超大直徑、長(zhǎng)距離管棚帷幕技術(shù)在下穿既有線暗挖隧道中的應(yīng)用

一、前言

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施大規(guī)模建設(shè)浪潮的興起，各種公路、水渠、鐵路之間的交叉工程日益增多，因此對(duì)工程建設(shè)提出更高的要求。根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，在穿越既有線的隧道工程施工中，施工組織除了要保證隧道工程本身施工的安全外，確保既有線的安全運(yùn)營(yíng)更是重中之重。

二、工程概況

南水北調(diào)中線總干渠與石太鐵路引入線交叉工程位于河北省石家莊市西郊的石橋村西側(cè)約0.5KM處，地形比較平坦，距國(guó)道約10KM，交通便利。石太鐵路引入線為雙線電化鐵路，改京廣貨左線為電化普速貨運(yùn)鐵路，隸屬北京鐵路局管理，列車(chē)最大行車(chē)速度不大于120KM/h。本工程全長(zhǎng)172米，均位于直線上。其中進(jìn)出口U型擋墻各5米，渠道下穿石太鐵路引入線采用小凈距三孔明、暗挖隧道形式通過(guò)，單孔暗挖134米，明挖結(jié)構(gòu)28米，暗渠兩孔間凈土柱8.7米，每孔斷面為馬蹄形帶仰拱形式。隧道埋深6.1米。

工程地質(zhì)剖面圖

隧道結(jié)構(gòu)主要位于黃土狀壤土中，中間夾有2米的礫砂層。持力層位于粘土層上。黃土狀壤土承載力標(biāo)準(zhǔn)值fk =150kpa，自穩(wěn)能力一般，礫砂承載力標(biāo)準(zhǔn)值fk =150kpa，自穩(wěn)能力較差，粘土承載力標(biāo)準(zhǔn)值fk =200kpa，自穩(wěn)能力較好。屬于Ⅴ級(jí)圍巖，地層巖性分布較均勻、土體整體穩(wěn)定性較好。地下水主要為賦存予黃土狀壤土下部及賦存予礫石中的承壓力，主要受大氣降水補(bǔ)給，屬于中性水（或淡水），對(duì)圬工無(wú)侵蝕性，經(jīng)過(guò)基坑開(kāi)挖發(fā)現(xiàn)實(shí)際地下水位標(biāo)高在71.69m左右，而隧道開(kāi)挖面底的標(biāo)高為69.52m，兩者相差2.17m。

三、主要施工方法

3.1管棚帷幕技術(shù)簡(jiǎn)介

單孔隧道斷面圖

管棚帷幕超前支護(hù)法，即利用夯管錘沿隧道頂部外45cm位置向隧道縱向夯入帶有連接互鎖導(dǎo)向裝置的Ф500×16mm16Mn熱軋無(wú)縫鋼管（其中隧道中心上頂?shù)谝桓転槎ㄎ粚?dǎo)向管，管徑加大為Ф711×18mm16Mn熱軋無(wú)縫鋼管）。依次按單雙號(hào)將帶連接互鎖裝置的鋼管夯入，鋼管夯通后利用TT40/60鉆機(jī)螺旋出土將管內(nèi)土壤鉆出，然后向鋼管內(nèi)填注有壓細(xì)石砼。鋼管和有壓細(xì)石砼形成水平向的鋼砼樁，每根鋼砼樁在導(dǎo)向連接裝置的連接下形成鋼砼樁帷幕。

3.2管棚帷幕施工工藝流程

管棚施工流程圖

3.2.1 施工準(zhǔn)備

1、管材預(yù)加工

為保證管節(jié)之間的焊接強(qiáng)度與質(zhì)量，采用坡口滿焊連接（坡口坡度60±5°，留出2±1mm不剖，鋼管間距2±1mm，最后焊接強(qiáng)度達(dá)到與管材等強(qiáng)度），焊縫要求飽滿、焊高達(dá)到規(guī)范要求，邊焊邊夯，因此在夯進(jìn)前需將每段鋼管的兩端端口處打成60度坡口，以保證焊接質(zhì)量（機(jī)加工的目的是為了保證切口端面與管材中心線的垂直，進(jìn)而保證整體工程質(zhì)量）。

