超長管棚技術(shù)在地鐵工程中的應(yīng)用

1、超長管棚技術(shù)在地鐵工程中的應(yīng)用王忠華1 羅海波2(1深圳市地鐵集團(tuán)有限公司 深圳518026 ； 2中鐵十八局集團(tuán)有限公司 深圳518023 ) 摘要：當(dāng)前許多國內(nèi)城市都在進(jìn)行地鐵工程建設(shè)，地鐵工程的地下土建工程的施工方法主要有傳統(tǒng) 的明挖法、礦山法、和新近發(fā)展的盾構(gòu)法。本文通過對深圳地鐵二期1號線工程深圳大學(xué)站下穿深 南大道的主出入口通道，超淺埋暗挖法隧道采用80米超長管棚施工，就有關(guān)設(shè)計和施工的技術(shù)參 數(shù)、主要施工工藝與流程等關(guān)鍵施工技術(shù)的實(shí)施，確保了地面沉降控制在規(guī)范要求內(nèi)，保證了深南 大道及地下管線的安全。關(guān)鍵詞：超長管棚；地鐵；應(yīng)用；Wang zhong hua 1 luo hai

2、bo 2(1 Shenzhen Metro Group CO.，ltd Shenzhen 518026 ；2 China RailwayConstruction 18th Bureau Group CO-, ltd Tianjin 518023)Abstract： Nowadays in China, there are great number of underground subway systems are being constructed. The main engineering construction methods used are traditional open exca

3、vation, mining and the recent developed sheild boring method. However, This article studies the underground excavation with shallow cover and super long pipe-roofing methods used for the construction of the pedestrian walk-way under Shen Nan Road , the main city street,at the SZ University Stop of t

4、he Rail One of the 2nd Phase construction. It gives thorough analysis on the technical data,the main engineering methods and process of the construction with the conclusion on the factors that ensuure the groundsetting control within the undergound engineering rugulation requirements as wel as how t

5、hese methods protect the daily operation of the Shen Nan street and the safety of all city underground power, water , tele-communication systems while these contruction is under going.Key words： super long pipe-roofing；subway； engineering1、項(xiàng)目概況及背景1.1工程概況地鐵1號線續(xù)建工程深大站1號出入口主通道暗挖段位于科技園深南大道地下5.441m處，呈 南北

6、向橫穿深南大道，全長80m，通道暗挖段斷面尺寸為8.3mX6.84m馬蹄形。工程特點(diǎn)：1.1.1、過深南大道通道施工主要穿越地層為礫砂層，地表普遍分布有素填土，礫砂層土自穩(wěn) 性能差，隧道屬超淺埋隧道，安全風(fēng)險大，深南大道是深圳市主要交通樞紐，夜間偶有非法重型載 重汽車通過，其動荷載影響范圍深達(dá)隧道范圍內(nèi)，對隧道施工安全造成威脅。1.1.2、政治意義重大，社會影響范圍廣，若因施工影響深南路正常通行或意外中斷通行，后 果將不堪設(shè)想，影響地鐵工程建設(shè)正面形象，社會負(fù)面影響巨大。1.1.3、隧道開挖段地下管線很多，電力、電信、雨水、上水、污水、燃?xì)狻⒙窡舻鹊叵鹿芫€ 管道大多平行于深南大道，隧道將在管線

7、下面呈90角穿過，其中有兩條0500污水管，兩個1.2m X1m雨水箱涵距離隧道開挖面極近，最近的只有0.57m，如果在開挖中一但地面沉降過大，將不 可避免地要波及地下管線。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測管道實(shí)際埋深與給排水市政管網(wǎng)圖紙標(biāo)高不符，實(shí)際埋設(shè)標(biāo)高較圖紙標(biāo)高低， 因使用年限較長，污水管和雨水箱涵有沉降和滲漏現(xiàn)象。1.2工程地質(zhì)情況1.2.1、工程地質(zhì)：本區(qū)間隧道主要穿越礫砂層。覆土主要為回填土。根據(jù)勘察資料，大管棚施工地段所處地層由上而下依次為素填土層；軟土、淤泥層，其 結(jié)構(gòu)松軟承載力低，極易產(chǎn)生流變；坡洪積、沖洪積礫砂層；含水、飽和、結(jié)構(gòu)松散，易坍塌， 為地震液化土。1.2.2、水文地質(zhì)：深圳市的氣

