淺談地鐵施工中的管棚技術(shù)

王強(qiáng)

【摘 要】管棚技術(shù)又在暗挖施工中對(duì)于在軟巖隧道施工中穿越破碎帶、松散帶、軟弱地層，涌水、涌砂層發(fā)揮了重要作用。由于預(yù)埋超前管棚做頂板及側(cè)壁支撐作用.為后續(xù)的隧道開(kāi)挖奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，

【關(guān)鍵詞】管棚施工；管棚技術(shù)；水平鉆機(jī)；應(yīng)用前景；風(fēng)道；地下工程施工；地下管線

自1863年倫敦建成世界上第一條地鐵以來(lái)，到1990年世界上已有30多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的100余座城市建成地鐵并投入了使用。幾乎世界著名的城市如倫敦、紐約、柏林、巴黎、莫斯科、東京、新加坡、香港等都先后建成并形成地鐵網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。隨著改革開(kāi)放形勢(shì)的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng)，地鐵在我國(guó)有著美好的發(fā)展前景。我國(guó)地鐵建設(shè)起步較晚，但隨著改革開(kāi)放和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也日益得到重視。

地鐵暗挖車站施工技術(shù)是一項(xiàng)新發(fā)展的技術(shù)，地下鐵道車站常用方法多為明挖法、蓋挖法，受特殊環(huán)境限制方采用暗挖法施作，暗挖車站施工技術(shù)更為復(fù)雜而管棚技術(shù)又在暗挖施工中對(duì)于在軟巖隧道施工中穿越破碎帶、松散帶、軟弱地層，涌水、涌砂層發(fā)揮了重要作用。由于預(yù)埋超前管棚做頂板及側(cè)壁支撐作用.為后續(xù)的隧道開(kāi)挖奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，且施工快、安全性高、工期短.被認(rèn)為是隧道施工中解決冒項(xiàng)的最有效最合理的施工方法。下面就從以下幾個(gè)方面來(lái)闡述具體地鐵施工中的管棚技術(shù)。

管棚法被用于城市地下鐵道的暗挖施工，在建筑物密集、交通繁忙的城市中心地區(qū).采用明挖法施工地下工程必須拆遷大量的地層管網(wǎng)和地面建筑物，隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的呼聲越來(lái)越高及政府對(duì)環(huán)保的日益重視，承包商們不得不放棄既影響交通又不利于環(huán)境保護(hù)的明挖法而改用暗挖施工法，管棚法作為一種重要的暗挖施工法在日本、美國(guó)及歐洲各國(guó)被廣泛采用。

管棚鉆機(jī)是管棚法施工技術(shù)中最關(guān)鍵的設(shè)備，它的作用是沿著隧道斷面外輪廓超前鉆進(jìn)并安設(shè)管棚。最早的管棚法施工采用的是普通水平鉆機(jī).隨著管棚法大量應(yīng)用.專用管棚鉆機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。世界上最早推出管棚鉆機(jī)的是意大力RODIO公司的管棚鉆機(jī)。隨著一些著名的制造商也相繼推出了專用的管棚鉆機(jī).如意大利的CASAGRANDE公司、SOILMEC公司、PUNTEL公司、美國(guó)INGERSOLL.RAND公司等。目前用于管棚施工的鉆機(jī)分為坑道鉆機(jī)、定（導(dǎo)）向鉆機(jī)、水平鉆機(jī)、夯管錘及專用管棚鉆機(jī) 長(zhǎng)隧道最好選用專用管棚鉆機(jī).短隧道如地下立交、地下過(guò)街道可考慮用其它類型的鉆機(jī)。世界上雖長(zhǎng)的大口徑長(zhǎng)管棚是日本八戶市一段公路隧道施工采用的管棚，全長(zhǎng)180m，全部采用長(zhǎng)管棚施工， 從隧道兩端設(shè)立了管棚推進(jìn)基地各推進(jìn)90m，水平鉆機(jī)安設(shè)管棚。 中國(guó)地質(zhì)裝備總公司1987年開(kāi)始研制開(kāi)發(fā)專用管棚鉆機(jī)，1989年北京西單地鐵車站的承建商鐵道部第十六工程局在采購(gòu)管棚法施工設(shè)備時(shí)，中國(guó)地質(zhì)裝各總公司開(kāi)發(fā)研制的土星鉆機(jī)以鉆孔精度高及價(jià)格低而中標(biāo)，并在舉世矚目的北京西單地鐵車站暗挖工程中獲得成功的應(yīng)用，鐵道部第十六工程局先后購(gòu)買了8臺(tái)士星管柵鉆機(jī) 在工程實(shí)踐中，中國(guó)地質(zhì)裝備公司先后開(kāi)發(fā)了5個(gè)品種的鉆機(jī)并形成系列產(chǎn)品。管棚鉆機(jī)廣泛適用于水電、冶金、公路、建材、國(guó)防等施工單位，適用于中硬及硬巖中的鑿巖工作，更適用于穿鑿預(yù)裂爆破及水平、階梯式爆破深孔，尤其對(duì)開(kāi)邊坡預(yù)裂孔及預(yù)應(yīng)力錨索鉆機(jī)更有其獨(dú)到之處。