鋼管端頭坡口處理圖

鋼管接頭現(xiàn)場(chǎng)焊接圖

2、夯管平臺(tái)

鋼管和夯管錘定位固定在工字鋼支架上。工字鋼臥置，利用工字鋼槽口承托鋼管和夯管錘，?711mm鋼管采用I45c工字鋼，?500mm工字鋼采用I36c工字鋼，長(zhǎng)度都為12m;工字鋼下平鋪枕木，間距50cm，土質(zhì)不好時(shí)，為了保證夯管導(dǎo)軌基礎(chǔ)的穩(wěn)定，將枕木底部50cm原狀土夯填為50cm厚干拌混凝土，換填隨夯管施工逐層施做。夯管施工順序采用由中間向兩邊，單洞可搭設(shè)2個(gè)平臺(tái)，一根夯擊完畢后焊接鋼管時(shí)可倒換至另一導(dǎo)軌，大大提高工效。

鋼管導(dǎo)向裝置布置詳圖

3.2.2 測(cè)量放線

1、隧道管棚施工的控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)由勘測(cè)單位提供的地表基準(zhǔn)點(diǎn)傳遞到地面下，必須保證精度，且必須進(jìn)行復(fù)測(cè)，保證管棚中線及每根管的位置、高程的準(zhǔn)確性。

2、考慮到夯程過(guò)長(zhǎng)，管頭會(huì)由于重力作用勢(shì)必發(fā)生“下扎”現(xiàn)象，同時(shí)施工工藝、誤差以及施工后期沉降，應(yīng)該適當(dāng)外放管棚位置，確保建筑界限及結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸。根在定位導(dǎo)軌方向時(shí)，應(yīng)根據(jù)夯進(jìn)長(zhǎng)度考慮提前預(yù)留坡度或外放空間。

3、夯管平臺(tái)的導(dǎo)軌方向和高程直接關(guān)系到管棚的位置與形態(tài)，因此導(dǎo)軌的安裝精度是關(guān)鍵。

3.2.3 設(shè)備安裝

1、作業(yè)面處由專(zhuān)業(yè)測(cè)量人員放出孔位大樣，并放樣出軸線便于機(jī)械就位。

2、將鋼管及夯管錘吊裝在預(yù)先搭設(shè)的夯管平臺(tái)上

3、使夯管錘平移到需要的位置，位置調(diào)節(jié)好后將夯管錘放入導(dǎo)軌內(nèi)，使夯管錘前端空出鋼管的位置;

4、將預(yù)加工好的鋼管按照夯管錘上軌道的方法擺放到夯管軌道上，夯管錘安裝的連接配件，由出土器、連接卡瓦拉緊帶、錘托架、供氣管、空壓機(jī)組成。安裝方法如圖。

錘體結(jié)構(gòu)安裝圖

5、安裝時(shí)必須使錘體與夯進(jìn)管中心位置保持一致，不得有偏差。如管體與夯管錘不在同一中心位置，可利用焊接工字鋼調(diào)整高度。

6、設(shè)備安裝過(guò)程中一定要將拉緊帶拉緊，不能處于松弛狀態(tài)，否則將導(dǎo)致夯管錘在震動(dòng)過(guò)程中前后發(fā)生位移，沖擊力不能全部作用在鋼管上，降低夯進(jìn)速度。

7、設(shè)備安裝時(shí)一定要安裝分瓣椎體，它可有效防止夯管錘直接作用在鋼管上造成管口發(fā)生變形，便于與下節(jié)鋼管的焊接。

3.2.4 夯進(jìn)施工

1、鋼管焊接及帷幕間連接方式

1）鋼節(jié)焊接

鋼管管節(jié)間采用60°坡口對(duì)焊，焊縫處成了受力薄弱區(qū)，如果焊縫在同一截面上會(huì)形成一個(gè)整個(gè)帷幕的“軟肋”，為了避免焊縫位于統(tǒng)一截面上，采用10m和5m尺寸（或其他尺寸）的鋼管搭配施工，保證相鄰兩根管焊縫錯(cuò)開(kāi)不小于2m，保證管棚的同一剖面焊口數(shù)量不超過(guò)總數(shù)量的50%。這樣形成平面搭縫形式能夠最大限度的減少焊口所受壓力，使壓力均勻的分布到整個(gè)管棚上，降低整體的安全隱患。

