超大直徑、長距離管棚帷幕技術在下穿既有線暗挖隧道中的應用

一、前言

隨著我國基礎設施大規模建設浪潮的興起，各種公路、水渠、鐵路之間的交叉工程日益增多，因此對工程建設提出更高的要求。根據以往施工經驗，在穿越既有線的隧道工程施工中，施工組織除了要保證隧道工程本身施工的安全外，確保既有線的安全運營更是重中之重。

二、工程概況

南水北調中線總干渠與石太鐵路引入線交叉工程位于河北省石家莊市西郊的石橋村西側約0.5KM處，地形比較平坦，距國道約10KM，交通便利。石太鐵路引入線為雙線電化鐵路，改京廣貨左線為電化普速貨運鐵路，隸屬北京鐵路局管理，列車最大行車速度不大于120KM/h。本工程全長172米，均位于直線上。其中進出口U型擋墻各5米，渠道下穿石太鐵路引入線采用小凈距三孔明、暗挖隧道形式通過，單孔暗挖134米，明挖結構28米，暗渠兩孔間凈土柱8.7米，每孔斷面為馬蹄形帶仰拱形式。隧道埋深6.1米。

工程地質剖面圖

隧道結構主要位于黃土狀壤土中，中間夾有2米的礫砂層。持力層位于粘土層上。黃土狀壤土承載力標準值fk =150kpa，自穩能力一般，礫砂承載力標準值fk =150kpa，自穩能力較差，粘土承載力標準值fk =200kpa，自穩能力較好。屬于Ⅴ級圍巖，地層巖性分布較均勻、土體整體穩定性較好。地下水主要為賦存予黃土狀壤土下部及賦存予礫石中的承壓力，主要受大氣降水補給，屬于中性水（或淡水），對圬工無侵蝕性，經過基坑開挖發現實際地下水位標高在71.69m左右，而隧道開挖面底的標高為69.52m，兩者相差2.17m。

三、主要施工方法

3.1管棚帷幕技術簡介

單孔隧道斷面圖

管棚帷幕超前支護法，即利用夯管錘沿隧道頂部外45cm位置向隧道縱向夯入帶有連接互鎖導向裝置的Ф500×16mm16Mn熱軋無縫鋼管（其中隧道中心上頂第一根管為定位導向管，管徑加大為Ф711×18mm16Mn熱軋無縫鋼管）。依次按單雙號將帶連接互鎖裝置的鋼管夯入，鋼管夯通后利用TT40/60鉆機螺旋出土將管內土壤鉆出，然后向鋼管內填注有壓細石砼。鋼管和有壓細石砼形成水平向的鋼砼樁，每根鋼砼樁在導向連接裝置的連接下形成鋼砼樁帷幕。

3.2管棚帷幕施工工藝流程

管棚施工流程圖

3.2.1 施工準備

1、管材預加工

為保證管節之間的焊接強度與質量，采用坡口滿焊連接（坡口坡度60±5°，留出2±1mm不剖，鋼管間距2±1mm，最后焊接強度達到與管材等強度），焊縫要求飽滿、焊高達到規范要求，邊焊邊夯，因此在夯進前需將每段鋼管的兩端端口處打成60度坡口，以保證焊接質量（機加工的目的是為了保證切口端面與管材中心線的垂直，進而保證整體工程質量）。

鋼管端頭坡口處理圖

鋼管接頭現場焊接圖

2、夯管平臺

鋼管和夯管錘定位固定在工字鋼支架上。工字鋼臥置，利用工字鋼槽口承托鋼管和夯管錘，?711mm鋼管采用I45c工字鋼，?500mm工字鋼采用I36c工字鋼，長度都為12m;工字鋼下平鋪枕木，間距50cm，土質不好時，為了保證夯管導軌基礎的穩定，將枕木底部50cm原狀土夯填為50cm厚干拌混凝土，換填隨夯管施工逐層施做。夯管施工順序采用由中間向兩邊，單洞可搭設2個平臺，一根夯擊完畢后焊接鋼管時可倒換至另一導軌，大大提高工效。

