长大管棚预支护技术在北京地铁暗挖段的应用

长大管棚预支护技术在北京地铁4＃线西单站暗挖段的应用1引言管棚在国外较早就得到了应用。20世纪70年末，意大利开发出在软弱地层中安全进行全断面掘进并提高生产效率的机械设备，管棚施工技术应运而生[1]。在德国法兰克福地铁建设的第一期施工中，有一段长160m的隧道在交通要道下通过；为了在不中断交通情况下进行分部开挖，使用管棚进行了超前支护[2]。在日本，超前管棚的方案在1976年用于砂土和淤泥中的地铁车站建筑[3]。在我国，管棚法首先用于山岭隧道施工中，并在穿越破碎带、松散带、软弱地层、涌水、涌砂层等软弱围岩隧道施工中发挥了重要作用，已发展成为隧道洞口及通过断层或软弱破碎带的主要辅助工法[4]。近些年，管棚法也被推广于地下铁道的暗挖施工中。在北京，1990年地铁1＃线西单站采用直径0.115m、长18m的管棚加小导管注浆的联合超前支护体系通过覆盖层仅厚6m的表层土及砂土，在土体自稳性极差的条件下，实现了大跨度的超前超长加固，保证了掘进安全，有效控制了地表沉降[5]。北京地铁浅埋暗挖施工中采用管棚超前支护的实例还有：1#线王府井站、东单站、国贸站；5＃线崇文门站、蒲黄榆站、黄庄站；等等。北京地铁采用的管棚，钢管直径最大的是0.6m：5＃线崇文门站从2＃东端区间隧道下方、相距1.98m处穿过，暗挖施工前采用长36m、直径0.6m、壁厚0.016m咬合管幕预支护；管棚最长的是146.6m：5＃线蒲黄榆站暗挖施工采用管棚超前支护，管棚长146.6m、管径0.114m、壁厚0.005m，纵向贯通整个车站拱顶，环向布置间距为0.3m，共施作了103根[3]。在建的北京地铁4＃线西单站中部下穿长安街暗挖段施工采用直径0.325m、壁厚0.012m、长度46.8m管棚预支护方案。该管棚设计参数虽然不是最长，管径也不是最大，但施工遇到的挑战是严格的限制条件：⑴不允许管棚本身施工引起西长安街路面沉降和隆起；⑵管棚两端垂直方向只有0.488m高的有限空间，上下为已施作的钢筋混凝土冠梁所限制；⑶管棚穿越混凝土充填的废弃管道和极不均匀的杂填土层。本文就针对该工程的工法选择、施工关键技术进行分析、总结。2工程概况与特点北京地铁4#线西单站中部下穿长安街、上跨地铁1#线暗挖段长46.8m，左右线为2个马蹄型单洞断面，中间设联络通道，将这2个单洞相连，单洞开挖轮廓断面尺寸为：9.90m（宽）×9.17m（高），采用暗挖法施工，结构拱顶至地面覆土层厚度4.3m。覆土层主要是人工杂填土，稳定性差，管棚施作范围内有2条采用C20细石混凝土封堵的管线。由后续开挖掌子面出露可见人工杂填土主要为砖块、夯实的石灰、水泥、砂土等，分布极不均匀。在暗挖段拱顶施作密排管棚作为超前支护措施，为了避免大量穿越混凝土管道施工，设计成“一”字型布置。管棚采用无缝钢管，直径0.325m、壁厚0.012m、长度46.8m。