管間接縫錯(cuò)開(kāi)示意圖

鋼管連接焊口示意圖

每根夯管首段均需裝設(shè)切割削環(huán)，以保證鋼管夯擊時(shí)不被障礙物壓環(huán)走形。夯管遇障礙物不能正常行進(jìn)時(shí)夯管錘可產(chǎn)生瞬間沖擊力，此力為正常夯擊力的4倍，這樣，如遇孤石、石塊及小直徑鋼筋混凝土塊均可穿過(guò)，而且方向不變。

切削環(huán)安裝示意圖

切削環(huán)實(shí)際安裝圖

2）帷幕間連接

為增加帷幕整體性，以提高剛度、帷幕效果及止水效果，帷幕間采用搭扣互鎖連接，使單管連成一排，具體連接形式見(jiàn)下圖：

互鎖連接器安裝圖

互鎖連接器大樣圖

2、夯進(jìn)施工

將管材與夯管錘擺放到導(dǎo)軌后，調(diào)整平臺(tái)導(dǎo)軌，使鋼管中心線與夯入中心線重合后，將互鎖鋼條焊接到鋼管兩側(cè)再夯進(jìn)。第一節(jié)管夯入1米和4米時(shí)分別停止夯進(jìn)，按照已設(shè)定的中心軸線進(jìn)行復(fù)測(cè)，如有偏差，立即糾正。定位管夯進(jìn)完成后，待夯鋼管與臨邊就位鋼管采用互鎖鎖緊，沿著互鎖夯進(jìn)就位，每個(gè)單洞的由中心向兩邊依次順序打設(shè)。

一般所采取的糾偏措施：用人工將鋼管在軸線偏差的相反方向的土清除，在軸線偏差的方向鋼管外壁打楔子;就是調(diào)整夯管錘的沖擊方向，使沖擊方向與偏差方向相同。經(jīng)過(guò)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)此兩種方法僅在前4m夯進(jìn)過(guò)程中可有效的糾偏，如夯進(jìn)過(guò)深暫無(wú)法得到有效糾偏，所以定位管前4m一定要嚴(yán)格復(fù)測(cè)，確保方向準(zhǔn)確，避免后期發(fā)生偏差無(wú)法糾正。

3、技術(shù)要點(diǎn)

1）由于孔位置要求嚴(yán)格，在每一根鋼管夯進(jìn)過(guò)程中，都必須嚴(yán)格控制夯進(jìn)參數(shù);

2）根據(jù)夯管錘工作性能和施工經(jīng)驗(yàn)介紹，夯進(jìn)過(guò)程中管向左右偏側(cè)差的可能性很小，大部分均為向下，主要原因是鋼管及管內(nèi)土在重力做用下而產(chǎn)生的，如隧道工程中為了保證不影響初支結(jié)構(gòu)凈空，可適當(dāng)加大預(yù)留上揚(yáng)坡度，沖抵因重力造成的扎頭因素。

3）第一根鋼管夯進(jìn)尤為重要，它是導(dǎo)向管直接影響后續(xù)管節(jié)的夯進(jìn)方向與精度，宜采用低氣壓緩慢夯進(jìn)，待夯入完畢恢復(fù)正常氣壓繼續(xù)夯進(jìn)，以免定位管夯進(jìn)發(fā)生偏離。

4）夯管作業(yè)開(kāi)始以后，要求連續(xù)進(jìn)行，盡量減少作業(yè)間歇時(shí)間，且不宜中途停止。因?yàn)殚g歇時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)造成土層和管外壁粘在一起，增大摩擦力，從而使夯進(jìn)阻力增

