鐵路隧道施工預(yù)支護新技術(shù)

1、5 大剛度咬合管幕預(yù)支護技術(shù)5.1 傳統(tǒng)的超前預(yù)支護技術(shù)現(xiàn)狀超前預(yù)支護技術(shù)在破碎或松散地層、自穩(wěn)能力差的隧道施工中被廣泛采用。所謂的超前預(yù)支護體系就是 在隧道開挖之前，在掌子面前方的自然地層里，沿隧道橫斷面設(shè)置一個像拱殼的連續(xù)體，使其既加固掌子面前方的自然地層，同時利用初期支護又保持自然地層的特性，從而保證掌子面及地層的穩(wěn)定，減少地表沉降量。早期的隧道施工，預(yù)支護的形式主要為打插鋼板、木板或型鋼，即所謂的插板法?，F(xiàn)代常用的超前預(yù)支護方法有超前錨桿、超前小導(dǎo)管、水平旋噴注漿、機械預(yù)切槽法和超前管棚法。 鐵路隧道施工預(yù)支護新技術(shù)(1)超前錨桿超前錨桿是沿隧道開挖面外輪廓鉆孔，插入鋼筋桿體并用水泥砂

2、漿使桿體與圍巖固結(jié)成整體。隧道開挖后，桿體及周邊固結(jié)的部分圍巖支承上覆巖土體，防止圍巖坍塌，減少洞室變形。在破碎巖石地層中，該方法工藝簡單，造價低，應(yīng)用十分廣泛。在砂土質(zhì)松軟地層中，因砂漿與粘土體粘結(jié)力較低，限制了應(yīng)用；同時因為一次施作距離短，預(yù)支護剛度小，在地應(yīng)力較大、地層位移控制嚴(yán)時，也限制了它的使用。 (2)超前小導(dǎo)管超前小導(dǎo)管與超前錨桿所不同的是將鋼筋桿體改為空心鋼管，通常管徑3650mm，管壁預(yù)留注漿孔，管口止?jié){封面后，注入水泥漿。壓力注漿滲透擴散管周較大的砂土體。管周注漿固結(jié)體形成一定厚度的隧道加固圈后，實現(xiàn)超前支護的目的。該方法工藝簡單，造價低，特別是砂、土質(zhì)松軟地層中，應(yīng)用十分

3、廣泛。但因其一次施作距離短，預(yù)支護剛度小，在地層壓力大，地層位移控制要求嚴(yán)時，也限制了它的應(yīng)用。 (3)水平旋噴注漿噴射注漿法，又稱旋噴法，分為垂直和水平旋噴注漿兩種方法。水平旋噴注漿的施工原理類似于垂直旋噴注漿，只是一個為水平一個為垂直。其施工方法為，首先使用旋噴注漿機，沿著隧道掌子面周邊的設(shè)計位置旋噴注漿形成旋噴柱體，通過固結(jié)體的相互咬合形成預(yù)支護拱棚。一般每根旋噴體，首先通過水平鉆機成孔，鉆到設(shè)計位置以后，隨著鉆桿的退出，用水泥漿或水泥水玻璃雙漿液旋噴注入鉆成的孔腔，通過高壓射流切割腔壁土體，被切割下的土體與漿液攪拌混合、固結(jié)形成直徑600mm左右的固結(jié)體，同時周圍地層受到壓縮和固結(jié)，其

4、土體的物理力學(xué)性能得到一定程度的改善。旋噴柱體沿隧道拱部形成環(huán)向咬合、縱向搭接的預(yù)支護拱棚，在松散不穩(wěn)定地層隧道中，可有效控制坍塌和地層變形。水平旋噴注漿樁的應(yīng)用在我國還不是很廣，旋噴樁抗彎性能不強，施工控制的難度較大，特別是目前我國的水平旋噴鉆機性能尚未過關(guān)，制約了水平旋噴預(yù)支護技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。 (4)械預(yù)切槽法機械預(yù)切槽法首次應(yīng)用于20世紀(jì)70年代法國巴黎快速軌道運動系統(tǒng)的一個車站的建造工程中。它是利用專業(yè)的切槽機械，沿隧道外輪廓切割一定深度的切槽。切槽方式有帶鋸式和排鉆式兩種。在硬巖地層中，利用該切槽，作為爆破振動的隔振層，主要起隔振或減振的目的。在軟石或砂質(zhì)地層中，在切槽內(nèi)填筑混凝土

