粉質黏土層公路隧道下穿既有鐵路長大管棚施工工法

趙立財

摘要：本文以廈漳公路（廈門段）東孚隧道下穿廈深鐵路牽出線為例，介紹了長大管棚施工工法在粉質黏土土層，土體自穩(wěn)性能差，淺埋隧道下穿公路隧道施工開挖過程中的應用，有效防止了塌方、涌泥事故的發(fā)生，沒有對鐵路運輸產生不良影響，安全、順利地下穿了既有廈深鐵路牽出線，具有顯著的經濟效益和社會效益。

關鍵詞：粉質黏土；隧道；下穿；鐵路；大管棚

1 前言

在我國東南沿海地區(qū)地下水位較高，第四系地層以粉質黏土、粉土為主，滲透系數較小，易液化。在這種特殊地層進行開挖時，小導管法、錨桿法等很難保證工程施工安全及質量。因此，急需采取一種長超前、安全可靠的支護措施。而長管棚支護技術作為一種新的支護手段，對大跨度、超淺埋，工程地質條件復雜的工程都有很好的支護效果。但是，飽和淤泥質土、粉土地層含水無法成孔，管棚施工必須采取適合該地層特殊技術措施和施工工藝。

廈漳公路（廈門段）東孚隧道為淺埋暗挖單洞隧道，位于上述地層，由道路和隧道兩部分組成。下穿既有廈深鐵路牽出線，暗挖段隧道最小覆土厚度僅有2.6m。暗挖隧道全部采用長大管棚超前支護與注漿加固。

針對工程的重點和難點，我們開展了相應的科研攻關，研發(fā)了特殊的鉆具，在工程實踐中開發(fā)應用了適合該地層特殊跟管施工工藝，保證了整個工程安全順利建成，在此基礎上總結出本工法。

2 工法特點

采用本工法進行施工的特點有以下四點

2.1超前支護長：長管棚支護可跨越松弛區(qū)，伸入原狀土部位，使地層不至沉陷或流塌，穩(wěn)妥可靠，能保證施工安全。

2.2開挖段增長，可減少超前支護施工施作次數，縮短施工時間。

2.3大管棚直徑大，管壁厚，剛度較高，受力均勻，支護效果可靠。

2.4技術新穎、難度大。

3 使用范圍

本工法適用于埋深淺、覆蓋薄、跨度大、結構受力復雜的飽和粉土及粉細砂地層中的各類工程進行開挖支護和地層加固的長大管棚施工。

4 工藝原理

在地下洞室掌子面后部，以一定的間隔鉆設一排或兩排水平的環(huán)向鉆孔，然后布設長大管棚，對地層進行注漿加固。通過鉆孔，下設鋼管，注漿等一系列工序施作，使鋼管超越前方地層松弛區(qū)后，遠遠伸入到未受到施工影響的部位，保障開挖時掌子面和周圍土體的穩(wěn)定，起到骨架、格柵作用。通過注漿使?jié){液從鋼花管孔眼中壓出，以一定的壓力注入到鋼管周圍松散、軟弱的地層中，從而形成復合穩(wěn)定的固結體，使周圍地層的力學性質得到改變，產生由鋼管和注漿加固體在開挖體上方及周圍形成的“棚式”防護結構。若需加固的地層較長，則隨著向前掘進，每隔一定距離重復上述作業(yè)。

5 工藝流程及操作要點

5.1 管棚施工工藝流程（管棚施工工藝流程如圖1所示）

5.2 操作要點

5.2.1套拱施工

套拱為包裹管棚后端的一層混凝土或鋼筋混凝土，起保護前方地層、便于開鉆作業(yè)、精確定位管棚和增強管棚口部結合強度的作用。套拱一般厚0.3m～0.5m，長1.5～2.5 m，混凝土標號多為C20，前端和底部均嵌入地層。施工時，在每根管棚位置預埋一節(jié)內徑比管棚外徑略大的鋼管（導向管），以精確定位每根管棚的口部位置。當套拱混凝土強度達到要求后，按一定的間隔和順序沿導向管引導的方向往地層中進行鉆孔，并進行管棚布設的全程作業(yè)。

⑴開挖與核心土

為了便于施工、節(jié)省方木、保持工作面的安全和穩(wěn)定，開挖時，視場地情況預留一定的核心土。同時，挖夠套拱嵌入巖層的深度。當地層穩(wěn)定性差時，對兩側和前方暴露的地層進行噴錨封閉。

⑵套拱混凝土施工

利用核心土搭設必要的工作平臺，進行放樣、鋼筋綁扎、預埋件安裝、立模、預埋件準確定位、混凝土一次灌注成型和養(yǎng)護，當混凝土強度達到要求后拆除模板，完成全部套拱作業(yè)。