管材每节长度为9.0m，管棚长钢管采用6节9.0m长的钢管焊接形成，钢管之间中心间距为0.4m，管外跟进直径0.06m钢花管，进行回填注浆，注浆材料为PO.32.5R水泥浆，水灰比为1:0.8。该暗挖段车站结构及管棚纵剖面见图1，图1暗挖段车站结构及管棚纵剖面暗挖段北端端头墙、管棚及混凝土管线位置关系见图2。图2暗挖段北端端头墙、管棚及混凝土管线位置关系该工程管棚设计限制条件有：魄⑴戚烦管棚布置在长倾安街下面距地佣面约引3.5m更处，选择合理欣的施工工法，献尽量减少对地熄层的扰动，保酿证管棚本身施湖工不引起西长常安街路面沉降斩和隆起。是⑵类舅管棚两端垂直热方向处于暗挖外段南、北端头输已完成的上下草冠梁间高度为提0.488m能范围的有限空耀间内，管棚从破一端向另一端子施作，要求另固一端也正好从铃上下冠梁间这旋个有限空间内污拉出。因此，锯管棚出口位置讯及进口位置自码由空间很小姻。眼⑶闸仇部分陶管棚施工拍采取措施博穿针越亡C2眨0廉细石混凝土充躬填的废弃管道翁和极不均匀的讲杂填土层。源3档尽管棚施工工法折的回顾、分析请与选择富管棚常用的施哪工方法有旬水平钻机顶进泳法攻、水平钻机回假拖法、僚夯管法商、导向钻机成芽孔管锤夯进法老等。减对于大直径管培棚施工，对于稿软弱钓土鼻层采用直接顶斥进方法；伶对于均匀土层蜡采用定向钻进旱、多次扩孔再控回拖钢管的方燥法；也有采用仿水平液压自动赔取土顶管机的东施工方法。酷管棚采用育水平钻机顶进嗽法山施工指，菊钻孔机具常采营用水平旋转钻赢、套管钻、注快浆钻、水冲钻拌等菊。卖钻孔循环介质醋一般为风、水势、泥浆，也有押用水泥浆的誉[6]卸。知最常用的钻机冒钻头直径完0.僚108m蚁，成孔直径况0.纵11辫0咏～炒0坡.裳113m坏，钻杆长颠度命1.翠5戏～纱2船.5m程；钻进时水从验钻杆中心注入将，从钻头口喷娱出；钻孔完成李后立即退出钻宁杆，利用人工薪配合钻机安装柴管棚钢管。既这种工法主要厕用于小直径管手棚的施工。狗对于土质很软给的情况，有人嗓采用把昏管棚钢管直接糕顶入榜的施工方法。崭例如，上海桨某箱形地道桥腐顶进采用管幕蜻进行超前支护料，管幕位于饱萌和的淤泥质粘鸭土层中，管棚吹长为霞126m炕，管棚钢管直缠径为守Ф吗97好0缩，钢管之间采刘用外接式锁口香，采用顶进法担施歼作昌8绣0型根管棚钢管，乒误差控制在岗了阴±园20mm画左右霜[7]济。献导向钻进工作耗原理是利用非节对称钻头斜面屿反力作用来改践变钻进方向和量调解钻头射入耳角度。若同时俯给进和回转钻坚转杆则实现直肯线钻进，若只晴给进不回转，裁则斜面的反力包使钻头改变方估向，实现斜钻丙进。钻进过程皱中，钻头内的下探头或发射器砌发出的信号被寨地表探测仪接蚊收，可随时调僚整钻头的角度简和深度。钻头盾到达预定目标档点，再进行回做拉，往返数次域直至将钻孔扩阿大到所铺设管绑棚钢管哑的直径为止，坝再将管师棚钢管拖胖入效钻孔中阳。根据成孔方朱式不同，导向稿钻进可分为干怜式和湿式裁2纳种。干式钻具滑由挤压钻头、屠探头室和冲击弹锤组成，靠冲裳击挤压成孔，肝不排土。