5、，形成預(yù)支護拱，提高隧道穩(wěn)定性。機械切槽預(yù)支護，在國外已有多次成功應(yīng)用的實例，取得了較好的經(jīng)濟和社會效益。在國內(nèi)，軟巖鋸式切槽機尚在研制當(dāng)中。(5)超前管棚法大管棚(一般管徑75118mm，長度1020m)是指開挖掘進前在隧道開挖工作面的上半斷面(呈扇形)或全部沿隧道斷面周邊間隔一定距離用大型水平鉆機鉆孔，鋼管跟入或向孔內(nèi)壓入鋼管而形成鋼管群體。為提高鋼管剛度常向管內(nèi)灌注混凝土或鋼筋籠混凝土。由于一次施作距離大，支護剛度大，它能有效控制土質(zhì)圍巖的下沉松馳和坍塌，好地控制地表沉降量，在城市地鐵施工中廣泛應(yīng)用。 在流砂、含水質(zhì)淤泥地層中，管棚鋼管間流泥、流水問題難以解決，也阻礙了大管棚在該領(lǐng)域的應(yīng)

6、用。 5.2 管幕施工技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r國外管幕技術(shù)發(fā)展較先進的國家主要有美國、日本、英國和德國等。美國是最早采用管幕技術(shù)的國家，在19221947年間，美國采用管幕法累計完成鋪管工程830項，鋪管總長度16800m。20世紀(jì)50年代開始長距離管幕，20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了小口徑管幕，以19771984年下水道敷設(shè)看，短距離、手挖式的一次頂進方法占半數(shù)以上，長距離的管幕施工方法、半盾構(gòu)方法則逐漸增加。美國1990年以前是液壓管幕占主導(dǎo)，隨著氣動鋼管頂打技術(shù)出現(xiàn)，迅速發(fā)展并取代液壓，液壓管幕已由1990年的80%迅速降為1994年的40%。 (1)國外管幕技術(shù)的發(fā)展日本自20世紀(jì)7080年代下水道敷設(shè)

7、中，直徑10001850mm者大部分是管幕，直徑大于2000mm的多用襯砌盾構(gòu)施工法，頂進施工法其施工管道長度占下水道總長度的6.3%，另外盾構(gòu)法占2.3%，而明挖施工法占36%。各種工法如鐵鼠掘進機施工法、水平螺旋鉆施工法、鼴鼠式掘進機施工法、土箭施工法應(yīng)運而生。微型機械施工法能使原先不可能的小口徑管幕進行長距離轉(zhuǎn)彎施工，且比較經(jīng)濟。施工機具主要分為壓入式、水平螺旋鉆機、水平鉆孔、泥漿加壓式施工，其中前兩種使用較多且可修正方向。20世紀(jì)90年代日本super-mini施工法協(xié)會開發(fā)的適于大、中口徑16003000mm的長距離管幕施工法，即覆膜管幕法又一次飛躍地提高了管幕一次頂進的最大距離。日

8、本還自行研制開發(fā)了閉水性、耐酸性好的鋼筋混凝土管、聚乙烯塑料管、鑄鐵管、增強塑料管等專用規(guī)范管材。 英國管幕技術(shù)發(fā)展也較快，1980年從日本引進泥水平衡式管幕機械與當(dāng)時西德合作施工的一條內(nèi)徑為2489mm，長度為3.2km的管道已獲成功，且曾達到不用中繼間最大頂距178m的記錄。德國在大口徑管頂進方面技術(shù)比較先進，一次頂進最長2.2km，最大直徑4.4m，如VS864掘進系統(tǒng)，用感應(yīng)式激光屏幕顯示頂進位置，采用快速運行的液壓千斤頂推頂，每天進尺達4050m。1970年的德國漢堡下水道管幕工程是世界上首次一次頂進超千米的混凝土管幕工程，1987年完成的西柏林供熱水鋼筋混凝土管道，內(nèi)徑4.1m，一

9、次頂進1088m，工程總長3607m。在小口徑管幕方面：施密特克朗茨有限公司開發(fā)了一種新的PBA38型頂壓鉆進設(shè)備可有效控制敷設(shè)接戶支管以及最大內(nèi)徑DN300mm的管道且目標(biāo)精度高，管接口為雙層密封。(2)國內(nèi)管幕技術(shù)的發(fā)展管幕施工法是中國最早使用的非開挖施工方法，1953年首次用于北京西郊行政區(qū)污水管工程，采用人工挖掘頂進直徑900mm管徑的鑄鐵管。隨后，上海等城市也相繼采用這一技術(shù)，但都是手掘式管幕，設(shè)備也較簡陋。20世紀(jì)70年代，為適應(yīng)大口徑管道穿越江河的需要，我國開始發(fā)展長距離頂進技術(shù)。1978年研制成功的三段雙鉸型工具管解決了百米管幕技術(shù)，同年，上海又成功開發(fā)適于軟粘土和淤泥質(zhì)粘土的