8、候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，熱量豐富，日照時間長，雨量充沛.氣候和降雨量隨冬夏季 風(fēng)的轉(zhuǎn)換而變化.每年59月為雨季。勘查期間地下水們埋深4.5m水位高程13.37m，水溫18.720.1。地下水總的徑流方向?yàn)橛?北向南。地下水的排泄途徑主要是蒸發(fā)，主要補(bǔ)給來源為大氣降水。根據(jù)勘察資料分析，大管棚施 工主要受此層含水層影響。2、工程設(shè)計2.1原設(shè)計方案：原設(shè)計方案采用10m長大管棚、超前小導(dǎo)管等其他常規(guī)暗挖隧道設(shè)計作為初期支護(hù)的一部分 和控制地表沉降的主要措施。根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，通過對以往深南大道地下通道類似支護(hù)形式施工 情況的調(diào)研，業(yè)主、設(shè)計和施工等各方都認(rèn)為10m長大管棚結(jié)合超前小導(dǎo)管等初期支護(hù)的整

9、體性 能較差，不能控制土體沉降和地表沉降，極易造成對地下管線的破壞；在深南大道機(jī)動車動荷載的 作用下，容易造成掌子面失穩(wěn)、局部土體沉降過大或坍塌，嚴(yán)重的造成坍塌事故，影響了車輛通行 甚至造成交通中斷。由于兩條0500污水管，兩個1.2mx1m雨水箱涵距離隧道拱頂開挖面僅有0.57m。原設(shè)計方案 按小導(dǎo)管1015插入角和大管棚13，侵入雨水箱涵和污水管道，造成管道斷裂、爆管，使污 水和雨水滲入隧道，造成安全隱患或事故，根據(jù)調(diào)查，相關(guān)施工深南大道通道的單位已有類似經(jīng)驗(yàn) 和教訓(xùn)。附圖一：原設(shè)計圖紙2.2超長管棚的設(shè)計方案：考慮到深南大道是深圳市主要交通干道，經(jīng)常有重型載重車輛通過，其動荷載影響范圍深

10、達(dá)隧 道范圍內(nèi)，對隧道施工安全造成威脅。根據(jù)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況結(jié)合深圳地鐵以往的工程經(jīng)驗(yàn)。增設(shè)超長大管棚并結(jié)合其他初期支護(hù)的措施，可以達(dá)到均布路面上部荷載，整體承載通道上部靜、 動荷載，減小土體沉降變形。可有效控制隧道拱頂沉降、土體、地面和深南大道的沉降量，能確保 深南大道的暢通和地下管線的安全，確保隧道施工的安全性。附圖二：現(xiàn)設(shè)計圖紙附圖二：現(xiàn)設(shè)計圖紙附圖二：現(xiàn)設(shè)計圖紙綜上，考慮到深南大道交通的特殊性和社會政治意義，保證地下管線的安全和保障深南大道暢 通，創(chuàng)造良好的社會效益，有關(guān)各方最終選擇了工藝先進(jìn)的超長大管棚施工。2.3設(shè)計技術(shù)參數(shù)比較項(xiàng)目大管棚長 度施工部位大管棚外 插角環(huán)間距施工

11、工藝規(guī)范誤差原設(shè)計10米洞門二側(cè)施工1 3333mm普通1，50mm現(xiàn)設(shè)計80米通長0.1 0.2400mm導(dǎo)向跟管0. 1， 0-20mm2.4采用超長管棚的優(yōu)點(diǎn)2.4.1能有效降低土體和地表沉降，大大提高隧道開挖過程中掌子面及隧道頂部土體的穩(wěn)定性， 確保深南大道交通安全。通過在超長大管棚內(nèi)及管子周圍環(huán)向間隙壓注水泥漿液，有效改善了管棚 周邊的土體，且管棚在超前支護(hù)中起作等效梁的作用，可以承擔(dān)開挖方向的有效土體作用。2.4.2超前支護(hù)效果好。由于施工采用導(dǎo)向跟管鉆進(jìn)新技術(shù)，解決了鋪設(shè)管棚的精度問題，故 可使鋪管長度由原來每環(huán)只能1020米長，增至每環(huán)80米，這樣大大提高了管棚支護(hù)的整體性。2

