關于淺埋隧道管幕法施工對環境保護作用的探討

王錄林

摘要：管幕工法完美的詮釋了我國地下結構工程施工中超前預加固“強支護”理論的含義，是對既有淺埋暗挖技術的豐富與補充。該工法的主要優勢在于：能有效控制地層變形，尤其在對環境保護要求較高的地下工程施工中發揮著巨大作用。

Abstract： The pipe-curtain method perfectly interprets the meaning of the pre-reinforcement "strong support" theory in the construction of underground structure engineering in China， and it is a rich and complementary to the existing shallow-buried excavation technology. The main advantage of this method is that it can effectively control the deformation of the formation and it plays a huge role especially in the construction of underground works with high environmental protection requirements.

關鍵詞：管幕法施工;超淺埋隧道;環境保護

Key words： pipe curtain construction;ultra-shallow tunnel;environmental protection

中圖分類號：U449.5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）09-0105-03

1 ?背景

在城市中建設淺埋隧道面臨著巨大的工況環境考驗，其中最重要的是對地表建筑物、自然環境、人文環境等的保護和避免對人民群眾日常生活的干擾。在工程環境復雜的城市核心區、中心區完成交通疏解，解決不斷擁堵的地面交通難題是工程規劃者、建設者們需面對的重大課題。截彎取直，保留原始自然地貌，擴大地下空間利用比率成為解決城市地面交通擁堵、提高城市居民出行效率的必然選擇。

城市地質條件主要為第四紀松散地層，且應力釋放后沒有自承載能力[1]。隨著城市空間不斷開發，周邊環境也愈加復雜，地下結構施工也愈加困難，傳統的地下結構施工方式在遇到環境較復雜的狀況下不能滿足對環境保護的要求。管幕法預支護中的鋼管一般直徑為200-2500mm，一次施作距離40-110m，在維持掌子面穩定、控制地層變形、預防坍塌冒頂事故等方面有著決定性作用。本文以福州工業北路延伸線文林山隧道為背景，介紹了管幕法在復雜環境狀況中對周邊保護及管幕法在工程實踐中的應用[2]。

2 ?項目概況

福州市工業北路延伸線工程位于福州市西片區，為中心城區規劃南北向骨架路網之一，也是中心城西片區便捷進出城通道之一。本標段南起工業路與楊橋路交叉口（起點樁號主K2+150），沿現狀工業路往北延伸，隧道穿越文林山后至梅峰路（終點樁號YK4+103.5），隧道為雙向8車道，斷面207m2，左線長1176m，右線長1140m，最小凈距3.6m，暗挖隧道出口300m超淺埋段，其中0～80m覆土厚度1.9～8.5m。

周邊環境：隧道出口位置在梅峰山公園出入口南側部位，洞頂為梅峰山地公園景區道路及生態池塘，施工場地南側是中冶場庫和鼓樓環衛公寓等已拆遷場地，西側50m是馬坑支路6層民居樓，北側為梅峰路和景區道路，擬建隧道下穿福州市第二看守所，東側為池塘和壩埂。

水文地質：隧道出口圍巖以全風化、砂土狀強風化、花崗巖和碎塊狀強風化花崗巖為主，局部夾有后期侵入的輝綠巖、花崗斑巖巖脈及其強風化地層，地層相對跨度較大，為極軟巖-較硬巖，巖體破碎-較破碎。

3 ?施工方案

管幕法是在結構體外圍預先進行鋼管頂進，并在鋼管側面利用鎖口進行連接，形成一個能抵御上部荷載的超前支護結構，并起到隔斷周邊水土的帷幕結構的作用，從而減少對地面道路、管線、建（構）筑物的影響，保證地面活動及保護對象的正常使用。文林山隧道出口設計采用管幕作為隧道頂部支護，管幕在開挖線外側250mm處呈140°扇形布置，支護長度90m，布設75根，管幕鋼管為外徑299mm無縫鋼管，壁厚10mm，管節之間采用坡口焊接連接，環向中心管距35cm，鋼管外插斜率0.2%;注漿管采用42mm鋼花管，壁厚4mm，至于母扣上方，且與鋼管及母扣焊接連接。

