淺析長大管棚（幕）穿越高速鐵路路基沉降控制技術(shù)

陳寬鑫（中鐵二十四局集團福建鐵路建設(shè)有限公司，福建 福州 350013）

淺析長大管棚（幕）穿越高速鐵路路基沉降控制技術(shù)

陳寬鑫
（中鐵二十四局集團福建鐵路建設(shè)有限公司，福建 福州 350013）

客運專線鐵路標準高、運營速度快，任何構(gòu)筑物在穿越既有鐵路的工程施工中，如何控制既有鐵路線路的幾何狀態(tài)變化，維護既有鐵路的運營安全是穿越施工的重點，也是最終目標。非開挖鉆機水平定向鉆孔回拉法進行長大管棚（幕）穿越施工，通過泥漿循環(huán)成孔、環(huán)狀間隙置換注漿、孔內(nèi)泥漿保壓、自動化監(jiān)測技術(shù)、地下定位系統(tǒng)精度控制等技術(shù)措施能有效控制被穿越區(qū)域的路基沉降變形。

長大管棚（幕）；水平定向鉆；回拉法；路基沉降；施工技術(shù)

1 工程簡介

南昌某框架通道下穿向莆鐵路，向莆鐵路為國家一級快速鐵路干線，設(shè)計時速250km/h，下穿施工區(qū)域位于南昌西站出站端咽喉區(qū)，穿越既有高速道岔2組以及10股道?？蚣軜蝽樉€路長度為50.6m，軸向長度為104.9m，框架橋中心線與向莆鐵路正交，全橋由北至南頂進，最大頂程為115m。采用橋式盾構(gòu)+管棚（幕）超前支護中繼間法頂進施工。

向莆鐵路新建不久，路基本體工后沉降尚未完全穩(wěn)定，框架橋頂板頂至路基面土層厚度僅為1.5m～2.5m，為保證框架橋頂進過程中既有線的行車運營安全，于橋址位置頂部及側(cè)面設(shè)置管棚（幕）進行超前支護，管棚（幕）采用φ299*10mm的無縫鋼管按間距0.32m/根布置，共243根，每根打設(shè)長度為110m，兩側(cè)管棚至框架橋邊墻外緣距離為15cm，頂面管棚至框架橋頂板頂距離為20cm。管棚采用坡口焊接，管棚內(nèi)注M30水泥砂漿。

場址為一般站場路堤地段，填高為2m～5m。從上至下填料分別是：基床表層正線為級配碎石，站線為A組填料；基床底層為A、B組填料；路基本體采用改良土進行填筑。

2 施工工法簡述

根據(jù)管棚（幕）長距離（距離長達110m），大直徑（直徑為φ299mm），路基變形控制要求高（穿越地段為250km/h客運專線，股道10股，其中有2 組18號道岔）以及工法的實用性原則，選用非開挖鉆機水平定向鉆孔回拉工藝進行施工。水平定向鉆機是可控鉆孔軌跡，在不同地層和深度進行鉆進，通過導向系統(tǒng)使鉆頭沿著設(shè)計方向（軌跡）鉆進并到達設(shè)計位置的施工機械。

施工工藝流程：

施工準備→地板軌道鋪設(shè)→設(shè)備安裝調(diào)試→調(diào)試鉆機方位及傾角→安裝鉆頭、探頭（標定）→循環(huán)液循環(huán)→導向鉆進→回次打尺→導向鉆進→穿越→清孔→擴孔→……→鋪設(shè)管棚管（回拉）→管外環(huán)狀間隙漿液置換→ 安裝灌漿裝置→混凝土灌注（管內(nèi)注漿）→管頭封堵。

3 沉降控制技術(shù)

3.1 泥漿循環(huán)液系統(tǒng)

導向鉆進以及清孔、擴孔的成孔質(zhì)量與孔內(nèi)泥沙殘留量是路基沉降變形的影響因素之一。泥漿的作用是確保整個施工過程孔壁穩(wěn)定以及攜帶鉆屑出來的重要措施。泥漿粘度不足容易產(chǎn)生塌孔現(xiàn)象，嚴重則可能發(fā)生地表沉陷；攜帶鉆屑能力不強孔底淤積鉆屑導致桿管連接部在回拉時大量鉆屑堆積，增加回拉拉力，可能導致地表隆起。泥漿的具體配比必須根據(jù)具體地層及成孔狀況確定，正式施工前通過試驗及試驗管試配確定。循環(huán)液由水、膨潤土和聚合物組成，水是鉆液的主要成份，膨潤土和聚合物通常稱為鉆液添加劑。泥漿需充分攪拌，均勻配制，嚴格執(zhí)行配比，泥漿循環(huán)液供應(yīng)泥漿能力必須滿足連續(xù)施工要求。本項目泥漿粘度設(shè)置值為37s，循環(huán)液流速需與鉆孔速度、粘度相匹配。