湿式陕钻具由射流钻奶头和探头室组无成，以高压水碎射流切割土层匪，有时辅以顶罢驱式冲击动力牺头以破碎大块怨卵石和硬土层延。离该工法可用于茂大门直径的差管棚施工哪，颗在讨北京有成功的脂应用实例键。例如，依在伤首都机场滑行俯道下孝顶进框架式隧筹道采用超前大执管棚支护，棚圾管长度疲148.3丽m称，总根篮数冬2坚4每根，管中心距源0.65m厅；棚管中心距正箱涵结构外缘病0.5m厦；棚管采膏直径城0.骗325的m维、壁厚脸0.01阁m抽的状螺旋钢管，眠位于粉质粘土浙层，局部为回肺填土弟。管棚打设采腐用水平定向钻耀进，循环介质亡为泥浆，经过街采用扩孔器识2适次扩孔后惕再稍回拖跌管巾棚荣钢蹈管岛，催水平、垂直仰精度浙均完达到托0.24m而[8]妨。桥对于樱更大依直径的管棚，隐可采用水平液检压自动取土顶幻管机施工。侵北京地牺铁斥5没＃晌线崇文门车站掌过既有线暗挖扎施工采用管幕赛进行超前支护急，管幕钢管栽直径稠0.脉6织m鼓、壁厚镜0.0辉16m笼，长度碌36m匆；钢管之间采煎用愈2×10植＃提槽钢疏和粮10舌＃尊字钢相互咬合贝。管幕钢管采趁用水平液压自谣动取土顶管机庙施工，螺旋出卖土钻头落后钢统管前端川10cm再～享15cm佳，先顶进后出涉土于[9]存。丧夯管施工法的好工作原理是夯蛮管锤在压缩空应气驱动下产生伍的较大冲击力密直接作用在钢钻管后端，克服姻土层与管体间午的摩擦力，通及过前端钢质切就削管头切入土若体，被切削的阔土芯暂时留在柿钢管火内壶，待夯管成功亩后，取下切削诞管头，用压气莲、高压水射流漆或螺旋钻杆等百方法将土芯排午出摩[10]通。沈对于回填土不命均匀地层，夯醋管施工钢管遇溪到障碍时会改颠变方向，施工辈精度难以保证纪。玉长插管棚常见工法形的比较见表堪1选。声表江1遮氧长管棚施工方咸法的比较近施工方法队适用地层把适用管棚（长讲度蚀/些直径鸦*屠）贴定位精度剖施工速度即引起沉降退经济造价俯水平钻机顶进蛋软岩衬小密/那小良低防快志大川低编水平钻机回拖搭非含水土层朵中部/戚小、中供高烟快址小台低首导向钻机成孔垫管锤夯进站均匀土层醋长骆/讨小、中弃高四快利小来高潜夯管法忆均匀土层仁短绒/卧中凳低吓慢带大挽高仅水平液压自动驳取土顶管机现均匀土层坝长艘/痕大宜高评慢引大然高衣直接顶进尘软弱土层和长久/宫大阵中搁快缝小蚀低扭*悟一般小直径（吓89.腿1验～暑139权.8mm石）、中直群径布嗽厅（盛165.悄2寿～胖暴216.3m秃m稻）或大直径（手318.5m茂m盼以上）吴[11]异。鱼对浅埋暗挖法屡来说，津由于成孔时的璃应力释放和成尊孔过程中的水槐土流失，总要躺引起地表沉降扔。单根管棚产串生的沉降非常校小，随着管棚丹数量增加息，克成孔应力释放凝造成沉降量累扒加，将引起较识大的总沉降量它，背有的管棚施工坑引起的沉降甚朱至大于隧道开扬挖所产生的沉闸降。管棚施工失引起的地表沉静降原因可以归低纳为略3揉类况：甜成孔时的应力愉释放茎；我成孔过程中的狼水土流失冈；妥成孔施工精度岩误差引起的超薄挖介[1降2册、东13]住。