據本項目地質情況和設計支護要求，采用？覫299mm*10mm管幕支護，管幕鋼管內注漿填充。管幕施工采用螺旋出土套管頂進工藝進行施工，管幕鋼管作為套管，內部安裝帶有專門鉆頭的螺旋鉆桿。管幕設備提供螺旋鉆桿的旋轉動力和套管的頂推力。管幕鋼管頂進時，螺旋鉆桿向鉆頭傳遞鉆壓和扭矩切削土層，并將鉆渣由管內螺旋排到孔口管外。這樣邊頂進、邊切削、邊出渣，將管幕鋼管逐段向前頂進至該施工單元施工結束。反復進行后續單元施工，逐步在開挖線外形成管幕結構。

3.1 現場準備

3.1.1 施工用水

管幕采用螺旋出土工藝施工，施工過程中基本不用水（水位測量使用水量極小）。管內填充水泥漿和文明施工用水，有6分自來水管即可，保證常壓自來水達到10m3/h流量滿足要求。

3.1.2 施工用電

管幕設備基本功率為150kW/臺套;組織2臺套管排設備和鋼管鎖口加工焊接同時作業，現場滿足400kW施工用電。

3.1.3 施工用風

考慮管幕下穿段可能存在中風化圍巖，需要采用風動潛孔錘擴孔破碎頂進方法，現場配備2臺空壓機（排風量單臺大于15mm3/min，風壓大于1.5MPa）。

3.2 材料準備

3.2.1 管幕材料

①鋼管：設計單線管幕75根，施工長度為90m，共13500m;考慮鋼管加工損耗（3%），實際需要鋼管材料13905m。

②角鐵：角鐵加工成為鎖扣結構需要4倍頂進鋼管長度，合計需要54000m，考慮角鐵加工損耗（2%），實際需要角鐵材料55080m。

3.2.2 水玻璃

通過管幕外掛注漿鋼管注入水玻璃和水泥的混合液，填充擾動土層縫隙，控制沉降，現場儲備水玻璃約30～50桶，隨管幕施工及時跟進注漿。

3.2.3 水泥

管幕施工階段進行沉降控制和鋼管內填充的注漿主材，理論填充及控制注漿水泥用量約為1900t。

3.2.4 注漿管

根據設計要求，管幕鋼管外附帶？準42*4mm注漿管，沿管幕鋼管縱向通常布設并焊接，作為管幕施工和隧道開挖沉降補償注漿措施實施載體。現場施工需要注漿管長度13500m，考慮注漿鋼管加工損耗（1%），實際需要注漿鋼管13635m。

3.3 設備準備

受施工環境和管幕工藝限制，現場安裝兩臺管幕管排鉆機，鉆機參數根據現場條件進行適應性改裝（一次施工鋼管長度12m，同時頂進2根鋼管）。

3.4 注漿準備

管幕鋼管內采用水泥漿低壓填充，可通過多次填充方法滿足管內固結體充盈要求，現場安裝2臺套注漿設備（包含攪拌系統和注漿泵）和沉降控制注漿泵（雙液漿泵），用電量為20kW。

3.5 吊裝運輸輔助準備

①）加工吊裝。本工程鋼管在現場進行裁剪和焊接制作，需要配備一臺25T汽車吊或5T叉車輔助吊裝。

②施工吊裝。施工過程中需要將加工好鎖扣的鋼管吊裝至基坑內，施工現場需要配合10T龍門吊或35噸汽車吊2臺。

3.6 反力墻設計計算

3.6.1 鋼管阻力計算

管幕頂進摩阻力按下式計算：

P=fγD1[2h+（2h+D1）tg2（45°-ф/2）+ω/γD1]L*鋼管數量

式中

P——計算的總頂力（kN）;

f——頂進時，管道表面與其周圍土層之間的摩擦系數，取0.2;

γ——管道所處土層的重力密度（kN/m3），本計算取1.4;

D1——管道的外徑（m），本計算取0.3m;

H——管道頂部以上覆蓋土層的厚度（m），本計算取3m;