10、擠壓法管幕，比普通手掘式管幕效率提高一倍以上。從20世紀(jì)80年代開始，管幕技術(shù)在中國有了很大發(fā)展。1981年在穿越甬江的管道工程中，第一次應(yīng)用中繼間獲得成功，頂進長度達581m，成為當(dāng)時繼美國依里諾斯州一次頂進585m之后，世界一次頂進最長的管幕工程。20世紀(jì)90年代我國的管幕技術(shù)已處于世界先進水平。1992年上海研制成功國內(nèi)第一臺加泥式1440mm土壓平衡掘進機，在奉賢排污工程中，直徑DN1600mm鋼筋混凝土管一次頂進1511m，創(chuàng)單向一次頂進混凝土管的世界記錄。1996年底又設(shè)計成功可調(diào)換止水帶的中繼間在上海黃浦江上游引水工程中，將內(nèi)徑3500mm的鋼管，單向一次頂進1743m，再創(chuàng)世界

11、之最，該工程地面用微機監(jiān)控，采用無線電通訊手段傳達到地下，可隨時調(diào)整其偏差，減輕人工負擔(dān)且確保施工精度，目前我國管幕工程的管幕直徑之大、頂進長度之長均屬世界領(lǐng)先水平，已具備一次頂進3000m管道的能力。 管幕技術(shù)顯著的優(yōu)越性使它得到了廣泛的應(yīng)用，在給排水工程、煤氣熱力工程、通信電纜和發(fā)電廠循環(huán)水冷卻系統(tǒng)中采用管幕施工法的愈來愈多，從經(jīng)濟效益和社會效益、環(huán)境效益，及三者綜合比較來看，管幕施工明顯具有實際的可用性。 5.3 管幕預(yù)支護技術(shù)考慮到流塑狀淤泥質(zhì)含水地層，淺埋和城市環(huán)境(周邊建筑物和地下管線)等因素，把隧道暗挖施工對環(huán)境安全、對地面交通和既有建筑物的干擾減少到最低程度，超前預(yù)支護是一項重

12、要的工程技術(shù)措施。傳統(tǒng)的超前預(yù)支護剛度較小、一次施作距離短，而管幕預(yù)支護中的鋼管一般直徑為2002500mm，一次施作距離長，這種支護鋼管可作為整個支護結(jié)構(gòu)的一部分，因此又稱為結(jié)構(gòu)性管棚。 5.3.1 管幕用作隧道預(yù)支護應(yīng)用現(xiàn)狀北京地鐵五號線崇文門站總長202.9m，兩端為兩層三拱結(jié)構(gòu)，中間下穿既有環(huán)線地鐵區(qū)間段，為單層三拱結(jié)構(gòu)，既有線區(qū)間結(jié)構(gòu)底板與車站單層斷面頂部凈距2.858m。由于既有區(qū)間地鐵軌道允許沉降小，傳統(tǒng)的超前支護技術(shù)不能控制車站暗挖施工引起的過量地層位移。因此，采用了雙排600大直徑鋼管，長28m一次施作；振動錘夯入，螺旋鉆出土的施工方法，取得了工程的預(yù)期效果。(1)北京地鐵五

13、號線崇文門站穿越既有地鐵段北京地鐵五號線東四站穿越朝內(nèi)菜市場段，為嚴(yán)格控制暗挖施工沉降，采用159長50.54m、間距0.5m拱部大管棚預(yù)支護。由于該區(qū)段管棚一次施作長度大，普通鉆機無法施作，采用地質(zhì)鉆機引孔、振動錘夯入、管內(nèi)高壓水出土的施工方法，也取得了工程的預(yù)期效果。(2)北京地鐵五號線東四站穿越地面建筑物段5.3.2 管幕預(yù)支護的特點因管幕鋼管頂入時，正面土體封閉形式、開挖方法和出土方式的不同，形成了不同類別的管幕施工方式，但均遵循一個共同的原理，即無論是否使用工具管，首節(jié)切入管均是切土頂進，切入段的長度視地層松軟和穩(wěn)定性的不同而不同，如本工程采用全長切土頂入。因此，管幕施工自身對地層擾

