下穿既有盾構區間長大管幕施工精度控制技術

銀 波

（中鐵十九局集團軌道交通工程有限公司，北京 101312）

1 工程概況

北京市某地鐵木樨園橋南站—大紅門站區間線路沿南苑路南北鋪設，區間正線長564.485 m，采用礦山法施工。區間分左右線，向南下穿涼水河后下穿既有10 號線盾構區間，區間初支外輪廓距離既有線隧道底部僅2.5 m。

隧道通過地段為第四紀沖洪積層，地層主要以粉細砂層、卵石層為主，中間夾粉質黏土層。穿越地段臨近涼水河，距離河岸約20 m，涼水河下地質為砂卵石、粉細砂透水層，中間夾雜粉質黏土隔水層，既有10 號線盾構區間穿透黏土層，涼水河滲漏水可能通過盾構區間外壁滲透至粉細砂層，形成流沙。

隧道近距離下穿既有線，會對周圍地層以及既有線產生一定影響。為了確保隧道施工安全及開挖過程中上部地鐵10 號線運營安全，隧道施工采用了超前預支護。超前支護采用鎖扣管幕支護結合袖閥管注漿的方案，管幕為Φ299×12 mm 鋼管，長度達36 m。鎖扣管幕通過子母扣使鋼管之間連接形成一個整體，傳遞和擴散上部荷載，是整個體系的關鍵。本工程地質條件復雜，如何控制管幕鋼管頂進精度是鎖扣管幕成型的關鍵所在。

2 管幕頂進精度控制存在的問題

（1）既有10 號線盾構區間穿透黏土層，涼水河滲漏水可能通過盾構區間外壁滲透至粉細砂、卵石層。卵石層一般分布粒徑2～6 cm 的粗礫，中粗砂填充50%，施工過程中鋼管在卵石層頂進，鉆頭擾動下前端極易產生上揚。

（2）開挖過程中卵石層出現大粒徑卵石組，頂進極易受阻，前端容易發生偏斜。

（3）暗挖區間近距離下穿既有在運營盾構區間，此種結構型式尚屬地鐵施工首例，沉降控制要求極高（-3 mm～+2 mm），稍微的事故就會產生極大的社會影響，因此管幕施工階段不能產生過大沉降。

（4）管幕鎖扣施工難度大。

3 鎖扣管幕頂進施工工藝原理

鎖扣管幕采用“外管保護頂進為主，管內螺旋出土為輔”方法，利用兩套液壓系統，由后背墻提供反推力，抵消外套管及螺旋鉆頭所受阻力頂入地層；通過觀測導向光源及精密角度探測儀，調節螺旋鉆頭及與外套管位置關系，精確控制套管頂進方向；精確計算出土量，通過控制頂進速度及出土量，減小管幕施工對地層的擾動；基準管施工完成后，沿基準管依次施工兩側鋼管，通過子母扣使鋼管之間連接形成一個整體；鋼管頂進過程中自制袖閥管跟進，通過袖閥管注漿潤滑減小土體對管壁阻力，漿液采用膨潤土；頂進完成后，通過袖閥管對管外地層注漿加固，既有線下地層重點加固；鋼管內灌注水泥漿，增加鋼管剛度提高承載力。

4 管幕頂進施工精度控制

4.1 管幕鋼管前端改造加設坡口

管幕采用Φ299×12 mm 熱軋無縫鋼管側面焊接鎖扣，鎖扣材料為40×63×5 mm 角鋼，通過鎖扣將施工鋼管連接在一起，形成整體支護；管頭下端加設帽檐并設置坡口，防止頂進過程中管頭上浮，距離端頭3 cm 環向加固鋼板，加強端部剛度防止頂進過程中變形（圖1）。

4.2 機械設備控制措施

管幕施工作業場地必須平整密實，一般可利用初支臨時仰拱直接形成作業場地，仰拱表面進行噴混抹平厚5 cm，場地寬度在大于設計管幕總寬度1.2 m。搭設管幕作業平臺架，平臺架必須穩固并且牢固的固定在作業場地的基礎上。施工過程中通過水平豎向升降裝置挪移支架平臺，使鋼管與液壓系統裝置精確就位。