娇本工程管棚直婚径为威325mm久，属于大直径县管棚。佳从肾地面沉降要求嗓严，施工誓空间有限现、瓶地层不均匀等辱限制条件惜出发，级考虑的主要因川素有锁：快采取措施补弥补或改善成通孔过程中的水慢土流失；镇严格路控制施工误差蝇；尽量避免成列孔时因应力释腔放所产生的变赶形。辰通过对管棚施脏工工法的综合燕比较，确定乡采用导向钻成摸孔、多次扩孔咏、前拉后夯的正综合施工方法粒。该工法有如祥下优点夜：读燕⑴睬螺施工精度高。仁水豪平导向钻进上孤下左右偏差可弓控制在筛50mm警以内，扩孔作器镇将孔贡径熄扩大并调直，长可进一步提高象精度。幸⑵碰状地面沉降或隆仔起小。在钻孔议过程中使孔周洲应力释放第，而扩孔过程贵中蹦使砖钻孔周边受到胀挤压，应力相蓬互抵消，地层包损失小，对地昼面不会产生影槐响。血⑶痕忽一次通长设置己长祖46.8m苗钢管，整体性且好，能很好起粘到管滔棚杆“顶梁的效伪应预”筛。受4口算本工程饮长大管棚施工梨技术与效果摧4.1梦胖总体施工方案充该工程采用患导向钻成孔、认多次扩孔、前配拉后夯的综合禽施工方法，由先由北向南通祥过水平钻诞机折(HTG-2吹00贵)王施作干φ沈8师9志导向钻孔，然肺后在纽φ制8伯9刻钻杆末端连接柳φ院15爪9挑钻杆进行扩孔层。质φ咱15刻9疤扩孔完成后，枪分别使用竿φ芦25敞0龙和誉φ皱35典0意钻头钻杆从南叼向北再进行羊2伶次扩孔。最后土在北驴端何工作平台使用可拉管侍机玩(SYUG-博300尝)巩对节φ凉32袜5路钢管向北回拉乱，同时南租端黄工作平台使用撞夯管第机合(TAURU瑞S350堵)抛对统φ章32他5使钢管向北夯进哭。虫4.2帮央主要施工工序启对一根傲管棚燃钢管的施作，陆主要施工工序叹包括：有线导刃向钻进进紫→逼二次钻进扩骑孔泳→餐扩孔器一次扩框孔偷→赚扩孔器二次扩楚孔袄→绪管棚钢管置抄入颂→丙管棚钢管内压漆注细石混凝沃土丙→啊管棚钢管外注痕浆。亚有线导向钻进苍：导向孔打设灾钻机及拉管机庙安装在隧道北鞋侧，由北向南兼打设导向孔，债采步用凯φ渠8柔9陵钻杆进行钻进怎。你钻头内装有特京制的传感器，鲜传感器由信号虏线连接显示屏摇。显示屏显示刚钻头的倾角和森面向角，根据莫钻头在钻进过抗程中的位置和猴方向与设计轨责迹的差异，利状用能调节方向谣的楔型钻头改繁变钻进方向塘。虹苍二次钻进扩孔援：从北向南采较用部φ盼15仪9迟钻杆进行钻进益扩孔。答扩孔器一次扩槐孔：从南向北绍采障用体φ军25工0侮扩孔器进行扩处孔作业扩孔时误，在扩孔头的谷后端加带拉管歌钻杆。夫扩孔器二次扩键孔：从南向北数采事用连φ辰35馒0丙扩孔器进行扩届孔作业扩孔时狸，在扩孔头的桌后端加带拉管随钻杆。铲管棚钢管置入闸：谅谊下管由南向北风下管，夯管机佳安置在南端，怜由南向北方向组夯入。采篇用仍“服前拉后孤夯否”碑工法从南向北拳进及行沫φ哲32少5躬管幕的拉管工枝作。由于回填崖地层拉管过程乳中会出现拉管办受阻，受阻时咱用夯管方法，辣采用冲击力清乎除障碍或通过虑障碍。患管棚钢管内压世注细石混凝土浅：通过高压风侵将夯管内的土姜壤压出，在管肿内压开注像C2浊0易细石混凝土。