一、技術(shù)準(zhǔn)備

（一）測(cè)量放線

施工前熟悉設(shè)計(jì)圖紙并按設(shè)計(jì)進(jìn)行管棚輪廓線位置放樣，測(cè)量人員對(duì)孔位進(jìn)行布置，孔口管的埋設(shè)，其方位角、仰角，外留長(zhǎng)度、埋設(shè)長(zhǎng)度須嚴(yán)格按設(shè)計(jì)執(zhí)行。架立鉆機(jī)時(shí)用羅盤(pán)、掛線相結(jié)合的方法，確保鉆機(jī)軸線與管棚設(shè)計(jì)軸線相吻合，管棚中心定位經(jīng)質(zhì)檢工程師和監(jiān)理工程師檢查合格后方可進(jìn)行鉆孔。

（二）鉆孔導(dǎo)向

為了保證管棚鉆進(jìn)精度，擬采用高精度導(dǎo)向儀，用有線和無(wú)線相結(jié)合的導(dǎo)向方法，隨時(shí)監(jiān)控鉆進(jìn)方向，隨時(shí)監(jiān)控鉆進(jìn)方向，保證有效控制偏斜，其鋪設(shè)精度為70米±30cm，即70米長(zhǎng)度上下左右偏差不超過(guò)30cm。

（三）機(jī)具準(zhǔn)備

進(jìn)場(chǎng)場(chǎng)機(jī)具主要有水平鉆機(jī)、空壓機(jī)、風(fēng)鎬、泥漿泵、砂漿泵、泥漿攪拌機(jī)、水平導(dǎo)向系統(tǒng)、電焊機(jī)等

二、主要施工方法和措施

本工程設(shè)計(jì)管棚長(zhǎng)度為70m，管棚選用φ159的熱軋無(wú)縫鋼管，t=8mm，環(huán)向間距400mm，鋼管間采用絲扣連接，每段長(zhǎng)度3-6m。根據(jù)本工程的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、施工場(chǎng)區(qū)環(huán)境等具體情況，為防止鉆進(jìn)中地下水及泥沙涌出，確保管棚打設(shè)工程質(zhì)量，并依據(jù)我單位在非開(kāi)挖定向鋪管方面的施工經(jīng)驗(yàn)，決定選用孔口設(shè)密封裝置，“一次性導(dǎo)向跟管鉆進(jìn)法”，即成孔和打設(shè)支護(hù)管一次完成。采用ф159×8mm管做鉆具，楔形導(dǎo)向鉆頭，焊在管棚前端，一次性使用。鉆頭內(nèi)放置導(dǎo)向探頭（含回取裝置）、固定單向閥的導(dǎo)向?qū)Ｓ勉@頭，采用泥漿護(hù)壁，利用有線導(dǎo)向儀監(jiān)控，隨鉆進(jìn)加尺（方位、角度發(fā)生變化時(shí)，隨時(shí)進(jìn)行修正），將支護(hù)管依次打入。同時(shí)將支護(hù)管接口焊接嚴(yán)密，直至達(dá)到設(shè)計(jì)長(zhǎng)度（施工工藝流程見(jiàn)圖2）。主要施工程序如下：