鋼管導向裝置布置詳圖

3.2.2 測量放線

1、隧道管棚施工的控制網和高程控制網由勘測單位提供的地表基準點傳遞到地面下，必須保證精度，且必須進行復測，保證管棚中線及每根管的位置、高程的準確性。

2、考慮到夯程過長，管頭會由于重力作用勢必發生“下扎”現象，同時施工工藝、誤差以及施工后期沉降，應該適當外放管棚位置，確保建筑界限及結構構件尺寸。根在定位導軌方向時，應根據夯進長度考慮提前預留坡度或外放空間。

3、夯管平臺的導軌方向和高程直接關系到管棚的位置與形態，因此導軌的安裝精度是關鍵。

3.2.3 設備安裝

1、作業面處由專業測量人員放出孔位大樣，并放樣出軸線便于機械就位。

2、將鋼管及夯管錘吊裝在預先搭設的夯管平臺上

3、使夯管錘平移到需要的位置，位置調節好后將夯管錘放入導軌內，使夯管錘前端空出鋼管的位置;

4、將預加工好的鋼管按照夯管錘上軌道的方法擺放到夯管軌道上，夯管錘安裝的連接配件，由出土器、連接卡瓦拉緊帶、錘托架、供氣管、空壓機組成。安裝方法如圖。

錘體結構安裝圖

5、安裝時必須使錘體與夯進管中心位置保持一致，不得有偏差。如管體與夯管錘不在同一中心位置，可利用焊接工字鋼調整高度。

6、設備安裝過程中一定要將拉緊帶拉緊，不能處于松弛狀態，否則將導致夯管錘在震動過程中前后發生位移，沖擊力不能全部作用在鋼管上，降低夯進速度。

7、設備安裝時一定要安裝分瓣椎體，它可有效防止夯管錘直接作用在鋼管上造成管口發生變形，便于與下節鋼管的焊接。

3.2.4 夯進施工

1、鋼管焊接及帷幕間連接方式

1）鋼節焊接

鋼管管節間采用60°坡口對焊，焊縫處成了受力薄弱區，如果焊縫在同一截面上會形成一個整個帷幕的“軟肋”，為了避免焊縫位于統一截面上，采用10m和5m尺寸（或其他尺寸）的鋼管搭配施工，保證相鄰兩根管焊縫錯開不小于2m，保證管棚的同一剖面焊口數量不超過總數量的50%。這樣形成平面搭縫形式能夠最大限度的減少焊口所受壓力，使壓力均勻的分布到整個管棚上，降低整體的安全隱患。

管間接縫錯開示意圖

鋼管連接焊口示意圖

每根夯管首段均需裝設切割削環，以保證鋼管夯擊時不被障礙物壓環走形。夯管遇障礙物不能正常行進時夯管錘可產生瞬間沖擊力，此力為正常夯擊力的4倍，這樣，如遇孤石、石塊及小直徑鋼筋混凝土塊均可穿過，而且方向不變。

切削環安裝示意圖

切削環實際安裝圖

2）帷幕間連接

為增加帷幕整體性，以提高剛度、帷幕效果及止水效果，帷幕間采用搭扣互鎖連接，使單管連成一排，具體連接形式見下圖：

互鎖連接器安裝圖

互鎖連接器大樣圖

2、夯進施工

將管材與夯管錘擺放到導軌后，調整平臺導軌，使鋼管中心線與夯入中心線重合后，將互鎖鋼條焊接到鋼管兩側再夯進。第一節管夯入1米和4米時分別停止夯進，按照已設定的中心軸線進行復測，如有偏差，立即糾正。定位管夯進完成后，待夯鋼管與臨邊就位鋼管采用互鎖鎖緊，沿著互鎖夯進就位，每個單洞的由中心向兩邊依次順序打設。

一般所采取的糾偏措施：用人工將鋼管在軸線偏差的相反方向的土清除，在軸線偏差的方向鋼管外壁打楔子;就是調整夯管錘的沖擊方向，使沖擊方向與偏差方向相同。經過實踐經驗此兩種方法僅在前4m夯進過程中可有效的糾偏，如夯進過深暫無法得到有效糾偏，所以定位管前4m一定要嚴格復測，確保方向準確，避免后期發生偏差無法糾正。