泥漿循環(huán)系統(tǒng)：循環(huán)液制備→儲漿池→泥漿泵→鉆具→鉆孔→孔口回水閥門→高吊管→排水地溝→沉淀池→儲漿池。鉆進過程中必須保持上述各流通環(huán)節(jié)的暢通。

3.2 孔內(nèi)泥漿保壓

成孔時引起的地表沉降主要為成孔產(chǎn)生的應(yīng)力釋放，單根管棚（幕）產(chǎn)生的沉降非常小，隨著管棚（幕）數(shù)量的增加，成孔應(yīng)力釋放所引起沉降量的累加，將影響到總沉降量?？變?nèi)泥漿壓力能夠平衡上部土體土壓力，維持水平應(yīng)力基本不變時，施工對臨近土體的擾動則最小，同時孔內(nèi)保壓也能在施工中減小列車行駛震動對孔壁的穩(wěn)定性影響起到很大的作用。

為減小成孔產(chǎn)生的應(yīng)力釋放，在管棚（幕）施工前，需要在進出洞口安裝預埋保壓止水裝置。止水裝置是采用比管棚大10cm的固定尺寸鋼管做為外套管制作，鋼管一頭焊接法蘭盤，法蘭盤在焊管端與鉆機端按不同直徑預留空心孔徑，橡膠止水圈用一整塊橡膠板制作，采用螺栓固定在端頭鋼板上，橡膠材料必須具有足夠的彈性、耐磨性要求。頂部設(shè)置高吊管出漿口，具體構(gòu)造如圖1所示。

圖1 洞口止水裝置構(gòu)造圖

3.3 環(huán)狀間隙置換注漿

為確保回拉的順利進行以及回拉過程中控制對路基擠壓變形，二次擴孔后成孔徑需大于管徑3cm～4cm，鋼管回拉完成后管壁四周間隙存在大量的泥水混合物，若不對此泥水混合物進行置換處理，管棚大量施工后路基將產(chǎn)生較大沉降。

在拉管完成后使用預留于管內(nèi)分置于兩管口的注漿管帶壓注入水泥漿，注漿口在施工現(xiàn)場加工，注漿管在拉管前預先布置至管棚鋼管內(nèi)，與管棚鋼管同時拖進，管壁上方預留注漿口間距按10m/個進行布置。注漿順序為從中心往兩端依次對稱注漿施工，直至兩端孔口間隙流出勻質(zhì)水泥漿液，然后采用快硬性水玻璃封堵端口環(huán)狀間隙，最后對全部注漿孔同時進行補注。注漿控制以壓力控制為主，注漿量控制為輔。管外環(huán)狀注漿采用PO42.5普通硅酸鹽水泥漿，水灰比1：1。環(huán)狀間隙泥漿置換工藝如圖2所示。

圖2 環(huán)狀間隙泥漿置換示意圖

圖3 靜力水準監(jiān)測儀

3.4 導向精度控制

管棚用材是剛性材料（鋼管），設(shè)計軌跡線是水平直線鋪設(shè)，若導向孔軌跡線不能達到水平直線的精度要求而表現(xiàn)出有折角形狀，回拉過程中直線的鋼管管體會對鉆孔周邊土體形成擠壓，這種情況會導致回拉過程中出現(xiàn)路基擠壓變形、環(huán)狀間隙堵塞導致不能置換注漿、回拉不能順利進行而形成廢孔。這三個方面都是路基變形控制的關(guān)鍵所在。

（1）導向系統(tǒng)配置應(yīng)根據(jù)機型、穿越障礙物類型、探測深度及現(xiàn)場測量條件等選用。本工程采用采用美國月蝕地下定位系統(tǒng)全程監(jiān)控，整套月蝕地下定位系統(tǒng)包括主機、鉆機上的遙顯器和裝入鉆頭的信號棒。

（2）操作方法是：要向上糾偏時，轉(zhuǎn)動鉆桿至12 點鐘方向叫停轉(zhuǎn)動，命令推進鉆桿則鉆頭作向上運動，同理向左（9 點鐘方向）、向右（3 點鐘方向）和向下（6 點鐘方向）作糾偏動作，當不需要糾偏時，鉆桿及鉆頭不停的旋轉(zhuǎn)鉆進則可保持直線前進。鉆頭及鉆桿中間都是空心的，泥漿通過漿池、鉆機、鉆桿、鉆頭噴射出來冷卻鉆頭以避免燒壞信號棒。