14、動極小，施工安全可靠。管幕作為隧道施工的預(yù)支護，管幕自身施工遵守著預(yù)支護原理。因此：(1)該工法施工時無噪音和震動，不影響城市道路交通；(5)高精度的管幕機研制或購置費用較高，但作為隧道預(yù)支護一次頂進長度較短時，其精度要求相對較低，也可采用較為簡單的正面土體開挖方法和出土方式。(2)可以在不采用氣壓振動條件下，使鋼管頂入，不擾動砂土和淤泥地層；(3)可以在既有建筑物鄰近進行施工，小直徑管自身頂入施工引起的地表沉降通?？煽刂圃?mm以內(nèi)，一般不需對建筑進行基礎(chǔ)托換和地下管線改造；(4)作為預(yù)支護的鋼管埋入土體不能再回收，成本較高；5.3.3 施工步驟(1)工作面封閉或加固處理對待預(yù)支護的隧道或?qū)?/p>

15、坑工作面進行封閉。(2)推進基坑或反力座準(zhǔn)備根據(jù)所采用推進設(shè)備的作業(yè)要求，鋪設(shè)推進機作業(yè)軌道或修筑頂力后背，以及頂入管的安裝，存放場地。利用頂進設(shè)備將這些鋼管通過推進設(shè)備推入隧道輪廓線外的地層之內(nèi)。(3)推管利用推進設(shè)備，將整長或分節(jié)管推入地層，形成管幕的預(yù)支護拱。(4)隧道開挖在管幕的超前支護下，進行隧道開挖。5.3.4 大剛度管幕預(yù)支護的力學(xué)作用管幕預(yù)支護因其大剛度及大長度，末端支撐在已支護結(jié)構(gòu)上，前端伸入未擾動地層很遠或也支撐在托拱上，使掌子面開挖地層由未擾動的初始平衡直接轉(zhuǎn)換到建成隧道的最終平衡，這一點，使管幕預(yù)支護優(yōu)于所有傳統(tǒng)預(yù)支護技術(shù)。傳統(tǒng)預(yù)支護技術(shù)都是以掌子面的三維影響為基礎(chǔ)的，

16、這對隧道的短期穩(wěn)定有重要作用。若根據(jù)地層特征及開挖引起的應(yīng)力分析后證實：掌子面將要發(fā)生變形，那么，在掌子面到達前產(chǎn)生于地層內(nèi)的變形必須為設(shè)計者所接受，否則，就必須借助于繁重昂貴的預(yù)加固處理。在松散地層的淺埋、大斷面暗挖隧道工程施工中，上述傳統(tǒng)的各類超前支護因其強度低、剛度小，雖然可較為有效地控制坍塌，但地層變形、地面沉降值仍然較大，雖然采用很多工藝繁雜的多分部工法，也往往不能滿足地面沉降的控制要求。特別是地面存在高大、對不均勻沉降極其敏感的建筑物或地中埋設(shè)物等。隨著城市地下交通網(wǎng)，地下工程建設(shè)的發(fā)展，不可避免遇到的重要敏感地面建筑物和地中埋設(shè)物，含水砂層、淤泥質(zhì)地層等不良地質(zhì)將越來越多，暗挖施

17、工對地面沉降環(huán)境控制要求將越來越嚴(yán)，該技術(shù)勢必具有良好的應(yīng)用前景。5.4 管幕預(yù)支護的構(gòu)造形式在管幕作為隧道預(yù)支護時，根據(jù)工程需要，所頂入的鋼管之間可實現(xiàn)相互連接。 在管幕預(yù)支護施工中，第一根鋼管的中心和高程是關(guān)鍵，它必須精確地安裝，因為它決定了隨后各管的安裝精度。相鄰兩管之間連接是通過在其外側(cè)焊接的互鎖的連接件來實現(xiàn)的。連接件除了起導(dǎo)向作用外，還可以增加支護體系的剛度，并防止地下水流入開挖工作面。 連接件可以是各種形狀，如圖5-1所示，圖中(b)(f)的連接件均處于管的外側(cè)，因而摩擦阻力較大，連接件容易變形和破壞；圖中(g)的連接件位于管的內(nèi)側(cè)，摩擦阻力相對較小。所有的鋼管安裝完畢后，可向管內(nèi)灌注混凝土，以防止管的腐蝕和變形，并向管的連接件處注入水泥漿液或化學(xué)漿液，以實現(xiàn)密封。此后，便可形成管拱整體體系。 (a)無連接件(b)導(dǎo)槽和T字形(