（一）操作平臺(tái)搭設(shè)

平臺(tái)搭設(shè)前須夯實(shí)地基，以保證鉆進(jìn)過(guò)程中操作系統(tǒng)的穩(wěn)定及鉆進(jìn)精度。鉆機(jī)平臺(tái)采用枕木搭建，平臺(tái)滿鋪松木板，根據(jù)管棚孔的位置，分層調(diào)整鉆機(jī)平臺(tái)。鉆機(jī)平臺(tái)搭設(shè)好以后進(jìn)行鉆孔，鉆孔順序由高孔位向低孔位進(jìn)行， 可縮短移動(dòng)鉆機(jī)與搭設(shè)平臺(tái)時(shí)間，便于鉆機(jī)定位、定向。見(jiàn)圖3操作平臺(tái)布置圖。

（二）管位鑿孔

在設(shè)計(jì)管棚孔位放線定位后，人工鑿除基坑圍巖孔位，遇圍護(hù)樁位管棚采用樁身鉆孔取芯，芯孔直徑約200mm。根據(jù)管棚設(shè)計(jì)長(zhǎng)度及該段地質(zhì)情況，管棚打設(shè)外插角為0.30-0.50，并按設(shè)計(jì)初支外弧線外放30cm（即管棚中心點(diǎn)距初支外弧線距離）。孔位鑿除要準(zhǔn)確，打設(shè)時(shí)與圍巖封閉密實(shí)。

（三）鉆機(jī)就位

1.準(zhǔn)備工作

（1）檢查設(shè)備是否有缺件，好壞程度。電機(jī)、鉆機(jī)、泵等測(cè)試運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常，所有部件是否完好；液壓系統(tǒng)是否通暢，密封完好度，液壓油泄漏狀況。

（2）檢查所有焊接部位是否有開(kāi)焊，各種部件是否有變形，有則進(jìn)行更換。

（3）鉆具組裝

①鉆頭楔掌板旋轉(zhuǎn)直徑Φ≤115mm，楔型面與鉆具（鉆桿）交角≤20°；

②水眼直徑Φ為8-10mm；

③鉆具前部的導(dǎo)向鉆頭，探棒必須經(jīng)檢驗(yàn)，保證質(zhì)量合格，性能可靠，安裝齊全；

④探頭盒后部加裝燈光以備隨時(shí)測(cè)斜之用。

（四）鉆機(jī)設(shè)備組裝

設(shè)備組裝順序?yàn)椋轰搲|板固定→H型鋼軌擺正找平→下行車組裝→軌道焊接→下節(jié)立柱安裝→第一層角鋼→第二層槽鋼→鎖緊斜拉筋→4柱對(duì)角找方→擺放工作臺(tái)板→水平鉆機(jī)安裝→電器安裝→前后絲杠、頂杠安裝→試運(yùn)轉(zhuǎn)。

（五）鉆機(jī)定位

進(jìn)鉆前，用經(jīng)緯儀以坐標(biāo)法在掌子面標(biāo)定管棚孔位。鉆孔方位要求與線路中線平行，必須精確核定鉆機(jī)位置。架立鉆機(jī)時(shí)用精密陀螺儀檢測(cè)、經(jīng)緯儀、掛線相結(jié)合的方法，確保鉆機(jī)軸線與管棚設(shè)計(jì)線相吻合。鉆機(jī)定位時(shí)，根據(jù)鉆孔深度鉆桿軸線與管棚軸線有一定數(shù)值的仰角，以抵消鉆深后鉆桿自重增加所產(chǎn)生的下垂。