典对整个管棚施烘作来说，首先蹄施作的钻孔使私地层受到扰动拴造成地层软硬犬不均，烦如护紧接着再打下塞一个相邻的孔否，很难控制该亲孔的偏斜；管字外跟踪注浆要第保证管内外间企隙注满填充实威，又在时间和劣空间位置与导钟向钻孔及扩孔刃错开，避免对险导向钻孔及扩同孔产生不良影们响。因此，确雕定管棚施作顺籍序的原则是：戴导向孔跳孔打狗设，扩孔及管筑内注浆也间隔辞进行，管外注斜浆顺序施作。羊导向孔、扩孔原、管内注浆及弊管外注浆平行填流水作业震，筝如蠢表未2妹所示。泽（芽注：表中带圈天的数字为施作船管棚钢管或钻许孔编号，见逆表鸽2阀。防）瘦施作顺序坦1掉2污3煌4锋5恨6脚7昼8主9挽10省导向孔进①算③闷②唉④道⑥处⑤绸⑦英⑨掉⑧基⑩箱扩孔位置灭①搞③刮②匠④勺⑥肯⑤候⑦侦管内注浆坏①受③险②姨④猴⑥葱⑤缴管外注浆惩①受②懒③贸④殃表众2精袋管棚施作顺序柔4.3厉考主要技术参数旺与工艺要求糟⑴尽浴钻翻孔玉像水平钻机工作突面上垃铺餐“寒工甘”违字钢雹桂道，钻机支店架安在轨道上切，利用油缸，圆可以自由升降疯和水平移动；摧支秘架和钻机用螺钟丝拧紧斜拉筋晴定位，保证稳或定性。全液压掩水平钻机回拖孝力杆25稿t获，扭省矩累9000N享m刷，钻杆主要灰为茫Φ崇89×宏5浩mm朵、轻Φ纱159×博5祖mm升钢管，两端谜为仪Φ忍89×拐10黑mm百、君Φ工159×寒10mm林钢管，伞加工成每根肯6m径，钻头为楔型应钻头，斜板加嫂安硬质圆柱合然金，可破除一栏般回填砖石。供钻进前先开风浸，待风通正常四后，再钻进；凯钻进时，风压脱应控制裹在货0.6-0.炮7MP弱a炼，风量为茂12m铁3典/mi旷n棉。保持中低压愧力，匀速中速旬钻进；采用孔俱内保压措施，炼保证出土量不斤超过设计孔的萌理论出土量，苗控制钻孔引起豆的地层沉降。桥⑵扒助扩裙孔慈候前面用拉管机盏通过钻杆拉动聪扩孔头扩孔。净扩孔分两次进舌行，第一次孔丑径扩到吨250mm宗，第二次扩至沸350mm禾；扩孔时，在付扩孔头的后端谦加带拉管钻杆姥，以阔备证后续扩孔或拉垫管使用；扩孔誓过程中少随时记录拉力源及扭力的变化谅。盲⑶捡竖拉考管末舞Φ阁32肆5播管献棚滥钢管采用厚度撇为无12mm拨无缝钢管，钢遵管之间加内接浪管箍，管箍长就400mm他,换直四径介Φ袜299mm痒采用直接对焊哪连接。对焊时归要加内管，要柔求钢管之间对驾准、对直，并澡加以满焊；相扛邻木两个孔的接头裕位置距离不纪小于纸2m龙。拉管机由万霸向节荷同配Φ扫32些5骨钢管连接保证班方向，并拉动否钢管，将钢管煌拉入，后面用营夯管锤锤击，膊直至设计深度念46.8m隶。且⑷澡妨管内灌券注匀弱通过高压风将秩夯管内的土壤辣压出，在管内君注何C2截0蚁细石混凝土。设灌注混凝土材由南端进行，稿灌注垫口设在南端，妖出浆口位于北感端，设在钢管竹顶部，当出浆叨口流出浆液后巩，关上阀门，焦然后加压忆至学0.5M利P暗。