軌道交通區間隧道工作中的長管棚施工工藝

陳剛

（貴陽市公共交通投資運營集團有限公司，貴州貴陽 550000）

0 引言

長管棚施工工藝可以在惡劣的施工環境中應用，保證開挖作業的安全性，避免地層出現沉降現象，對結構物的加固效果較好。為確保軌道交通正常運行，施工單位必須將基礎沉降控制在合理范圍以內。圍繞實際隧道施工項目，對長管棚施工工藝進行分析，以此驗證該工藝的可行性。

1 工程概況

以黃河南路站—錦江路站區間隧道建設項目為案例。該項目位于貴陽市花溪區，項目的建設起點位于黃河南路站，途經南明河黃河路段，與錦江路站連接。該隧道的長度約為760m，設計為雙洞單線+單洞雙線結構形式，隧道拱頂部位的埋設深度保持在18～22m，左線與右線之間的距離設計為14～28m。

2 長管棚支護原理及施工方案

2.1 長管棚支護原理

長管棚預支護是指在開挖隧道之前，沿著隧道的開挖斷面，將鋼管埋設在指定的孔中。向鋼管注入水泥漿液，填充至巖體裂縫中，保證管棚與附近的巖體形成一個固結的整體。長管棚安裝能夠形成加固圈，從而發揮承載拱的作用，對上部巖體起到支護作用，促使圍巖與支護體系轉變為一種不受外部作用力的狀態。在這種情況下，隧道拱頂以內的圍巖與支護體系只需承載在隧道方向上產生的變形壓力。長管棚預支護體系示意圖如圖1 所示。

圖1 長管棚預支護體系示意圖

長管棚預支護體系的支護原理為：

2.1.1 梁式效應

如設計圖紙對長管棚的進口部位無特別要求，可設置套拱基礎，遠端應該設置在巖層的內側，構成簡易化的簡支梁結構，可以承載上部土體松動產生的壓力及直接由上部傳遞而來的荷載，提高開挖斷面區域內圍巖的穩定性，避免坍塌事故出現。

2.1.2 拱效應

如隧道內部未設置長管棚支護，應該沿著隧道的橫斷面地層設置拱腳，保證隧道兩側的邊墻始終處于平衡狀態。當長管棚支護體系施工完成以后，施工人員按照標準間距設置注漿孔，并向孔內注漿，有效縮短每跨的跨距，保證隧道內的圍巖迅速轉變為一種平衡狀態。

2.1.3 加固效應

在長管棚注漿作業中，水泥漿液會由注漿孔逐漸向周圍的巖體縫隙流動，待水泥漿液膠結以后，提高圍巖的穩定性和加固效果。

2.2 施工方案

隧道的進出口施工方案如下：使用小導管支護+復合襯砌鋼結構支撐，使用臺階法開挖土方。結合施工現場的實際情況，因出口部位的山體存在偏壓現象，區域內的圍堰破碎，節理發育，巖體軟弱且受風化影響比較大。若按照原設計方案進行施工，則有很大的可能性導致洞口發生坍塌事故。為了保證施工的安全性，需對隧道的拱頂進行注漿支護，管棚選擇使用89mm×6mm 熱軋無縫鋼管，管棚的長度設計為32m，管棚的環向間距設置為40cm[1]。

3 長管棚施工工藝

結合實踐狀況來看，長管棚支護在以下場景中具備顯著的應用效果：地質條件比較差、巖體存在破碎現象、圍巖的自穩能力較差、隧道出現塌方路段、裂隙發育路段、人工回填土路段、淺埋路段等。結合施工現場的隧道地質條件、長管棚的實際支護效果等因素，確定合適的管棚配置形式。

3.1 長管棚鉆孔工藝

3.1.1 長管棚鉆孔施工工藝流程

長管棚鉆孔施工工藝的具體流程如圖2 所示。

圖2 長管棚鉆孔工藝流程圖

3.1.2 鉆孔施工

（1）鉆孔作業時，可以選擇使用XY-28-300 鉆機，鉆頭的直徑為120mm。該設備可以有效解決送管難的問題。

（2）在管棚施工過程中，打孔的角度控制在1°～2°，管棚的安裝間距設置為40cm，單根管棚的長度設計為32m。管棚由多節組成，每節段管棚的長度控制在4～6m，使用絲扣將短管棚連接為1 根長管棚。管棚的接頭部位使用套管進行焊接，套管的搭接長度設置為35cm。相鄰的2 根管棚的接頭應該相互錯開。在管棚表面設置注漿孔，注漿孔的孔徑設置為10mm，將注漿孔布設為梅花狀，保證水泥漿液順利灌注至管棚內。