（六）鉆孔、管棚跟進(jìn)

（1）管棚加工及連接

管棚材料應(yīng)順直，進(jìn)場(chǎng)后報(bào)監(jiān)理工程師檢驗(yàn)，材質(zhì)符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。檢驗(yàn)合格后采取在現(xiàn)場(chǎng)分節(jié)加工，每節(jié)鋼管長(zhǎng)度為3.0-6m，鋼管間采用絲扣連接，絲扣長(zhǎng)度為60mm，管箍長(zhǎng)200mm，并均采用厚壁鋼管制作。鋼管每間隔30cm布置一孔眼，梅花形錯(cuò)開(kāi)，孔眼直徑為Φ10mm。

（2）鉆進(jìn)

由于采用跟管鉆進(jìn)法，鋼管安裝和鉆機(jī)進(jìn)尺是同一過(guò)程。鉆頭采用與鉆管等徑的楔型鉆頭，楔板回轉(zhuǎn)半徑略大于鉆管半徑，鉆頭前端有Φ8-10mm的水眼，當(dāng)鉆頭正常回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)鉆管沿直線前進(jìn)。水平鉆進(jìn)中受鉆具自重影響，鉆具前部產(chǎn)生下垂現(xiàn)象，鉆具順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生右旋力，造成鉆孔偏斜。因此確定開(kāi)孔角度時(shí)，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)孔成果，需要給開(kāi)孔方位角與垂直角以合理的糾偏值，并根據(jù)已成孔測(cè)斜結(jié)果隨時(shí)予以調(diào)整糾偏角度。

開(kāi)孔方位=線路走向+鉆孔放射角水平分量+水平糾偏角

開(kāi)孔仰角=鉆孔放射角垂直分量+鉆進(jìn)糾偏垂直角

注：計(jì)算中應(yīng)將線路坡度考慮在內(nèi)。

用Φ8mm的鋼絲繩將探頭盒取出，取出時(shí)應(yīng)每10米測(cè)量一次孔斜情況；單孔打設(shè)驗(yàn)收合格后，通過(guò)管內(nèi)壓注水泥漿，對(duì)管內(nèi)及管外環(huán)狀間隙進(jìn)行充填。

在一般地層中，同徑管一次性跟管鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)掌握以下原則：中小水量、低轉(zhuǎn)速、中低壓力、均勻給進(jìn)。一般鉆壓800-1600kg；轉(zhuǎn)速30～60轉(zhuǎn)/min（砂層取其低值，粘性土取其高值最高≤100轉(zhuǎn)/min），泵量30-100升/min。水平鉆進(jìn)，粗碎屑易在鉆具底部沉淀，造成鉆孔上仰或左右偏斜。因此鉆進(jìn)中注意：

①加強(qiáng)沖洗液質(zhì)量管理；

②合理控制泵壓、泵量，以保證鉆進(jìn)碎屑在強(qiáng)懸浮力的作用下部分帶出孔外；

③根據(jù)不同地層，調(diào)整和控制好鉆壓、轉(zhuǎn)速，保持適度勻速給進(jìn)。

④時(shí)刻掌握導(dǎo)向探頭返回?cái)?shù)據(jù)，及時(shí)糾偏鉆進(jìn)角度。

沖洗液循環(huán)系統(tǒng)工藝流程：

①?zèng)_洗液循環(huán)系統(tǒng)：

沖洗液制備→儲(chǔ)漿池（箱）→泥漿泵→高壓管→送水器→鉆具→管外環(huán)狀間隙→孔口回水閥門→回漿管（溝）→沉淀池（箱）→儲(chǔ)漿池（箱）。

②排放污水系統(tǒng)：

基坑邊污水沉淀池及排水溝管→坑底污水池挖砌→潛污泵安置→鋪設(shè)排污水管路→電路連接→試運(yùn)轉(zhuǎn)。

三、質(zhì)量保證及應(yīng)急措施

（1）為了保證管棚鉆進(jìn)質(zhì)量，采取跳孔鉆進(jìn)，鉆孔由高孔位向低孔位進(jìn)行開(kāi)孔孔位偏差≤±50mm，若須移位，應(yīng)調(diào)整開(kāi)孔角度進(jìn)行回歸；開(kāi)孔孔位距隧道開(kāi)挖線設(shè)計(jì)為300mm，不允許向內(nèi)偏斜。管棚的偏斜應(yīng)控制在5‰以內(nèi)，終端最大控制間距為300mm。

