端管棚采用φ108壁厚9 mm的無縫鋼管，管棚長58 m，環向間距30 cm，一次性打入鋼管，打設角度1°～3°;其余段洞采用φ89壁厚6 mm的無縫鋼管，管棚長10 m，環向間距30 cm，打設角度8°～10°;管棚搭接長度不小于3 m，現場管棚支護方案見圖2。

圖2 現場管棚支護方案(單位:cm)

圖3 鋼架加強支護設計參數(單位:cm)

開挖初噴后，架立I18工字鋼架，間距0.5 m/榀，對于管棚施作后的第二榀采用格柵鋼架。鋼架全部采用封閉式鋼架，由A單元1個、B單元2個、C單元2個和D單元1個共6個單元組成。單元末端格柵采用角鋼，工字鋼架采用鋼板連接焊接成型，單元間由螺栓連接。相鄰鋼架間采用 φ22鋼筋連接，內外兩層，交錯布置，每側環向間距1.0 m。每榀鋼架采用長2.5 m的φ42鋼花錨管定位，鋼花錨管環向間距1.5 m，鋼花管與鋼架焊接之前對鋼花管壓注水泥漿，如圖3所示。

3 現場施工

管棚施工工藝流程如圖4所示。

圖4 管棚施工工藝流程圖

根據現場情況，鋼管邊頂邊接，分節鋼管長度為6 m。分節鋼管兩端車外絲，絲口長度為15 cm，連接鋼管長度30 cm，車內絲，通過連接鋼管把分節鋼管連為一體(φ108鋼管連接鋼管為φ114壁厚4 mm的無縫鋼管，φ89鋼管連接鋼管為 φ95壁厚4 mm的無縫鋼管)。

在施工過程中單號第一根打設6 m鋼管，雙號第一根打設3 m鋼管。將相鄰鋼管接頭相互錯開，便于管棚受力均勻。φ108管棚鋼管內鋪設4根對稱 φ18主筋的鋼筋籠。鋼筋籠內φ42鋼環作為固定環，固定環長5 cm，間距50 cm，與鋼筋籠主筋焊接，以提高鋼管的抗彎能力，見圖5。管棚均采用半菱形布置，打入土體的傾斜度為-7‰，且末端偏差控制在500 mm以內。

3.1 施工糾偏

由于采用跟管鉆進法，鋼管安裝和鉆機進尺是同一過程。鉆頭采用與鉆管等徑的楔型鉆頭，楔板回轉半徑略大于鉆管半徑，鉆頭前端有10 mm長 φ8的水眼，當鉆頭正?；剞D鉆進時鉆管沿直線前進。當鉆頭由于某種原因偏離預定軌跡偏向某一方向時，就需要糾偏了。方法是把鉆頭楔面調至已經偏斜的方向，鉆機停止回轉同時加力頂進，鉆頭由于斜面的作用就會向相反的方向偏斜，以此調整鉆進的方向。面向角的朝向和鉆頭的偏斜方位都是由裝在鉆頭后部的導向探頭監測的，通過穿過鉆管的導線連接到位于鉆機操作臺的顯示屏，可以方便地調整鉆進方向。這樣終孔偏差可以控制在5‰以內。

圖5 鋼筋籠設計示意(單位:cm)

鉆頭示意如圖6，鉆頭內裝有特制的傳感器，傳感器直接由15V直流供電。顯示屏顯示鉆頭的傾角(水平角度)、面向角(導向板的方向:導向板朝上即為12點，如同鐘面)。打設角度如果偏下，可以把鉆頭調到12點，即導向板朝上，直接頂進，此時由于導向板底板斜面面積大。受到一個向上的力，鉆頭軌跡就會朝上運動。同理在6點糾偏可以使鉆頭軌跡朝下，9點、3點分別是為左、右糾偏方向。如果角度合適，鉆機會勻速旋轉鉆進，此時鉆桿軌跡一般是平直的。所以導向鉆頭是上下糾偏的關鍵。至于左右偏差根據傳感器尾端的發光裝置來定，通過儀器測量參數來糾偏。

圖6 鉆頭示意

上下角度偏差=(鉆進角度上讀數+鉆進角度下讀數)/2，左右角度偏差=(鉆進角度左讀數+鉆進角度右讀數)/2，管棚末端總偏差值=∑角度偏差/管棚節數×管棚累計長度。

3.2 注漿

根據地質情況，本工程屬于粉細砂，中粗砂地層。由于采用跟管鉆進法，鋼管安裝和鉆機進尺是同一過程，注漿亦相應采取回流法注漿，終孔后需要跟蹤注漿。

1)進口端為下坡，從 φ108鋼管內注入，由于水泥漿的密水性，以及考慮到水和水泥的相對密度，下坡段需要反復注漿，鉆頭端管棚留有排氣排水閥，注漿至排氣排水閥噴出水泥漿方可關閉排漿閥，壓力為0.4～0.8 MPa，注漿結束。

2)出口端為反坡，從 φ89鋼管內注入，在管外環狀間隙留有排氣閥和排水閥，由管外環狀間隙到孔口反出水泥漿，關閉排漿閥，壓力為0.4～0.8 MPa，注漿結束。

3)根據管外環狀間隙和地層滲漏情況確定每一根鋼管的注漿量。注漿要求管內注漿由管外排出泥漿，等管內外泥漿排凈至排出水泥漿，關閉排漿閥，泵壓控制在0.4～0.8 MPa以內停止注漿，停15～30 min進行二次補漿，確保管內外填充質量。注漿必須控制好注漿量、注漿壓力等每一個環節，保證達到設計要求的標準。

4 結論

1)本涵洞已于2008年9月竣工，通過施工調整，其洞內收斂和地表沉降均滿足設計及相關要求，達到了預期的效果和目的。

2)涵洞洞室采用長大管棚施工工藝進行預加固，提前發揮超前支護作用，增加了施工安全度，提高涵洞洞室的長期穩定性，減少地表下沉和防止圍巖坍塌。

3)管棚鉆孔還可作為地質預探鉆孔，其開挖出露的地質圍巖情況也可為洞身開挖提供依據。

［1］張細寶.龍鳳隧道下穿渝合高速公路北碚隧道技術總結［J］.西部探礦工程，2006(11):144-147.

［2］茍德明，陽軍生，張戈.淺埋暗挖隧道管棚變形監測及受力機制分析［J］.巖石力學與工程學報，2007，26(6):1258-1264.

［3］孫河川，楊慧林，李興高，等.龍脖山隧道下穿鐵路既有線及涵洞施工安全分析［J］.鐵道建筑，2008(12):50-54.