种⑸节长管外注半浆凯水奏管外注浆通过煌专门燕的喷Φ裳6衫0纺钢管进行遵，卖Φ党6头0苍钢管随尸同赞Φ笑32壁5善钢管拉入宪，它Φ邀6骂0斜钢管位女于体Φ戚32谊5娱钢管的侧面，陕基本位贿于题Φ贡32教5优钢管左上或右贡上助45侧°攀角方向每，心Φ裹6苍0芦钢管径向夸钻染Φ桥1伴5净注浆孔，注浆准孔按每惧米处4元个孔布设利；厦拉管时，注浆阀孔朝别向继Φ免32德5勾钢管，防止膨砂轮土堵塞。首根觉及尾根注浆管孙不设注浆孔。虹注浆前要先将有注浆管内泥土职清出，保证两选端通畅。浆液性为水泥浆，水敌灰比败为甲1摄：景0.痰8俭。每一根钢管麻注浆量根据钢券管内和钢管外沉的间隙及地层坊渗漏情况确定惊。注浆采用管兼内管外分别加夫注，泵压控制摩在帽0.组5软～供0.8MP涛a脂，携停率1龙5议～携3脾0脸分钟进行二次篇补浆，确保管浑内外填充质量鲁、泵压低会影锁响地面下沉，门泵压高会影响介地面拱起。注悄浆必须控制好笨注浆量、注浆溜压力等每一个南环节，保证达罢到设计要求为伏标准。注浆设旬备采用泥浆泵锣，注浆时为了洞控制注浆压力亿，午在伤Φ港6肌0余注浆管的端头伍要安装高精度义压力表和出浆蝶阀门，注浆时种密切关注，压须力达到后立即柳打开阀门，防邻止压力过高。沈⑹塞惧管棚端部连秃接召疲Φ敌32倾5荷钢管全部布设敲完成后，需将她南北两端的管谷头连接起来，颈使端头部位形夕成一个整体；参端头连接方法奖是猴用别Φ惭20mm治钢筋上下两排度焊接起来，同拌下冠梁之间用素钢板或钢筋垫猜起，使钢管两僵端的承重传递抱到下冠梁上。才4.4积挑施工精度没与质量寺控制隐管棚的施工精侵度要求：携⑴柿居导向孔阁开孔孔位偏驻差溉≤会±夹1镇0mm图；浅以设计轴线为殊准向上偏角以为孝0.1裹°申；终端孔位最葱大偏差为案1沃2亡0mm宋。缸阀⑵屑单根管棚钢管门要求水平偏差释不能大于离12阻0m扩m剂，垂直偏差不午能大于案8辩0啄m抚。若⑶恒管棚设计轴线奋从北向南案为方3详‰掩下坡，管棚出浓口位置比进口喉位置低含190mm暮，误差控制在我80mm战以内。目⑷品下管管棚长度交与设计长度误缺差不大于吉200mm避。甲管棚施工精度高与质量的即控制方法：浆⑴斤乓导向孔打设采经用楔掌斜板钻敬头，钻头后面舅200mm得处装有有线或血无线导向探棒蜻，操作台上有摔显示屏，如有剥偏斜随时可以帮调整角度。梢利用高精度有忽线导向仪及管援内光学测量系肃统能控制精度暮为锅3教‰兽，利用无线导三向仪器在地表鸡进行测量定位劲。聪⑵股躲水平定向钻进例时，每打设一端根钻杆可以监雨测要1梯～寸2怪次是否偏斜，跃如有偏斜立即扬校正。诵⑶拆相钻孔入孔艰以箱设计轴线为准抢向上的偏角赔为肚0.1少°跨，并一直基本陪保持伴该角度，避免锹钻头向下弯沉妈。音随着不断钻进寻，时刻观察探婚头角度变化情尸况，角度偏差据大进于驴0.2粮°谣时，及时纠偏暴。当纠偏无效触、偏差大皱于食0.5照°搏时，停止钻进以，并退钻调整含好姿态后再钻钳。株⑷挣川导向孔偏差如晶大于闪8策0m忘m域，采用扩孔方网法将孔径扩大姜到貌300谨～止320窄mm慈的责同时进行校正熟取直闲