ф——管道所處土層的內摩擦角（°），本計算取20°;

ω——管道單位長度的自重（kg/m），本計算取72kg;

L——管道的計算頂進長度（m），本計算取90m。

鋼管數量本計算中選取2根。

計算如下：

P=0.2*1.4*0.3*[2*3+（2*3+0.3）tg235+72/1.4*0.3]*90*2

=0.084*[178.386]*180=2698kN，約合270T

3.6.2 鉆機頂進力計算

頂進油缸缸徑 32cm，設定最高給進泵壓：25MPa;計算如下：

頂進力T=油缸截面積S*給進壓力P/100*油缸數量*0.85

其中：

油缸截面積S=803cm2

施工設定最大頂進力P=25MPa

施工油缸數量：2（個）

功率轉換系數為：0.85

T=800*25*2/100*0.85=340（T）

計算結果：管幕鉆機施工最大頂進力為340T。

3.7 鋼管加工

3.7.1 鋼管坡口

鋼管頂進前，應根據要求進行坡口管頭制作（為糾偏準備工作），并將參數進行整理，同時將該管頭安裝在管排鋼管前端，另一根鋼管內穿入螺旋鉆具，管間采用角鐵焊接固定，便于吊裝。鋼管單側打設坡口，鎖扣間隔焊接，待頂進鋼管的坡口端與已頂進鋼管的外露端緊密焊接。

3.7.2 扣接形式

管幕鎖口采用45*45*6mm角鐵焊接加工， 管幕鋼管母扣角鐵上方固定安裝？準42*4mm注漿管（圖1）。

3.8 鎖口加工

嚴格按照施工設計需求進行鋼管鎖扣加工，并嚴格根據鎖扣焊標準進行質檢;鎖扣加工采用坡口焊接，應不定期對鎖扣加工工裝進行校驗。

3.9 管排施工

以單根管幕施工為基礎，采用專用設備同時頂進2根或多根鋼管形成管幕結構。具有沉降控制可靠，鋼管精度提高和施工速度高效的特點。標準管焊接雙母鎖口，施工要全程進行嚴格角度測量，如有偏差隨時進行糾偏。標準孔的精度決定了整個管幕的施工精度。

3.10 注漿填充

管幕鋼管頂進到位后，在入口處焊接鋼板進行管口封閉，封閉板預留注漿孔和透氣孔;管內填充通過管口焊接的？準25mm水管注漿，注漿孔安裝在管口端面上部，透氣孔安裝在鋼管側面頂部，水平方向為注漿口，垂直方向為排氣口兼觀察孔。注漿導管端頭焊接注漿管接頭并安裝閥門，導管內注入水泥漿，注漿與相鄰管幕施工隔開3～5個孔位，根據沉降監測及時對鋼管內充填水泥漿，管內填充與施工間隔8～10個孔位，注漿壓力小于0.2MPa。

4 ?質量控制

4.1 施工導向控制

4.1.1 施工原則

①制定施工角度控制標準，做好施工技術參數交底;

②現場嚴格執行技術要求，建立機手、技術兩級參數復核;

③建立角度偏差預警機制，明確角度控制權限;

④精確測量結果，備份測量儀器和設備，杜絕無數據施工;

⑤多種測量手段并用，互相驗證核實，異常情況必須核實排除。

4.1.2 導向測量方法

采用連通器原理，在管幕鋼管端頭安裝連通管，鋼管頂進過程中，不斷向連通管中注入連通液，通過可視化的測量端液位高度前方地層鉆頭位置高度（圖2）。使得鋼管頂進過程中能夠直觀的監測鉆頭位置變化，且不受施工其它因素干擾，其監測結果精確，不存在累積誤差。

4.1.3 糾偏控制方法

該項目采用螺旋出土鋼管頂進糾偏管頭進行糾偏，該管頭前端管口為斜形管口（圖3），斜形管口前端沿頂進方向、向鋼管的中心軸線方向傾斜，形成持續糾偏構件，持續糾偏構件的下方為選擇糾偏構件，選擇糾偏構件沿頂進方向、向遠離鋼管的中心軸線方向傾斜設置，選擇糾偏構件與鋼管中心軸線之間的夾角大于持續糾偏構件與鋼管中心軸線之間的夾角。通過該糾偏管頭嚴格控制標準孔施工精度，從而有效確保后續鋼管施工精度。

