管棚支護(hù)在城市地鐵下穿大型輸水管道中的應(yīng)用

(遼寧潤中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110166)

1 概 況

沈陽地鐵十號(hào)線是沈陽地鐵線網(wǎng)中“雙L”線中的一條線路，一期工程起點(diǎn)丁香湖站，終點(diǎn)張沙布站，長約30.8km，全部為地下線。

桑林子車輛段出入線與大伙房水庫輸水工程大型輸水管道交叉。大伙房水庫輸水工程是向遼寧省撫順、沈陽、遼陽、鞍山、營口、盤錦、大連等七城市輸水的一項(xiàng)大型區(qū)域性水資源配置工程，輸水工程的供水量將占該區(qū)域總供水量的40%～50%，受益人口超過1400萬，輸水總量約為327萬m3/d。桑林子車輛段是沈陽地鐵10號(hào)線的重要組成部分，主要功能為地鐵列車保養(yǎng)、檢修和維護(hù)。桑林子車輛段出入線從沈陽地鐵十號(hào)線終點(diǎn)張沙布站出發(fā)至桑林子車輛段，全長1162.01m。

2 工程地質(zhì)及水文

出入線位于沈陽市張沙布村至后營城子村之間，根據(jù)鉆探揭示，勘察深度范圍內(nèi)為第四系全新統(tǒng)渾河高漫灘及古河道沖積層。各地層描述如下：

a.雜填土：主要由路面、碎石、黏性土及建筑垃圾組成，層厚1.6～3.2m。

b.粉質(zhì)黏土：該層連續(xù)分布，局部含中砂夾層，層厚4.4～12.9m。

c.中粗砂：礦物成分以石英、長石為主，混粒結(jié)構(gòu)，含少量黏性土。該層分布連續(xù)，厚度1.0～5.4m。

d.礫砂：礦物成分以石英、長石為主，混粒結(jié)構(gòu)，含少量黏性土，局部夾黏性土、中粗砂及圓礫薄層，層厚1.70～14.7m。

e.圓礫：以砂巖、花崗巖為主，磨圓度較好，呈亞圓形，填充物為中、粗砂及少量黏性土，局部黏性土含量偏高。該層局部分布，厚度2.10～11.70m。

出入線位于沖洪積扇中部，沉積的地層顆粒粗，分布連續(xù)，上覆黏性土層。出入線范圍內(nèi)的地下水賦存于圓礫、礫砂等土層中，按埋藏條件劃分，屬第四系孔隙潛水。地下水穩(wěn)定水位深21.0～23.72m，含水層厚度約20.0m。

出入線結(jié)構(gòu)覆土最深為12m，主要穿越粉質(zhì)黏土、中粗砂、礫砂、圓礫地層。

3 交叉穿越工程的主要風(fēng)險(xiǎn)源分析

3.1 輸水管線概況

桑林子車輛段出入線穿越兩根正在運(yùn)行的大伙房水庫輸水工程管道，輸水管內(nèi)徑3.2m，外徑3.8m，水平中心距15m，覆土約3.6m，材質(zhì)為預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土承插管(即PCCP管)，分節(jié)長度為5.0m，設(shè)計(jì)水壓力為0.6MPa。

3.2 出入線與既有輸水管線相對位置關(guān)系

平面關(guān)系：出入線與輸水管線平面投影斜交，左線與輸水管線成53°交角，下穿輸水管線斜長23.7m，右線與輸水管線成57°交角，下穿輸水管線斜長22.8m，見圖1。

圖1 出入線與輸水管線相對位置關(guān)系

縱斷面關(guān)系：出入線右線與既有輸水管線B、A交點(diǎn)處豎向凈距3.54m、3.32m，出入線左線與既有輸水管線B、A交點(diǎn)處豎向凈距3.09m、2.98m。為一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)工程。

3.3 輸水管道承插口最大允許變位

出入線盾構(gòu)穿越大伙房水庫輸水工程的兩根管道，額定工作壓力0.6MPa，管道為2×DN3.2m PCCP管，單節(jié)長度5m，管道承插接口采用F形雙膠圈密封，接口允許最大轉(zhuǎn)角0.25°，考慮管線沉降及敷設(shè)管道時(shí)的施工誤差，按0.8系數(shù)折減，接口處的最大不均勻沉降為5000×sin0.25°×0.8/2=8.7mm，即盾構(gòu)下穿輸水管道的地面沉降控制指標(biāo)不得大于8.7mm。

4 管棚支護(hù)防護(hù)設(shè)計(jì)

為保證出入線雙盾構(gòu)穿越大伙房水庫輸水工程的兩根管道運(yùn)行穩(wěn)定安全，有效控制盾構(gòu)施工引起的輸水管道沉降及位移變化在允許范圍內(nèi)，在輸水管線與區(qū)間隧道中間架設(shè)φ299@350mm的密排鋼制管棚做支護(hù)，管棚兩端采用混凝土灌注樁做支撐，樁頂架設(shè)鋼筋混凝土連續(xù)梁作為管棚的固端支撐座。

