管棚夯管法施工對周邊環境影響分析

楊會軍，孔 恒

(1.中鐵六局集團有限公司，北京 100036;2.北京市政建設集團有限責任公司，北京 100045)

0 引言

管棚法作為隧道施工常用的一種輔助工法，在地質條件差、周邊環境復雜、變形控制嚴格等情況下發揮了重要作用，尤其是淺埋暗挖法隧道穿越既有建(構)筑物時，對控制塌方和抑制地表沉降具有明顯的效果［1－4］。其常用的施工方法有鉆孔法、頂管法、夯管法等。當通過松軟地層時，可采用夯管法施工，其工藝原理是通過切削地層，減小了對地層的直接擠壓，因此采用夯管法控制沉降效果較好。但是夯管法施工對周邊環境造成的影響也不容忽視，諸如管棚施打和注漿時，所引起的噪音、振動、既有結構變形等，對周圍環境及既有線也帶來了不利影響。為此不少學者對其進行了研究，如文獻［5］對淺埋暗挖黃土隧道管棚受力機制進行了研究分析;文獻［6－10］介紹了淺埋暗挖法下穿既有運營車站管棚施工方法及關鍵技術。但在管棚夯打、注漿過程中對地層、既有車站變形、軌道沉降等造成的影響均未進行監測及分析。本文通過管棚施工過程中對周邊環境的實際監測，分析了管棚施工對周邊環境的影響程度，以期對類似工程施工提供參考。

1 工程概況

新建車站位于北京地鐵4號線宣武門車站與2號環線宣武門車站垂直交叉處，并且從其下下穿而過。頂板與既有車站底板之間垂直距離只有1.9 m，下穿既有站時采用φ300 mm大管棚保護下的CRD工法施工。新建車站與既有運營車站位置關系縱斷面圖如圖1所示。

圖1 新建車站與既有運營車站位置關系縱斷面圖(單位:mm)Fig.1 Longitudinal profile showing relationship between Metro station under construction and existing Metro station(mm)

管棚范圍內地層主要為卵石圓礫層、粉質黏土層、粉土層。地下水極為豐富，屬層間水，水位標高為24.19 ～26.38 m(水位埋深為20.50 ～24.30 m)，地下層間水位比車站底板標高高4 m左右，對施工影響很大，施工中采取降水措施以降低地下水位。

2 管棚施工技術

2.1 管棚設計

下穿既有線施工采用管棚支護，上半斷面布設φ 300 mm大管棚，平頂拱部上方梅花形布置雙層管棚，水平間距450 mm，垂直間距331 mm，共98根;側墻兩側設置單排管棚，間距450 mm，共40根。具體布置見圖2和圖3。鋼管按設計要求采用DN299鋼管，壁厚12 mm。

圖2 管棚布置圖(單位:mm)Fig.2 Layout of roof pipes(mm)

2.2 施工流程

夯管施工工藝流程如圖4所示。

圖3 管棚布置縱斷面圖(單位:m)Fig.3 Longitudinal profile showing layout of roof pipes(m)

圖4 夯管施工工藝流程圖Fig.4 Technical flowchart of roof pipe ramming

2.3 施工關鍵技術

2.3.1 堵頭墻破除

由測量組畫出管棚施作范圍輪廓線，根據夯管進度及順序，分次用風鎬破除管棚范圍的堵頭墻初期支護(2～3根范圍)，對影響夯管的工鋼及連接筋夯進前割除。每夯進2～3根鋼管后，將鋼管與堵頭墻初期支護用短工鋼及連接筋焊接牢固，并對堵頭墻空隙噴混凝土充填密實。

2.3.2 地質及障礙物探查

在單層段兩端畫出管棚孔位，采取隔兩孔探一孔的方法進行地質及障礙物探查，探孔深度3.5 m。未發現障礙物的探孔及時回填密實，并用混凝土封堵牢固。

2.3.3 試夯

1)確定夯擊頻率:試夯夯擊頻率初步按180次/min進行。

2)確定上仰角:初步設定上仰角為1.5%。

3)確定夯進順序:采取由中間向兩側間隔跳打的順序。

2.3.4 跳孔施工

夯管施工采取“間隔跳打，先中間、后兩側，先下排、后上排”的順序進行。

2.3.5 夯管施工

在管棚的位置留設套孔固定孔位，以確保管棚進口施工位置準確。根據每根管棚的中心線及高程，鋪設夯管錘軌道。

1)管壁潤滑。為減小管壁內外摩擦力，鋼管就位好后，在夯進前均勻涂抹潤滑油脂(采用黃油)，以充分潤滑內外管壁。

2)夯進。第1根鋼管夯進較為重要，并會影響后續管節的夯進精度，所以采用低氣壓緩慢夯進，待夯入完畢恢復正常氣壓后再繼續夯進。夯擊施工中須嚴格控制孔位軸線，若有不利偏向要及時進行糾正，糾偏遵循“勤糾少糾”的原則。

3)鋼管滿焊連接。管節間采用坡口滿焊對接，焊縫要求飽滿、焊高達到規范要求，對接完成后，保證接口處平順，再在接口處幫焊10 cm長鋼管。

4)出土。采用高壓風吹土，根據夯進情況選擇分段出土或是一次性出土。若夯進困難，則每夯進1節則出1次土，以減小夯進阻力;若夯進較順利，則夯通后采取由兩端對吹的方式出土。