4.1.4 其它輔助

①嚴格控制入孔孔位偏差和入孔軸線偏差;

②加強監測頻率，每節鋼管測量2-3次。

4.2 施工沉降控制

4.2.1 沉降控制原則

①管道處需安裝自動監控量測，及時準確報送測量數據;②建立沉降應急預案，設立應急機構、人員及機械物資;③沉降監測必須設立預警機制，按級別啟動相應施工控制流程;④施工前必須對作業人員進行沉降應急預案交底及演練;⑤施工過程及措施必須和沉降數據相關聯，避免顧此失彼;⑥沉降控制措施和效果必須及時準確記錄并反饋;⑦嚴格注漿順序，完成階段管幕施工立即通過導管穩定地層;⑧沉降控制以少量多次補充為主，避免忽上忽下。

4.2.2 沉降控制措施

①對作業人員進行交底，熟悉施工措施和應急控制;

②測量實際出土量，優化頂進與旋轉出土的速度匹配;

③禁止將螺旋鉆頭超出管口外長時間旋轉出土，防止管口土體坍塌;

④禁止通過鋼管或鉆具向地層內注入大量清水，防止土體流失;

⑤沉降數據在0～-2mm時，可采取多頂進鋼管，少出土的方式進行補償;

⑥沉降數據在-2～-3mm時，可通過鋼管外掛注漿管進行注漿補償填充;

⑦沉降數據大于-3mm時，必須停止作業，對鋼管內及注漿管進行全面注漿。

4.3 遇障礙處理

4.3.1 遇孤石或中風化巖

根據地質勘查和現場調查，管幕施工中可能會遇到石塊或中風化巖石，根據情況分析提出以下解決辦法：

①孤石：現場下穿池塘中埋設有較大石塊，管幕施工前應對孤石的位置和標高進行確認，侵入管幕施工范圍內的石塊進行開挖或破碎清理，滿足管幕施工條件。

②中風化巖石：根據地勘，下穿段60～80m處局部中風化巖石侵入隧道，管幕施工中遇到巖石采用如下方法處理：

1）擴孔破除：遇到中風化巖石時更換截齒擴孔鉆頭，切削巖石并擴大孔徑，便于鎖口管幕頂進;

21沖擊破碎：當圍巖強度超過50MPa，截齒擴孔鉆頭無法切削，更換潛孔擴孔鉆頭，利用高壓力壓縮空氣推動專用沖擊器和錘頭破碎巖石并實現擴孔。

4.3.2 遇既有構建筑物

本工程管幕施工下穿梅峰山景區觀景平臺基礎，理論上景觀平臺放大基礎沒有侵入隧道，為安全起見管幕施工前對景觀平臺基礎標高進行復核（基礎埋深小于1m），采用人工在基礎側面開挖方法測量，如局部侵限可采用加固后切除方法，如侵限較多，可采用支撐替換方式處理，工程結束后恢復景觀。

5 ?結束語

隨著我國社會經濟的發展，城市地上地下空間的利用越來越交錯密集，因此城市穿越隧道工程將會越來越多，對環境保護要求的標準也將越來越高[3]。本文中提出的封閉管幕保護下的淺埋暗挖法施工，地面沉降始終控制在3mm以內，對地表景區景觀和周邊建筑物、管線等無任何影響，解決淺覆土大斷面隧道施工中對地面自然環境保護的難題，是一種技術先進，安全高效的施工方案。

參考文獻：

[1]鞏森，葛金科，李向陽.管幕法在地鐵施工中的應用研究[J].價值工程，2017，36（14）.

[2]彭龍，卞桂榮，曹豪榮.超長管幕施工技術在淺埋暗挖隧道中的應用[J].建筑機械，2018（12）.

[3]李偉強.管幕法在環境保護中的研究與應用[J].建筑施工，2011（03）.