5.2.2搭設平臺

沿核心土環(huán)向用方木搭設施工平臺，如無留核心土，則用鋼管搭門型架后，再用方木搭設施工平臺。

管棚施工人員多，機械重，頂管推力大平臺受力大。要求平臺搭設一定穩(wěn)固，方能保證施工安全和工程質量。

5.2.3鉆機定位

由于管棚鉆孔質量要求高，施工中的各工序都非常關鍵。鉆孔設備也是其中一項。因此，開鉆前，必須對鉆機進行校正，精確定位，然后固定在穩(wěn)定的平臺上。鉆進期間，應經常檢查鉆機是否移動，若移動必須及時糾正，否則會引起鉆孔偏斜。

5.2.4開孔

如每段暗挖的開口需先穿過鋼筋混凝土圍護結構時，用金剛石鉆頭鉆孔破樁。為保證開孔精度，要求巖芯管長度大于2.5m，以保證有良好的導向性。

5.2.5管棚鋼管加工

鋼管采用管螺紋車床加工，長度按設計要求切割或根據材料長度情況而定，鋼管絲扣采用地質通用的方絲，絲長5～6cm，每根鋼管一頭加工為公絲，一頭加工為母絲，要求公母絲配合緊密。花管孔加工用鉆床或氧氣切割，采用梅花型布置，間距以30cm左右為好。

5.2.6成孔及管棚跟進施工

管棚施工通過地層為砂質粉土層，含水量大，施工難度大，加之管棚施工對鉆孔精度要求非常高，如何選擇鉆具、作業(yè)人員鉆孔技術的高低都是管棚施工的關鍵，對鉆孔質量起決定性作用。另外，管棚施作前要在洞口實施降水，把洞口水位降止管棚位置以下，以避免水土自涌。

⑴鉆具的選擇

由于地層為砂質粉土層，自身承重能力差，易液化，沒有自穩(wěn)能力，無法成孔，不能采取傳統(tǒng)的先成孔后頂進鋼管施工方法，應采用扭矩較大、導向較好的鉆機，配備跟管鉆具進行跟管施作。

跟管采用自行研制的鉆具，鉆桿與鋼管配合，使鋼管隨鉆桿一次安置，巖芯從鋼管內排出。要求鋼管聯結緊密，必要時在絲扣加銷、加焊，以防鋼管扣滑絲。此外，相臨鋼管絲扣錯開至少1米。

⑵鉆進參數

施工中對鉆進參數的選擇非常關鍵，主要控制兩個方面：一是轉速宜為25～35rad/min左右，轉速過大易引起鉆具在孔內擺動幅度大，對地層的影響加大，加大偏斜量。二是鉆機的壓力控制應根據鋼管頂進情況隨時調整，以進尺最快為宜，一般為1Mpa。

⑶參數配合

鉆進中對轉速及壓力的要求不是一成不變的，要視具體情況和地層特點合理選配，需要一支有經驗、技術好的施工隊伍，需要熟練的技術工人來適時掌握，而不是單純的靠一臺好的設備來完成。

⑷管棚布設施工

洞口兩側先開槽，在槽中施做護拱（臨時襯砌支護）、邊墻部位鋼拱架及混凝土。從兩端布打長管棚，對接的搭接長度不小于3-3.5m，每個斷面約布置38根管棚，每根長度42米，鋼管直徑108mm，間距40cm，管棚中間設Φ42超前小導管，小導管長3.5m，間距40cm。如圖2所示。

5.2.7注漿

管棚注漿是管棚施工的關鍵環(huán)節(jié)之一，注漿效果的優(yōu)劣同樣影響著整個管棚的施工質量，注漿漿液為1：1純水泥漿加20%的水玻璃（水玻璃濃度為35Be°）。

⑴管棚鋼管孔口安裝

注漿前，為防止?jié){液從導向管和鋼管間的間隙內外流，要把此間隙密封。

為保證注漿效果，孔口宜設排氣孔。如果管棚下傾，在特制封頭上設一排氣孔加上排氣閥即可。如果管棚上仰，則需在鋼管內設一根排氣管至孔底，其孔口裝置同前。注漿時，把排氣閥打開排氣，等漿液從排氣閥流出時，再把排氣閥關掉。

⑵注漿順序

采用鉆一注一的方法。

⑶管棚注漿

注漿漿液必須攪拌均勻，經濾網放入儲漿桶，再由注漿泵經管路注入到鋼花管中。注漿時，控制好注漿壓力和速度，在注漿泵及鋼管孔口處要設專人操作，認真觀察壓力表和孔口有無異常現象。每注完一桶，或注漿工作暫時間隙時，要把孔口注漿閥關閉，以防注漿液倒流。

按要求注完漿液后，管內再注入砂漿進行充填。對無孔實管只注砂漿進行充填，要求充填要飽滿密實。

⑷注漿結束標準

鋼花管注漿一般按單孔注漿量達到設計漿量作為注漿標準。當注漿壓力達到設計終壓不小于20分鐘，進漿量仍達不到設計注漿量時，也可結束注漿。另外，當注漿壓力達到終壓的80﹪時，出現較大的跑漿，經間歇注漿后，也可結束注漿。