5)注漿。鋼管端部設止漿封堵鋼板，并在鋼板上設注漿孔及出漿孔，壓注無收縮水泥漿。水灰質量比為0.6∶1，注漿壓力控制在0.5 MPa，摻加10%的防收縮增強外加劑XPM。采用注漿壓力和注漿量雙控標準。

6)管頭封閉處理。所有管棚注漿完畢后，將多余管頭割除，堵頭墻處按設計封閉。

3 施工影響分析

3.1 監測內容

1)結構沉降監測采用靜力水準儀，既有車站內以及新建車站中線兩側30 m范圍為重點監測部位，既有結構和走行軌道沉降監測點布置如圖5所示。

圖5 既有結構和軌道沉降監測點布置示意圖Fig.5 Layout of settlement monitoring points for existing structure and track

2)支護結構與既有站底板之間地層縱向沉降采用通長測斜管進行實時監測，測斜管布置如圖6所示。

圖6 支護結構與既有車站底板間測斜管布置(單位:mm)Fig.6 Layout of ground settlement monitoring inclinometers installed between supporting structure of Metro station under construction and floor of existing Metro station(mm)

3.2 監測結果分析

3.2.1 既有結構沉降

既有結構縱向沉降分布如圖7所示，監測結果顯示:

圖7 既有結構縱向沉降分布圖Fig.7 Curves of longitudinal settlement of existing structure

1)地鐵4號線中心上方既有結構沉降最大值為4.32 mm(正值表示隆起)，距離地鐵4號線45 m處沉降最小值為0。

2)管棚施工過程中，管棚的夯打以及注漿對土體的擾動，引起既有結構產生抬升，表現為既有結構整體隆起。

3.2.2 軌道沉降

軌道縱向沉降分布如圖8所示，監測結果顯示:

1)管棚施工開始:地鐵4號線中心上方既有線軌道隆起最大值為0.64 mm(正值表示隆起)，距離地鐵4號線40.5 m處既有線軌道沉降最小為－0.07 mm(負值表示下沉)。

2)管棚施工結束:地鐵4號線中心上方既有線軌道隆起最大為4.08 mm(正值表示隆起)，距離地鐵4號線40.5 m處既有線軌道沉降最小為0。

3)管棚施工開始，結構沉降主要由于既有線路正常運營振動引起，數值變化較小;管棚施工過程中，管棚夯打以及注漿對土體產生擾動，引起軌道隆起。

圖8 軌道縱向沉降分布圖Fig.8 Curves of longitudinal settlement of existing tracks

3.2.3 既有結構沉降與軌道沉降對比分析

軌道沉降與既有結構沉降關系曲線如圖9所示，結果表明:

1)測點位于管棚施工區內，管棚的夯打和注漿直接影響既有結構和軌道的隆沉，最大隆起分別達到4.41 mm和4.52 mm，因此必須嚴格控制注漿壓力和注漿量。

2)當測點處于施工影響區外，既有結構和軌道結構的隆起增加緩慢，且隆起值較小。

圖9 軌道沉降與既有結構沉降關系曲線(2007年5月開始監測)Fig.9 Correlation between settlement of existing tracks and that of existing structure

3.2.4 既有結構沉降與地層沉降對比分析

測斜管采集的地層沉降數據，與對應于該點同一豎直監測斷面的既有結構沉降測點的監測數據具有一定的可比性，監測結果如圖10所示。

1)管棚施工過程中，地層沉降發生顯著的振蕩變化，最大振幅達到1.14 mm，最大沉降值為 －1.44 mm;相比較而言，既有結構沉降呈現緩慢隆起抬升，最大值為2.02 mm(正值表示隆起)，最小值為1.14 mm(正值表示隆起)，變化幅度為0.88 mm。

2)管棚施工過程中，地層沉降與既有結構沉降關系不明顯，管棚夯打以及注漿過程中，土體應力變化以及注漿不密實，引起地層產生沉降。既有結構的沉降表現為結構整體的位移，受管棚夯打及注漿影響，既有結構表現為隆起。

圖10 既有結構沉降與地層沉降關系曲線Fig.10 Correlation between existing structure settlement and ground settlement

4 結論與建議

1)管棚施工對既有車站變形影響的控制效果總體良好，所有變形值均未超出下穿既有車站施工目標控制值。

2)夯管施工按照“間隔跳打，先中間、后兩側，先下排、后上排”的順序進行，并控制注漿參數，從而有效控制了管棚施工對地層、既有車站變形、軌道沉降的影響程度。

3)管棚的夯打和注漿直接影響既有結構和軌道的隆沉，因此必須嚴格控制注漿壓力和注漿量。

4)管棚施工過程中，地層沉降與既有結構沉降關系不明顯，管棚夯打以及注漿過程中，松散土體應力變化以及注漿不密實，引起地層產生微小沉降。既有結構的沉降表現為結構整體的位移，受管棚夯打及注漿影響，既有結構表現為抬升、隆起。

管棚施工各工序之間的關系(如管棚夯打、出土、注漿等)還有待進一步分析研究。

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