3.5 路基變形自動監(jiān)測技術(shù)

穿越施工最主要的就是不能影響列車正常運營，目前客運專線均為全封閉式運營管理，施工人員在天窗點時間外嚴禁進入線路，管棚穿越施工中，為確保能實時跟蹤路基變形及線路狀態(tài)以指導施工，則需采用自動化監(jiān)測手段。

具體措施為：

（1）全自動全站儀進行水平及豎向位移監(jiān)測。監(jiān)測方法選用小角度法或極坐標法進行測量。本工程按15m間距布置6個線路縱向監(jiān)測斷面，線路橫向布置按每兩線間各布置1個監(jiān)測斷面，總計66點。測點的布置采用沉降樁的形式，直接布置在路基本體內(nèi)。在沉降樁上安裝觀測棱鏡，利用自動化掃描軟件控制全站儀進行自動三維掃描測量。

（2）靜力水準監(jiān)測儀進行實時、精確的豎向位移監(jiān)測。靜力水準監(jiān)測儀對高差的觀測精度可達到20μm甚至更高，成果輸出頻次可達到秒的級別，可通過計算機軟件自動輸出成果（其原理如圖3所示）。

本工程因道岔的線性控制尤為關(guān)鍵，故沿道岔設(shè)置6個線路縱向監(jiān)測斷面，道岔兩側(cè)橫向布置4個監(jiān)測斷面，共24個自動測點。靜力水準儀安裝在沉降觀測方樁（長×寬×高位25cm×25cm×80cm）上，基樁設(shè)置在線路外穩(wěn)定位置。

（3）電水平尺（EL BEAM）進行線路不均勻沉降的變形監(jiān)測

電水平尺用錨栓安裝在道床（結(jié)構(gòu)物）上，接著將傾角傳感器調(diào)零，并鎖定在該位置，道床（結(jié)構(gòu)物）的沉降會改變梁的傾角。將一系列電水平尺首尾相接地安裝在道床上，形成上述的所謂“尺鏈”，就可得出“尺鏈"范圍內(nèi)的沉降曲線。本工程因道岔的精度要求高在兩處道岔軌道中心各布設(shè)1條69m電水平尺，共計46個。

3.6 其它控制措施

（1）焊管端需設(shè)置水平焊管托架或平臺，鋼管連接必須確保中心線為直線，可采取水平靠尺進行管周四個方向進行控制，鋼管方向調(diào)整符合要求后方能進行坡口焊接，焊口需光滑無毛刺。

（2）擴孔孔徑大于管徑3cm～4cm即可，太大則對路基變形影響不利，太小則影響回拉的順利進行。擴孔及清孔次數(shù)為2～3次即可，鉆頭從小至大依次替換，嚴禁大直徑鉆頭直接擴孔。擴孔時需確保循環(huán)液的暢通，不得干擴，要始終注意出土量不能超過設(shè)計孔的理論出土量。

（3）鉆孔、擴孔進程需采用速度與頂拉力雙指標進行控制，鉆擴孔速度需低速勻速進行操作，以0.8m/min控制為宜。清孔時可適當提高速度進行快速清孔。

（4）嚴格執(zhí)行跳孔施打要求，跳孔間隔至少為3根以上。確保不串孔以及相鄰區(qū)域短時間內(nèi)累計沉降不超標。

（5）加強施工組織，快進快出，縮短輔助工序間隔時間，盡快完成回拉工作進行環(huán)狀間隙置換注漿，填塞孔洞。

結(jié)語

目前城市化進程的加快，加速了城市市政道路路網(wǎng)的功能完善，與既有鐵路交叉穿越將會越來越多，管棚（幕）超前支護下進行大跨度地下工程施工是確保鐵路運營安全特別是客運專線運營安全的有效手段之一。穿越施工中沉降變形控制是施工的關(guān)鍵也是目標所在。本文所在項目長大管棚穿越向莆鐵路施工通過采用以上幾項控制技術(shù)，確保了穿越施工的順利進行，路基沉降變形最大日變化速率為0.78 mm·d-1，累計下沉最大量為13.4mm，滿足客運專線正常運營的技術(shù)要求。

[1]張維承.長距離大管棚（幕）施工沉降規(guī)律和控制措施研究[J].福建建筑，2010（03）.

U455

A