12、.4.3可有效控制路面和道路沉降，保障深南大道暢通，保證深南大道的暢通，2.4.4可有效保護(hù)地下管線因沉降帶來的傷害。超長管棚插入角可控制在0.10.2。，最大 誤差控制在20cm以內(nèi)，能確保施工過程中地下管線的安全，并保證施工過程中不影響管道正常使 用，不損壞管道；不可能出現(xiàn)因地下管道損壞造成安全隱患。3、設(shè)計參數(shù)及主要材料3.1棚管設(shè)計參數(shù)超長大管棚設(shè)計為通道全程鋪設(shè)，通道開挖段全程通長超前支護(hù)，每根管棚入土部分的長度都 為79.4m，寬度為8.3m。棚管采用0108熱軋無縫鋼管，壁厚8mm。為滿足端頭與注漿機(jī)連接每根 加長1米，單根總長80.4米，分27小節(jié)施工完畢，其中26節(jié)長3米，端

13、頭1節(jié)長2.4米，管與管 之間用絲扣連接，每節(jié)管長3m，兩端分別加工絲扣7.5cm。搭接長度為15cm，全部由工廠加工成 半成品運(yùn)送至現(xiàn)場。棚管間距400mm （管中），設(shè)于橫通道拱部120o共布置30根棚管，管口中心 距開挖輪廓線350mm，保持由北向南5%。下坡坡度（同隧道開挖面坡度）。邊鉆進(jìn)邊鋪設(shè)，邊保持這一角度直至終點(diǎn)，棚管內(nèi)壓注水泥漿，注漿壓力保持1.02.0Mpa， 直至完全充實(shí)了鋼管內(nèi)部及管子周圍的環(huán)向間隙為止。3.2主要材料（1）棚管：采用0108熱軋無縫鋼管，壁厚8mm。（2）聚合物觸變漿液：其主要作用為a、保持鉆進(jìn)過程中孔內(nèi)泥水平衡，防止塌孔影響鉆進(jìn) 精度；b、潤滑鉆桿；c

14、、吸附沙、石顆粒；d、冷卻鉆桿，降低導(dǎo)向傳感器溫度；e、護(hù)壁作用。聚合物觸變漿液配合比為：水：優(yōu)質(zhì)膨潤土：纖維素（CMC）：純堿：“易鉆”聚合物添加劑（美 國進(jìn)口）=1.4:1:0.3:0.3:0.4。（3）棚管內(nèi)注水泥漿液：水泥采用425普通硅酸鹽水泥，采用水泥漿液水灰比為1:1；注漿 壓力：2.03.0MPa；漿液擴(kuò)散半徑：不小于0.5m；單根鋼管注漿量：Q=nxr2xL+nxR2xLxnxax0式中：r為鋼管半徑，L為注漿鋼管總長度，R為漿液擴(kuò)散半徑，n為地層孔隙率，a為漿液 有效充填率；0為漿液損耗系數(shù)。4、鉆進(jìn)原理及其工藝因本工程管棚長度達(dá)80m，且地層為礫砂層，施工采用了 “大管棚

15、施工導(dǎo)向跟管鉆進(jìn)裝置” 和“導(dǎo)向跟管鉆進(jìn)技術(shù)”施工工藝，一次性完成通長管棚的敷設(shè)。故特別選擇了FDP-25型鉆機(jī)， 并配備了 DigiTrak Eclipse 導(dǎo)向儀。FDP-25鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)參數(shù)名稱單位量值動力Diesel Engine PowerkW265最大輸出扭矩Max.Spindle TorqueNm32000鉆機(jī)回拖力Max.Pullbacd forcekN480鉆機(jī)給進(jìn)力Max.Thrust forcekN480輸出轉(zhuǎn)數(shù)Spindle speedrpm0-80入射角Entry drll angle0-20泥漿泵最大排量Max.mud flow rateL/min320/400

16、泥漿泵最高壓力Max.fluid pressureMpa10鉆桿規(guī)格Drill Rod(dia.xLength)mm89x4500一次推進(jìn)行程Feed strokemm4500擴(kuò)孔直徑Diameter of reamermm350-1000主機(jī)外型尺寸Rig sixa(LxWxH)m9x2.2x2.4主機(jī)質(zhì)量Weightkg148004.1鉆進(jìn)原理鉆頭內(nèi)裝有特制的傳感器（探頭），傳感器直接由15v直流供電。顯示屏顯示鉆頭的傾角（水 平角度）、面向角（導(dǎo)向板的方向：導(dǎo)向板即箭頭朝上即為12點(diǎn)如同鐘表），打設(shè)角度如果偏下， 可以把鉆頭調(diào)到12點(diǎn)，即導(dǎo)向板朝上，直接頂進(jìn)。此時由于導(dǎo)向板底斜面面積大，