⑸注漿施工注意事項

①注漿前認真檢修機具，對管路系統(tǒng)如混合器、接頭、閥門等，如有破損應予更換。

②所有注漿材料應無雜物，水泥應無結塊。

③在注雙液漿時，為防止管路堵塞，先開水泥漿泵，后開水玻璃泵。結束注漿時，先關水玻璃泵，后關水泥漿泵。

④注漿作業(yè)要前后配合，統(tǒng)一指揮。否則，不能保證注漿計劃的實現，不能達到預期的目的和效果。

⑤認真作好注漿記錄，包括每孔注漿量、注漿壓力、有無跑漿、竄漿情況等都要及時填寫清楚。

5.2.8注漿效果檢測

管棚注漿施工完畢后，為探明注漿加固效果，需采取一定的檢測手段對注漿結果加于評定，從中找出不足，加以改進，不斷提高注漿技術水平。

⑴鉆探取芯法

從取出的巖芯可以直觀地觀察并判斷漿液擴散半徑以及通過對巖芯做室內三軸強度試驗、剪切試驗等，準確評價是否滿足設計要求，從而判定注漿效果的好壞。

⑵根據開挖后實際情況進行判斷

此方法為鉆探取芯法的補充，雖為推遲檢測法，不能及時對已施工完成的管棚所存在的缺陷加以補救，但可以此來進行下一步調整完善下一循環(huán)的管棚施工，改進注漿參數。

6 機具設備

6.1 長大管棚作業(yè)主要機具設備（參見表1）

6.2 主要設備技術參數

6.2.1 MK-5坑道鉆機的技術參數（參見表2）

此鉆機廣泛應用于坑道地質勘探，錨固、旋噴注漿等工程施工作業(yè)。

鉆機采用全液壓動力頭結構，由主機、泵站、操作臺三部分組成。管棚施工時，為減輕重量，泵站可放置地面上，搬遷升降方便。此鉆機穩(wěn)定性好，給進壓力大，頂管或跟管方便。

6.2.2 BW-150泥漿泵的技術參數（見表3）

7 勞動組織

7.1 人員組織

施工人員的組織參見表4，職能組織形式如圖3所示。

7.2 施工管理

施工管理是一個系統(tǒng)工程，對施工生產的各個環(huán)節(jié)、各個方面如人力、財、物等都要認真做好施工組織，并保證得以有效的實施，實現以最少的消耗得到最大的經濟效益，達到工期短、質量好、成本低的目的。施工管理的內容主要包括技術管理、質量管理、設備管理和安全管理等。

8 安全管理

針對管棚施工特點建立安全責任制、安全檢查制和安全教育制度。做到安全責任到人，及時檢查，不留隱患，班前班后進行安全教育，確保施工中人、機、物的安全。

9 質量要求

9.1建立群眾性的質量管理小組，組織全員性的質量管理活動，開展質量管理全員教育等工作。

9.2確定管棚施工質量目標，制定質量保證責任制。

9.3建立質量管理體系，并組織協調運轉。

9.4利用科學方法，全面控制各種影響管棚質量的因素（如圖4所示）。

9.5建立嚴格的質量檢驗環(huán)節(jié)，并對施工質量進行正確評定。

9.6在工作中認真貫徹落實，使設備經常處于良好的技術狀態(tài)，能保證施工順利進行，達到提高工效、保證工程質量的目的。

10 效益分析

長大管棚是用在軟弱或破碎地層，暗洞需超前支護加固保證開挖安全情況下施作，主要是技術需要。采用特殊的施工工藝，快速優(yōu)質地完成了注漿長管棚施施工，安全有效地保證了隧道開挖穩(wěn)定，為整個工程提供了工期、安全、質量保證。在華東地區(qū)特殊地質條件下開創(chuàng)了注漿長管棚施施工的先例，為今后類似工程積累了經驗。

11 應用實例及結論

廈漳公路（廈門段）東孚隧道為淺埋暗挖單洞隧道，為地面道路與地下隧道（雙線）相結合的形式，全長340m，單孔隧道凈尺寸19.34（寬）*6.24（高）m，位于上述地層中，本隧道需下穿既有廈深鐵路牽出線淺埋軟弱人工填筑層段（Q4dl+el）粉質黏土，隧道頂厚度約為4～5米，下為厚1米左右的中粗砂層，再下為殘積粘土層，硬塑為主，土體自穩(wěn)性能差。隧道下穿地層主要為基巖裂隙水，地下水發(fā)育，對混凝土無侵蝕性。

根據暗挖隧道超淺埋及對廈深鐵路既有線保護的需要，采用長大管棚施工工法，每個斷面施工時間不到10天，管棚布設中非常順利，大大縮短了隧道開挖循環(huán)時間。從隧道開挖情況看，鋼管排列整齊，注漿效果良好，對地層和既有設施起到很好的保護作用，安全、順利地下穿了既有廈深鐵路牽出線，有效防止了塌方、涌泥事故的發(fā)生，暗挖施工期間沒有對鐵路運輸產生不良影響，保證了廈漳公路和廈深路正常交通，提高隧道的長期穩(wěn)定性，具有顯著的經濟效益和社會效益。

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