（3）為保證管棚順利被頂入設計要求的部位，需保證鉆桿的接頭具有足夠的強度、剛度，同時鉆桿與連接套的材質保持一致。鉆桿的兩端使用螺紋鋼進行加工，連接套的壁厚不得小于10mm。為保證在鉆桿鉆進的過程中，不會出現鉆孔傾斜等現象，將扶直器安裝在鉆桿上。鉆進時，扶直器隨鉆桿移動。

（4）當臺車準備就位以后，利用臺車引測鉆孔的具體部位。

（5）在鉆進過程中，施工人員要嚴格控制鉆進設備的立軸方向，確保臺車與掌子面緊密連接，避免因振幅過大，導致鉆進的精準度受到影響[2]。

（6）在鉆進過程中，一開始采用低轉速作業，當鉆進至20cm 以后，恢復正常轉速。

（7）首節鉆桿頂入巖層中以后，可以預留20～30cm 的長度裸露在巖層外部。使用管鉗將鉆桿卡死，并操作鉆機反向轉動，鉆機沿著導軌向后移動，開始進行第二根鉆桿頂入作業。

（8）更換鉆桿時，施工人員需檢查鉆桿是否存在彎曲、損傷等。若不合格，應該立即更換，以保證施工任務順利完成。

（9）引導孔的孔徑應大于管棚外徑15～20mm，深度大于管棚長度50cm。

3.2 長管棚頂管工藝

3.2.1 頂管方式

結合施工項目的管理要求，該項目的施工工期比較緊張，所以使用引導孔+管棚鉆的方式進行施工。先鉆出引導孔，然后利用鉆進設備將管棚頂入引導孔，逐節對管棚進行接長處理，直至管棚深入至設計部位。

3.2.2 管件制作

選擇使用熱軋無縫鋼管，單節鋼管的長度為4～6m，使用絲扣將鋼管連接為管棚，絲扣的長度為15cm；在對管棚進行接長作業時，需將前一根鋼管插入引導孔，然后進行接長作業。

3.2.3 清孔檢查

成孔以后，及時進行清孔作業，將孔內的碎石、土體等雜物清理干凈，然后安裝鋼管。

3.2.4 頂管作業

將待安裝的鋼管放置在臺車上，施工人員將鑿巖機與引導孔對齊，以低轉速將鋼管頂入引導孔內，設備的頂入壓力保持在4.0～6.0MPa。

3.2.5 接管

首根鋼管被頂入引導孔后，在孔外預留30～40cm的長度。此時，啟動鑿巖機，促使鑿巖機反向轉動。施工人員手動安裝第二節鋼管，并使用電焊機進行加固，保證2 節鋼管連接為一個整體。然后，將2 根鋼管對齊，鑿巖機緩慢地向前移動，并以低轉速將首根鋼管向內頂進。結合管棚的長度，將剩余的鋼管按照此流程頂入巖層。

3.2.6 封閉鋼管尾部

管棚頂進作業完成后，可使用抹布條對管棚內的縫隙做封堵處理，最后使用楔形環頂緊。頂緊后，使用電焊將楔形環加固在管棚上。

3.2.7 管棚補強

3.3 配制水泥漿液

3.3.1 配制設備和材料

施工單位在施工現場配備高速攪拌機，可以使用高速攪拌機配置水泥漿液。配制時，要嚴格按照施工配合比摻加原材料。向鋼管內注入水泥漿液，水灰比設計為1∶1。在注漿開始階段，壓力控制在0.5～1.0MPa，在注漿結束階段，壓力控制為2.0MPa。必須保證管棚的強度與剛度符合設計圖紙要求。

3.3.2 配制過程

向攪拌設備內摻加清水，然后將緩凝劑、外加劑按照既定的比例摻加在水中。通過反復攪拌，使外加劑徹底溶解在水中，而后摻加水泥，持續攪拌2～3min[3]。

3.3.3 外加劑的摻加量

外加劑的摻加量控制在水泥質量的5%～10%。緩凝劑的摻加量控制在水泥質量的2%～3%。

3.3.4 避免堵塞

在確定好研究假設后，采取問卷調查法來研究。工作績效量表分為任務績效、人際關系和工作奉獻3個維度，直接采用Motowidlo和Scotter績效模型的量表[4]，結合王雁飛和張淑熙等人的研究[5]，并進行了一些修訂。工作滿意度量表分為報酬滿意度等7個維度，采用Hackman和Oldham編制的工作診斷調查(job Diagnostic Survey,JDS)中的部分項目，結合Spector編制的工作滿意度調查量表[6]，并作了一些修正。經過文獻研究和訪談得出，人格特質量表分為成就需要維度、控制源維度和自我效能感3個維度。