（2）施工前測(cè)量人員須校對(duì)布置好的孔位，孔口管埋設(shè)的方位角、仰角，外留長(zhǎng)度、埋設(shè)長(zhǎng)度須嚴(yán)格按設(shè)計(jì)執(zhí)行，開(kāi)鉆后鉆孔角度須復(fù)測(cè)。

（3）孔口管回水管焊接牢固，在插入孔內(nèi)部分的孔口管麻片纏繞要均勻密實(shí)。厚度適度，須保證用大錘能將孔口管貫入孔內(nèi)。孔口管安裝好密封盒后，檢查是否平直，必須保證角度準(zhǔn)確。

（4）鉆機(jī)定位要穩(wěn)固，鉆具安裝好后，做到與孔口密封裝置同心，保證密封效果。鉆機(jī)定位后，根據(jù)管位高度，將給進(jìn)架吊至誤差50mm范圍內(nèi)，用儀器精確測(cè)定其仰角和方位角，通過(guò)前后微調(diào)進(jìn)行調(diào)整，給進(jìn)架卡瓦固定后進(jìn)行復(fù)測(cè)，以確保施工質(zhì)量。

（5）鉆進(jìn)前須先開(kāi)泵，待循環(huán)正常后方可啟動(dòng)鉆機(jī)進(jìn)行鉆進(jìn)。為防水土流失，控制沉降，應(yīng)通過(guò)回水閥門嚴(yán)格控制回水量，始終保持回水量小于或等于進(jìn)水量。

（6）鉆進(jìn)時(shí)泵壓控制在1.2Mpa以上，泵量為50～100L/min為宜。隨著不斷地鉆進(jìn)，結(jié)合地質(zhì)情況的變化，對(duì)技術(shù)參數(shù)不斷地適時(shí)調(diào)整。鉆孔出現(xiàn)涌水時(shí)，盡量保持泵壓，泵量不能變小，以便平衡孔內(nèi)壓力。

（7）沖洗液參數(shù)的調(diào)整要結(jié)合地層變化、孔內(nèi)情況進(jìn)行確定。沖洗液循環(huán)不正常時(shí)，嚴(yán)禁繼續(xù)鉆進(jìn)。

（8）導(dǎo)向技術(shù)人員隨著不斷鉆進(jìn)，必須時(shí)刻觀察探頭角度變化情況， 角度偏差大于0.3°時(shí)，應(yīng)及時(shí)糾偏。當(dāng)糾偏無(wú)效、偏差大于0.6°時(shí)，應(yīng)停止鉆進(jìn)，及時(shí)報(bào)告現(xiàn)場(chǎng)值班技術(shù)員，研究對(duì)策后再施工。

（9）鉆孔合格后及時(shí)安裝鋼管，其接長(zhǎng)時(shí)連接必須牢固。注漿漿液必須充滿鋼管，注漿量和壓力應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。

（10）施工前應(yīng)對(duì)施工影響范圍內(nèi)和管線進(jìn)行探測(cè)，核對(duì)管線資料，最大埋深，根據(jù)調(diào)查結(jié)果做出相應(yīng)防范措施。

（11）鉆進(jìn)中出現(xiàn)地下水泥沙涌出時(shí)：

①壓緊密封裝置的壓蘭；適當(dāng)改小泵送水量；

②如發(fā)現(xiàn)地下水壓力太大，可迅速加固孔口管；增加漲管螺栓和爪片數(shù)量，以便加固孔口管，防止孔口管外移。

四、質(zhì)量驗(yàn)收和標(biāo)準(zhǔn)