管棚在輸水管道下方與地鐵盾構(gòu)之間施作，距離輸水管道底部1.0～1.7m。

為保證支護(hù)效果和施工質(zhì)量，將管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化為鎖扣管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)，即將鋼管兩側(cè)按一定參數(shù)通長焊接角鐵形成扣槽軌道，相鄰鋼管沿軌道施工頂進(jìn)并形成扣接，多根鋼管排列扣接成為幕墻，使支護(hù)鋼管成為整體并封閉相鄰鋼管之間的縫隙，隔水擋土。見圖2～圖3。

5 施工方法

支護(hù)采用“鋼管扣接，管內(nèi)填充，管外補(bǔ)償”的鎖扣管棚結(jié)構(gòu)；管棚采用“鋼管頂進(jìn)，管內(nèi)出土”的施工工藝。

圖2 鎖扣管棚結(jié)構(gòu)

圖3 管棚支護(hù)橫截面

5.1 管棚施工方法

頂管鉆機(jī)液壓油缸推動(dòng)焊接好鎖扣的φ299×22mm鋼管進(jìn)入預(yù)定位置，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)管內(nèi)安裝的螺旋鉆具，將擠壓在管內(nèi)的泥土輸送至管外，實(shí)現(xiàn)鎖扣鋼管邊頂進(jìn)、邊出土。

盾構(gòu)隧道拱部中間位置施工一個(gè)兩側(cè)對稱的雙母鎖扣鋼管，然后向兩側(cè)依次施工；相鄰鋼管通過公母鎖扣互相扣接，即正在施工鋼管的公鎖扣沿上一根鋼管的母鎖扣槽進(jìn)入，依靠上一根鋼管的軌跡來控制當(dāng)前施工鋼管，調(diào)節(jié)施工鋼管的角度與上一根角度基本吻合。

5.2 管排施工

采用專用鉆機(jī)同時(shí)頂進(jìn)兩根或兩根以上鎖扣鋼管，通過對兩根或兩根以上鋼管的測量和糾偏控制，滿足管棚工期、精度的更高要求。

管排施工的每根鋼管內(nèi)都安裝與之相匹配的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力軸、螺旋鉆具及導(dǎo)向糾偏鉆頭，每根管切削的土體通過相應(yīng)管內(nèi)輸排至管扣，基本原理與單根管棚出土方法相同。

管排專用鉆機(jī)具備400tf以上的頂推力，采用全液壓動(dòng)力，鉆具在管內(nèi)出土的同時(shí)，管排施工頂推和出土同步進(jìn)行。

通過多根鋼管的相互扣接，最終形成連續(xù)、封閉的管棚，通過向管棚鋼管內(nèi)灌注C40混凝土，形成剛性的混凝土超前預(yù)支護(hù)結(jié)構(gòu),可內(nèi)置鋼筋龍骨架，見圖4。

圖4 管棚頂進(jìn)效果

6 風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)控制措施

6.1 導(dǎo)向測量糾偏

6.1.1 導(dǎo)向測量方法

利用液體的水平特性和連通器原理，在管棚鋼管端部安裝開放式水管，通過外部補(bǔ)充液體(常用水)，使水管口保持勻速滴注，管棚鋼管隨施工作業(yè)頂進(jìn)，傾角會(huì)發(fā)生微小變化，通過水管里水位的變化可直觀讀出即時(shí)鋼管端部與入孔位置高度的變化量，施工中可根據(jù)水位變化量及幅度來進(jìn)行鋼管管頭角度的糾偏控制[1]。

6.1.2 糾偏控制方法

管棚施工中的頂進(jìn)和螺旋出土是同一過程；螺旋出土鉆具前端安裝楔形鉆頭，楔板回轉(zhuǎn)半徑略小于鋼管內(nèi)徑，正常旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)推進(jìn)鋼管沿直線前進(jìn)，某種原因?qū)е落摴芷x預(yù)定軌跡時(shí)，需要進(jìn)行糾偏作業(yè)[1]。

將鉆頭楔面調(diào)至已經(jīng)偏斜的方向，鉆機(jī)停止回轉(zhuǎn)加力頂進(jìn)，鉆頭由于斜面的作用會(huì)向相反的方向偏斜，以此調(diào)整鉆進(jìn)的方向，見圖5。

圖5 管棚施工向上糾偏示意圖

6.2 加強(qiáng)注漿

為控制管棚施工時(shí)因輸水管道周圍泥土沉降引起輸水管道沉降位移等，管棚頂進(jìn)時(shí)在鋼管上側(cè)面附帶1～2根通常注漿鋼管，注漿管上布置多個(gè)注漿孔，見圖6。注漿管與鋼管基本同長，發(fā)生沉降時(shí)可通過注漿管快速準(zhǔn)確進(jìn)行補(bǔ)注漿，加固地層，控制沉降。