17、受到一個向上 的壓力，鉆頭軌跡就會朝上運(yùn)動。同理在6點(diǎn)糾偏可以使鉆頭軌跡朝下。9點(diǎn)、3點(diǎn)分別為左、右 糾偏，方向如果合適，鉆桿會勻速旋轉(zhuǎn)，此時鉆機(jī)軌跡一般是平直的。所以導(dǎo)向鉆頭是上下運(yùn)動的 關(guān)鍵。至于左右偏差則根據(jù)傳感器尾端的發(fā)光裝置來定，通過儀器測量參數(shù)來糾偏。專門用于打設(shè)超長大管棚的“導(dǎo)向跟管鉆進(jìn)技術(shù)”，是把非開挖水平導(dǎo)向的原理移植到鋪設(shè)大 管棚工程的工藝當(dāng)中。采用先成孔，然后管棚跟進(jìn)鉆進(jìn)的方法。鉆頭采用與鉆管等徑的楔形鉆頭， 鉆頭導(dǎo)向板回轉(zhuǎn)半徑略大于鋼管半徑6mm左右，鉆頭前端有01012mm的水眼，當(dāng)鉆頭正常回 轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時，鉆管沿直線前進(jìn)；當(dāng)鉆頭偏離預(yù)定軌跡時就要糾偏，其方法是把鉆頭導(dǎo)向

18、板調(diào)至已經(jīng)偏 斜的方向，鉆機(jī)同時停止轉(zhuǎn)運(yùn)，實(shí)行加力頂進(jìn)。鉆頭由于斜面的作用就會向相反的方向偏斜，于是 就實(shí)現(xiàn)了糾偏，修正了方向。斜面的朝向和鉆進(jìn)時的偏斜方位都是由裝在鉆頭“肚子”里的導(dǎo)向探棒 監(jiān)測的，它通過穿過鉆管的導(dǎo)線，反映在操作臺前的顯示屏上，機(jī)手看著顯示屏就可以方便地調(diào)整、 修正鉆管的鉆進(jìn)方位，實(shí)現(xiàn)“導(dǎo)向”鉆進(jìn)。4.2管棚打設(shè)施工工藝根據(jù)本工程的工程地質(zhì)，水文地質(zhì)條件，施工場區(qū)環(huán)境等具體情況，為防止鉆進(jìn)鋪設(shè)當(dāng)中地下 水及泥沙涌出，確保管棚打設(shè)的工程質(zhì)量，設(shè)計主要程序如下：4.2.1開孔。用專用開孔鉆機(jī)在01.6M的圍護(hù)柱上鉆出長約1.6m的0 140mm的孔位，要控制 好鉆進(jìn)角度，鉆透水

19、泥層，然后預(yù)埋孔口管。4.2.2焊制導(dǎo)向鉆頭。取一截2m管棚，再將厚20mm的鐵板切割成楔狀導(dǎo)向板，按15角焊接 在截好的棚管前端，同時將水眼鑲焊在棚管前面。將0108的棚管截成3米為一段，并在兩端加工 絲扣，鉆進(jìn)前將做好的導(dǎo)向鉆頭接在前端，放入導(dǎo)向探頭，鉆進(jìn)時采用泥漿護(hù)壁，利用有線導(dǎo)向儀 糾偏控向，成孔后將一節(jié)節(jié)棚管依次連接打入，同時將鋼管接口焊接嚴(yán)密，直至設(shè)計長度。4.2.3導(dǎo)向鉆進(jìn)。導(dǎo)向鉆進(jìn)前應(yīng)對鉆機(jī)定位、方位、傾角情況，孔口管對中情況，沖洗液流通以及導(dǎo)向儀 顯示情況進(jìn)行全面復(fù)檢，確認(rèn)正常后進(jìn)行試鉆。鉆進(jìn)前須先開泵，待沖洗液流通正常后，方可鉆進(jìn)。鉆進(jìn)時，泵壓應(yīng)控制在0.5 1.0MPa，