（一）材料質(zhì)量驗(yàn)收

鋼管、水泥等材料符合設(shè)計(jì)及規(guī)范規(guī)定，并附有產(chǎn)品合格證、出廠檢驗(yàn)報(bào)告和進(jìn)場(chǎng)復(fù)試報(bào)告，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理工程師檢驗(yàn)合格后方可進(jìn)行施工。

（二）質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

（1）施工資料齊全，符合《市政基礎(chǔ)設(shè)施工程資料管理規(guī)程》（DBJ01-71-2003）要求。

（2）施工質(zhì)量符合軌道交通《車站工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》（QGD-006-2005）、《地下鐵道工程施工及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》（GB50299-1999）及其他相關(guān)規(guī)范的規(guī)定。

（三）施工允許偏差和檢查方法

按施工工藝程序，每道施工程序及其主控項(xiàng)目和一般項(xiàng)目的驗(yàn)收結(jié)果均應(yīng)符合設(shè)計(jì)及施工規(guī)范的規(guī)定。主要施工項(xiàng)目允許偏差及檢查方法如表1所示。

主要施工允許偏差表 表1

五、文明安全施工要求

（一）文明施工要求

（1）嚴(yán)格要求全體施工人員對(duì)文明施工的重要意義必須有充分的認(rèn)知，使之成為每個(gè)人的自覺(jué)行為，施工現(xiàn)場(chǎng)符合北京市文明施工標(biāo)準(zhǔn)化要求。

（2）材料堆碼整齊，交錯(cuò)疊放高度不得超過(guò)1.5米，做到橫成排、豎成行。機(jī)械設(shè)備、材料、物資的搬運(yùn)、裝卸時(shí)應(yīng)保證周圍施工設(shè)施。

（3）導(dǎo)管和管棚安裝前應(yīng)將工作面封閉嚴(yán)密、牢固，清理干凈。對(duì)鉆進(jìn)時(shí)產(chǎn)生廢漿和涌出的地下水，應(yīng)及時(shí)排出，泥砂按時(shí)清理，并運(yùn)卸到指定地點(diǎn)。

（4）沖洗液池、沉淀池、排水溝應(yīng)合理布局；泥漿泵、配電柜須架空高度應(yīng)大于0.60m。

（5）超過(guò)噪音限度的施工作業(yè)，必須控制，如切割機(jī)、刨木機(jī)等；加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)防火教育，落實(shí)消防措施，配備足夠的滅火器材。

（6）加強(qiáng)文明施工管理，愛(ài)護(hù)施工機(jī)具和材料，減少浪費(fèi)。

（二）安全措施

（1）墊高鉆機(jī)所使用的木板一定要穩(wěn)固，防止產(chǎn)生沉降、位移及塌落。

（2）電器設(shè)備、電纜、電線必須有漏電保護(hù)、防水保護(hù)。

（3）照明設(shè)備以保證各工種正常生產(chǎn)、安全生產(chǎn)為原則，燈具布局合理，盡量減少來(lái)回拉拽電線、移動(dòng)照明燈為宜。

（4）施工中使用的電力線（注意有否老化，漏電現(xiàn)象）、風(fēng)管線、水管線要布置整齊，有條理。

（5）施鉆時(shí)，按機(jī)械操作規(guī)程操作，嚴(yán)防機(jī)械傷人。

（6）注漿前嚴(yán)格檢查機(jī)具、管路及接頭處的牢靠程度，以防壓力過(guò)大爆炸傷人。

（7）要注意及時(shí)排水，防止作業(yè)面泥濘。

（8）鋼管內(nèi)注漿時(shí)，操作人員必須帶好口罩、眼鏡及膠手套。

（9）必須具備良好的照明條件。

（10）實(shí)時(shí)注意掌子面的情況，防止注漿壓力過(guò)大掌子面開(kāi)裂