6.3 管內(nèi)混凝土充填

為防止管棚變形，在管棚頂進(jìn)完成后，將鋼管內(nèi)充填C40混凝土，管棚充填混凝土后效果見圖7。待混凝土凝固28天以后，才允許進(jìn)行盾構(gòu)施工。

圖7 管棚充填混凝土后效果

7 管棚特點(diǎn)和重點(diǎn)

7.1 管棚特點(diǎn)

7.1.1 支護(hù)效果好

鎖扣管棚剛性支護(hù)，承載和抗折能力比一般支護(hù)方法安全、有效。 管棚管內(nèi)可插入鋼筋籠骨架，注入高強(qiáng)度混凝土增加剛性。

7.1.2 施工作業(yè)變形小

由于螺旋鉆在鋼管的保護(hù)下出土，出土量可通過調(diào)節(jié)頂進(jìn)速度與螺旋鉆轉(zhuǎn)速調(diào)整，管前方土體擾動(dòng)極小，甚至可以做到施工零沉降。

7.1.3 輔助措施多

針對管棚上方土體的性質(zhì)，可以采取多種輔助措施進(jìn)行加固、改良，例如可以通過管棚鋼管上附帶袖閥管，在土壤干燥時(shí)注入膨潤土泥漿潤滑鋼管，在發(fā)現(xiàn)地面沉降時(shí)可以注入水泥砂漿減少沉降，有效對土體進(jìn)行注漿加固。

7.1.4 施工距離長

由于采用大功率高壓油泵，通過管內(nèi)出土，可以一次性施工100m長度鋼管，有效解決了大跨度、長距離施工難題。

7.1.5 施工精度高

管棚鎖扣鋼管可安裝多種測量儀器，可以直觀地對鋼管頂進(jìn)軌跡進(jìn)行測量并采取措施修正，測量精度達(dá)到0.1%，施工控制精度達(dá)到0.5%。

7.1.6 施工直觀可靠

由于采用鋼管焊接頂進(jìn)，長度可直接測量，接收井鋼管出頭，便于質(zhì)量檢查檢測。

7.1.7 環(huán)保無噪聲

頂管鉆機(jī)采用電動(dòng)全液壓動(dòng)力，施工過程中環(huán)保無噪聲，不受城市夜間噪聲限值限制，可24小時(shí)連續(xù)施工作業(yè)。

7.2 管棚施工控制重點(diǎn)

7.2.1 沉降位移監(jiān)測

輸水管道的沉降位移監(jiān)測須及時(shí)預(yù)報(bào)該段輸水管道結(jié)構(gòu)發(fā)生的變形趨勢，數(shù)據(jù)要準(zhǔn)確連續(xù)，確保在線運(yùn)行輸水管道的運(yùn)行安全，以便及時(shí)采取有效措施。

對輸水管道的沉降位移監(jiān)測要持續(xù)進(jìn)行，從管棚工作井施工持續(xù)到管棚施工及地鐵隧洞盾構(gòu)完工。

7.2.2 沉降位移補(bǔ)救控制

為保證在線運(yùn)行輸水管道的運(yùn)行安全，在發(fā)現(xiàn)管道沉降位移變化時(shí)，要及時(shí)進(jìn)行有效的補(bǔ)救。如在管棚頂進(jìn)時(shí)發(fā)現(xiàn)輸水管道上浮，應(yīng)增加出土量；如發(fā)現(xiàn)下沉應(yīng)減少出土量，并通過注漿管注入水泥砂漿等措施補(bǔ)救。

7.2.3 導(dǎo)向管定位

首根管棚又稱為導(dǎo)向管，導(dǎo)向管的定位與施工中是否偏移，是否順利在接收井預(yù)留孔位出土等，直接決定后續(xù)管棚施工的成敗。

7.2.4 糾偏

管棚頂進(jìn)過程中，須準(zhǔn)確測量單根管頂進(jìn)位置是否偏斜，如發(fā)現(xiàn)偏斜時(shí)應(yīng)及時(shí)有效地進(jìn)行糾偏。

8 結(jié) 語

在沈陽十號(hào)地鐵下穿大伙房水庫輸水工程大型輸水管道防護(hù)工程中，通過將管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化為鎖扣管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)，施工時(shí)采用專用鉆機(jī)同時(shí)頂進(jìn)兩根鎖扣鋼管，加快了施工進(jìn)度，提高了施工精度。通過將測量與糾偏控制相結(jié)合，保證了管棚入土位置與出土位置均在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。此外，在輸水管道出現(xiàn)位移及沉降變化時(shí)及時(shí)注漿，使實(shí)際最大位移及沉降變化值為2.9mm，接近零沉降，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求的8.7mm。