20、泵量為1030L/min為宜。保持中低壓力，勻速 中速鉆進(jìn)。為防止沙土流失，控制沉降，必要時需采用孔內(nèi)保壓措施。要始終保持回水量小于或等 于進(jìn)水量。導(dǎo)向技術(shù)人員隨著不斷鉆進(jìn)，必須時刻觀察探頭角度變化情況，角度偏差大于0.3時， 應(yīng)及時糾偏。當(dāng)糾偏無效、偏差大于0.5時，應(yīng)停止鉆進(jìn)，及時報告項(xiàng)目經(jīng)理，研究對策后再 施工?，F(xiàn)場須及時進(jìn)行導(dǎo)向數(shù)據(jù)記錄和鉆具前端長度及每次加管長度詳細(xì)記錄。鉆孔出現(xiàn)涌水時，應(yīng)盡量保持泵壓，泵量不能變小，以平衡孔內(nèi)壓力。沖洗液不正常時，嚴(yán)禁繼續(xù)鉆進(jìn)。泵工應(yīng)注意觀察沖洗液變化情況，及時報告并會商。導(dǎo)向鉆進(jìn)至20及30米時，應(yīng)分別進(jìn)行一次測斜。發(fā)現(xiàn)超限，及時補(bǔ)救。4.2.4鉆

21、管打設(shè)到終點(diǎn)時，停水停轉(zhuǎn)，用08mm的鋼繩將探頭盒取出，取出時應(yīng)每10米測量一 次孔斜情況，做好筆錄。4.2.5鉆頭連接管棚，重新進(jìn)行管棚跟進(jìn)鉆孔一次性鋪設(shè)完成，為確保施工精度，管棚鋪設(shè)完 成后，用08mm的鋼繩將探頭盒取出，取出時應(yīng)每10米測量一次孔斜情況，做好筆錄。為保證注 漿效果，管口要進(jìn)行封堵，并啟動注漿泵，通過管內(nèi)（采用鋼花管注漿，頭尾各留12m不開孔， 開孔采用環(huán)向錯開布置，縱向間距1m左右，孔徑68mm，注漿時需對孔口進(jìn)行封堵）壓注水泥 漿對管內(nèi)及管環(huán)狀間隙進(jìn)行充填，水灰比為1，注漿壓力2.03.0Mpa。5、保證設(shè)計、工藝的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)真執(zhí)行施工組織設(shè)計及施工技術(shù)措施規(guī)定的質(zhì)量標(biāo)

22、準(zhǔn)；5.1單孔開孔間距為400啞。開孔孔位偏差斗50啞，若須移位，應(yīng)調(diào)整開孔角度進(jìn)行回歸。5.2開孔孔位距隧道開挖線設(shè)計為350啞，不允許向內(nèi)偏斜。5.3管棚的偏斜應(yīng)控制在5%。以內(nèi)，終端最大控制間距300啞。5.4為了保證鋼管連接的同軸性，每根鋼管都必須加車絲扣，采用絲扣連接。絲扣連接一定要 擰緊、到位，中間縫隙要加焊，絲扣連接長度不小于15cm。5.5管棚打設(shè)長度與設(shè)計長度誤差不得大于200啞。6、主要施工難點(diǎn)及對策5.1、因超長管棚達(dá)80米，為防止鉆進(jìn)時可能出現(xiàn)較大的出水和泥沙涌出，有效控制泥沙涌出， 防止隧道開挖過程中拱頂過度沉降，防止土體沉降引起地下管線破壞和地面及道路的沉降影響正常 使用。在鉆進(jìn)中在孔口安裝了法蘭節(jié)門等孔內(nèi)保壓裝置，有效地控制了鉆進(jìn)時的出水、有效地防止 了泥沙的涌出。5.2、由于地下管線復(fù)雜，污水管道距管棚打設(shè)的設(shè)計軌跡最近處僅有約17cm，為保證鉆進(jìn)精 度，確保地下管線的安全，在實(shí)際鉆進(jìn)過程中，采用了有線和無線導(dǎo)向儀相結(jié)合的辦法，有效地控 制了打設(shè)超長管棚的導(dǎo)向精度。5.3、由于隧道所處地層為礫砂層，為保證鉆進(jìn)和導(dǎo)向的精度，根據(jù)地層特性，在鉆進(jìn)前對聚 合物觸變漿液、水泥漿液、注漿壓力等，在正式施打超長管棚前進(jìn)行了多次試配和試驗(yàn)，同時為防 止相鄰鉆孔之間出現(xiàn)“穿幫”，主要采取了跳孔打設(shè)的方式，保證了設(shè)計超長管棚的精度。7、工期比較本工程采用CRD工法