5）焊接前，應(yīng)檢查兩鋼管的水平、垂直位置及兩管的同軸情況，以免由于不同心鋼管發(fā)生偏移現(xiàn)象。

6）為保證所夯鋼管的平直，所有鋼管接口焊接均須在鋼軌上進(jìn)行，在全部夯進(jìn)過(guò)程中嚴(yán)禁將鋼管完全夯下導(dǎo)軌。

3.2.5 管內(nèi)出土及灌漿施工

管內(nèi)出土采用鉆機(jī)機(jī)械出土的方法，主要采用螺旋鉆機(jī)出土，人工輔助清理。在夯進(jìn)過(guò)程中合理分配施工場(chǎng)地，避免由于出土和夯進(jìn)交叉施工影響施工效率。待所有管內(nèi)出土完畢后，在管口處用封堵板進(jìn)行封堵，封堵板焊接泵送管接口，連接泵送車(chē)的輸送管道，利用泵送車(chē)將混凝土壓入管內(nèi)。

技術(shù)要點(diǎn)如下：

1）由于夯管錘的高頻振動(dòng)導(dǎo)致管內(nèi)的土體極為密實(shí)，雖采用機(jī)械清理仍然十分困難，為此可配合壓入高壓水，水在管內(nèi)部不會(huì)影響既有線正常運(yùn)營(yíng)。

2）為了保證壓注混凝土施工質(zhì)量，在上部預(yù)留排氣孔避免管內(nèi)氣壓過(guò)大，混凝土輸送困難。

3）灌注混凝土采用細(xì)石混凝土或自密實(shí)混凝土，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況適時(shí)的通知攪拌站調(diào)整混凝土添加劑、塌落度及和易性等指標(biāo)，如鋼管過(guò)長(zhǎng)可采用高標(biāo)號(hào)水泥砂漿，保證鋼管內(nèi)壓注混凝土的整體性。

四、體會(huì)與建議

經(jīng)實(shí)際操作實(shí)施后，發(fā)現(xiàn)超大管棚對(duì)后期暗挖施工起到了很好的棚護(hù)作用，配合線路加固及路基注漿等措施，在帶水的環(huán)境下進(jìn)行隧道開(kāi)挖及支護(hù)，3條既有鐵路路沉降很小，基本在可控范圍之內(nèi)，很好的保證了鐵路正常運(yùn)營(yíng)。

根據(jù)管棚扎頭現(xiàn)象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)管棚在40m夯程內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)下扎現(xiàn)象，但在40m后下扎幅度很大，很不容易控制管棚的夯進(jìn)方向，極易侵入隧道結(jié)構(gòu)，后期處理非常麻煩。為此，在實(shí)際施工過(guò)程中采用外放40cm，并分別制定0%、0.5%、1%和1.5%四種預(yù)抬坡度進(jìn)行夯進(jìn)實(shí)驗(yàn)，然后測(cè)量管頭位置統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)如下表：

現(xiàn)場(chǎng)管頭位置實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)后期總結(jié)，本工程管棚外放50cm，10m導(dǎo)向軌頭抬高15cm，形成一個(gè)1.5%的仰角避免管棚后半程扎頭過(guò)多，此措施在實(shí)際應(yīng)用中起到了很好的效果，有效的避免管棚由于過(guò)長(zhǎng)發(fā)生侵入主體結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象。

道暗挖施工中，超大管棚的施做起到的棚護(hù)作用非常顯著，但不同地質(zhì)條件下夯進(jìn)方向的控制參數(shù)要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整，本文中的方向及外放參數(shù)只是針對(duì)該地質(zhì)條件，類(lèi)似地質(zhì)條件下可采用，但在其他地質(zhì)條件下還需在施工過(guò)程中注意總結(jié)分析，這樣才能保證夯進(jìn)方向在可控范圍之內(nèi)。

參考文獻(xiàn)：

[1]《鐵路隧道施工技術(shù)指南》（TZ204-2008）;

[2]《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》（TB10121-2007）;

[3]《鐵路混凝土與砌體工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》（TB10424-03）;

[4] 《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)》（鐵建設(shè)[2005]160號(hào)）;

[5]《鐵路混凝土工程施工技術(shù)指南》TZ210-2005;