在配置水泥漿液的過程中，結塊的水泥不得直接倒入水泥漿液內。拌制好的水泥漿液要通過過濾網，再倒入儲漿桶，避免注漿泵出現堵塞現象。

3.3.5 合理存放

拌制完成的水泥漿液要及時存放至儲漿罐中，避免長時間的閑置，出現沉淀、離析等現象。

3.4 注漿

3.4.1 注漿原則

管棚注漿工作嚴格按照以下基本原則進行：由兩側到中間的順序灌注，先灌注稀漿再灌注濃漿。以管棚的兩端作為初始點，沿著拱頂鋼管的方向依次作業。在注漿的初期階段，盡量使用稀漿，隨著注漿作業的進度不斷遞進，逐漸換用高濃度的水泥漿液。這種遞進式的轉變可以保證水泥漿液沿著拱頂鋼管布設的方向向四周擴散。

3.4.2 注漿要點

注漿施工的要點：

（1）為了保證在薄弱地層注漿時不會出現跑漿現象，要先在注漿起始部位的掌子面噴射20cm 的混凝土，噴射混凝土之前掛設鋼筋網。在注漿完成的部位，需預留3m 厚的圍巖，將其作為止漿巖盤。

（2）施工人員必須保證注漿孔位設置的精準性，實際孔位與設計要求之間的偏差不得超過5cm，孔底的偏差控制在鉆孔設計深度的1%～2%以內。

（3）在配制水泥漿液的過程中，嚴禁將雜物摻加至水泥漿液中。對拌制完成的漿液，需進行過濾處理，嚴禁將未過濾的水泥漿液直接泵送至泵管中，保證管路暢通。

（4）若在注漿過程中，施工人員發現掌子面存在漏漿現象，應立即對漏漿部位做封堵處理。

（5）注漿結束階段，進漿量不超過20～25L/min。注漿壓力持續性加大，當注漿壓力達到設計值以后繼續注漿，持續10min。注漿作業完成后，使用水泥漿液對管棚底部做封堵處理。當長管棚施工結束以后，施工人員則可按照標準流程進行開挖作業。

3.4.3 異常處理

在注漿過程中，要加大施工現場的管理力度，保證注漿質量符合設計及規范要求。水泥漿液的注入壓力是一個關鍵性技術參數。根據流量計顯示的孔口壓力，可以判斷注漿施工的具體情況。若存在異常現象，應及時采取補救措施。

各種有可能出現的異常現象的原因及處理措施如下：

（1）注漿壓力持續提高，但是未能達到設計值。主要原因是水泥漿液的濃度偏低、凝膠時間過長，對巖層造成劈裂現象導致部分水泥漿液溢出。處理措施是適當提高水泥漿液的濃度或減少注漿的間隔時間。

（2）注漿壓力穩定后，初始壓力逐漸減小。主要原因是水泥漿液向外溢出。處理措施是降低注漿的速度，同時提高水泥漿液的濃度。若采取以上措施后情況未有明顯好轉，則應該暫停注漿。

（3）注漿壓力提高后又驟然減小。主要原因是水泥漿液沿著注漿管向外溢出，或注漿速度過快導致巖層薄弱部位受到擾動。處理措施是降低注漿速度。除了上述3 種情況以外，如果注漿壓力穩定提升，即便達到設計壓力值以后，注漿速度也沒有發生顯著的波動，或者注漿壓力提高后又降低，而后注漿壓力再次提高，說明注漿作業非常成功。

4 施工效果評價

結合該項目的施工效果來看，長管棚施工工藝取得了理想的成效。長管棚施工工藝的加固效果非常顯著，可以有效保證圍巖的穩定性。項目開工至今，尚未發生過異常沉降現象。通過施工現場取芯可以幫助施工單位更加透徹地掌握巖層的具體情況，為隧道開挖提供真實、可靠的數據，保證施工質量。

5 結語

根據以上分析來看，使用長管棚施工工藝對巖層進行加固以后，可以為施工人員提供良好的安全保障。長管棚施工工藝比較適合應用在軟弱圍巖、地質破碎等隧道施工場景中。