圖1 鎖扣管幕及端部細部構造

作業平臺架就位后，利用經緯儀調整平臺架中線，與線路中心線平行，并于孔位中線重合；利用水準儀檢測平臺高程及坡度。為避免鋼管頂進時下垂侵入初支結構，作業平臺端頭要抬高2 cm，并設置縱向坡度，一般為4‰。

4.3 端頭加固

通過試驗管幕數據分析，頂管開始頂進的2.5～3.0 m 對土體擾動最大，局部土體坍塌，頂管方向極易發生偏斜。為保證頂進精度，管幕孔位上下各50 cm 范圍進行預注漿加固。注漿采用雙液漿，壓力控制在1.6～2.0 MPa，加固長度為3.0 m。

4.4 管幕施工管位精度控制

4.4.1 控制鉆頭位置，平衡土壓

頂進過程中，以外管頂進為主，管內螺旋出土為輔。鋼管頂進依靠大油缸液壓系統，行程80 cm，每頂進80 cm 增加墊塊，頂進6 m 后進行接管施工。螺旋鉆頭出土依靠小油缸液壓系統，行程30 cm，螺旋出土與鋼管頂進同時進行。頂進過程中，鉆頭位置通過小油缸的行程來控制，鉆頭與鋼管前端的相對位置允許范圍為-15 cm～+15 cm。

施工時計算理論出土量，根據頂進壓力情況，調節鉆頭在管內位置（-15，15）cm。當頂進80 cm 計算理論出土量大于實際出土量，鉆頭要外探至鋼管外，露出部分不得超過15 cm，依靠鉆頭旋轉增加出土量減小鋼管端部阻力；當頂進80 cm 計算理論出土量小于實際出土量，鉆頭要回縮至鋼管內，回縮至鋼管前端15 cm 范圍內，不得回撤至15 cm 以外，否則容易造成管口被土體填滿增大鋼管前端阻力。

通過調節鉆頭位置，始終保持鋼管前端阻力的平衡性，使頂進過程平順，為精度的控制提供基礎保障。

4.4.2 定向鉆進，精確控制方向

定向鉆進方法是非開挖管線施工的一種方法，它要求在鉆進過程中能準確測定鉆頭在地下的位置和方向。根據鉆頭在鉆進過程中的位置和方向與設計軌跡的差異，利用能調節方向的鉆頭（采用楔型鉆頭）調整鉆頭的鉆進方向，使頂進方向與設計軌跡重合。

鉆頭內裝有特制的傳感器，傳感器由信號線連接顯示屏。顯示屏顯示鉆頭的傾角和面向角（導向板的方向：導向板朝上即為12 點方向，如同鐘面）。打設角度如偏下，可以把鉆頭調到12 點方向，即導向板朝上，直接頂進，此時由于導向板底板斜面面積大，受到一個向上的力，鉆頭軌跡就會朝上運動。同理在6 點方向糾偏可以使鉆頭軌跡朝下，9 點方向、3 點方向分別是為左、右糾偏方向。如果角度合適，鉆機會勻速旋轉鉆進，此時鉆桿軌跡一般是平直的，所以導向鉆頭是上下糾偏的關鍵。

4.4.3 控制鉆進速度

嚴格控制鉆進速度，采用低速鉆進。每打設一缸即鉆進80 cm 就檢測一次是否偏斜，如有偏斜立即校正，通過不斷校正平衡累計誤差。

4.4.4 頂進過程輔助措施

如果出現回填物使鉆桿不按預設路徑鉆進，可反復旋轉進退，將回填物破除。如果仍然不能清除，可撤回鉆桿，用氣動潛孔錘清除，然后繼續鉆進。如果頂推力過大，可通過袖閥管注入膨潤土類潤滑劑減小阻力。如果出土量過大，可以通過袖閥管注入水泥膨潤土漿液來補償地層損失。

5 結語

木樨園橋南站—大紅門站區間近距離下穿既有10 號線盾構區間工程，該處地質條件復雜，并且臨近涼水河，地層富含水，必須充分考慮地質變化對管幕施工的影響。對于長大管幕施工，改善地層的物理特性，控制土壓平衡及頂進速度，對保證管幕施工精度有重要作用。同是，采用定向鉆進技術，是提高管幕施工精度的關鍵所在；增加的袖閥管注漿系統，在頂進受阻時注入膨潤土漿液減小阻力，對提高管幕施工精度起到輔助作用。