3、技術要點

1）由于孔位置要求嚴格，在每一根鋼管夯進過程中，都必須嚴格控制夯進參數;

2）根據夯管錘工作性能和施工經驗介紹，夯進過程中管向左右偏側差的可能性很小，大部分均為向下，主要原因是鋼管及管內土在重力做用下而產生的，如隧道工程中為了保證不影響初支結構凈空，可適當加大預留上揚坡度，沖抵因重力造成的扎頭因素。

3）第一根鋼管夯進尤為重要，它是導向管直接影響后續管節的夯進方向與精度，宜采用低氣壓緩慢夯進，待夯入完畢恢復正常氣壓繼續夯進，以免定位管夯進發生偏離。

4）夯管作業開始以后，要求連續進行，盡量減少作業間歇時間，且不宜中途停止。因為間歇時間過長，會造成土層和管外壁粘在一起，增大摩擦力，從而使夯進阻力增

5）焊接前，應檢查兩鋼管的水平、垂直位置及兩管的同軸情況，以免由于不同心鋼管發生偏移現象。

6）為保證所夯鋼管的平直，所有鋼管接口焊接均須在鋼軌上進行，在全部夯進過程中嚴禁將鋼管完全夯下導軌。

3.2.5 管內出土及灌漿施工

管內出土采用鉆機機械出土的方法，主要采用螺旋鉆機出土，人工輔助清理。在夯進過程中合理分配施工場地，避免由于出土和夯進交叉施工影響施工效率。待所有管內出土完畢后，在管口處用封堵板進行封堵，封堵板焊接泵送管接口，連接泵送車的輸送管道，利用泵送車將混凝土壓入管內。

技術要點如下：

1）由于夯管錘的高頻振動導致管內的土體極為密實，雖采用機械清理仍然十分困難，為此可配合壓入高壓水，水在管內部不會影響既有線正常運營。

2）為了保證壓注混凝土施工質量，在上部預留排氣孔避免管內氣壓過大，混凝土輸送困難。

3）灌注混凝土采用細石混凝土或自密實混凝土，并根據現場情況適時的通知攪拌站調整混凝土添加劑、塌落度及和易性等指標，如鋼管過長可采用高標號水泥砂漿，保證鋼管內壓注混凝土的整體性。

四、體會與建議

經實際操作實施后，發現超大管棚對后期暗挖施工起到了很好的棚護作用，配合線路加固及路基注漿等措施，在帶水的環境下進行隧道開挖及支護，3條既有鐵路路沉降很小，基本在可控范圍之內，很好的保證了鐵路正常運營。

根據管棚扎頭現象數據統計，發現管棚在40m夯程內不會出現下扎現象，但在40m后下扎幅度很大，很不容易控制管棚的夯進方向，極易侵入隧道結構，后期處理非常麻煩。為此，在實際施工過程中采用外放40cm，并分別制定0%、0.5%、1%和1.5%四種預抬坡度進行夯進實驗，然后測量管頭位置統計數據，統計如下表：

現場管頭位置實驗統計表

通過后期總結，本工程管棚外放50cm，10m導向軌頭抬高15cm，形成一個1.5%的仰角避免管棚后半程扎頭過多，此措施在實際應用中起到了很好的效果，有效的避免管棚由于過長發生侵入主體結構的現象。

道暗挖施工中，超大管棚的施做起到的棚護作用非常顯著，但不同地質條件下夯進方向的控制參數要根據現場監測數據及時調整，本文中的方向及外放參數只是針對該地質條件，類似地質條件下可采用，但在其他地質條件下還需在施工過程中注意總結分析，這樣才能保證夯進方向在可控范圍之內。

參考文獻：

[1]《鐵路隧道施工技術指南》（TZ204-2008）;

[2]《鐵路隧道監控量測技術規程》（TB10121-2007）;

[3]《鐵路混凝土與砌體工程施工質量驗收標準》（TB10424-03）;

[4] 《鐵路混凝土工程施工質量驗收補充標準》（鐵建設[2005]160號）;

[5]《鐵路混凝土工程施工技術指南》TZ210-2005;