砂卵石地层暗挖大断面管棚超前支护技术
摘 要：在砂卵石地层中管棚钻进施工难度大，精度控制困难。结合北京地铁 10 号线二期工程前泥洼站至西局站区间隧道砂卵石地层大管棚施工案例，对一种新的大管棚施工技术进行了介绍和评价，并提出了以后改进的方向。
关键词：浅埋暗挖隧道；超前支护；大管硼；潜孔锤跟管钻进；注浆
1 工程概况
北京地铁10 号线二期前泥洼站至西局站暗挖区间隧道渡线段（以下简称“前—西区间”）基于功能需要，洞室有 A、B、C、D、E、F、G 共计 7 种断面结构形式，其中G 断面结构开挖宽度最大为 14.867 m，最小为 6 m（标准断面）。 主要施工方法有临时仰拱法、CD 法、CRD 法、双侧壁导坑法。
暗挖隧道穿越地层主要为砂卵石，由于该段砂卵石地层具有密实度高、自稳性差、大粒径漂石含量大、渗透性强以及卵石强度高等特点，使隧道开挖与支护困难，暗挖大断面隧道的超前预支护方法与成孔方式的选择成为施工的重点和难点。
1. 1 地质情况描述
根据地勘资料以及竖井开挖时揭示的地层情况显示，前—西区间隧道基本位于第四纪卵石④层，局部为黏质粉土、一般粉土④1和细中砂④2层，属于Ⅵ级围岩，土石可挖性为Ⅰ～Ⅲ级。
卵石、漂石，杂色、密实，湿，低压缩性，亚圆形，级配连续，磨圆度中等，一般粒径为 20～200 mm，最大粒径约为300 mm，细中砂填充 25 %～40 %；局部夹漂石，一般粒径为230～300 mm，含量 17.4 %～31.0 %，其中埋深11.5～17.5 m 漂石含量为 37.7%～77.8%，最大粒径390 mm，在埋深 18.94～21.89 m 连续分布。
根据土工试验结果，该区间卵石地层中卵石重度为20 kN/m3，Ф为40～45 °，渗透系数 150 m/d，垂直基床系数为80～150 MPa/m，静侧压力系数 k0为0.18～0.25。
1. 2 暗挖大断面超前支护设计方案
浅埋暗挖施工成败的关键，是控制地表沉降和周边环境与结构物的安全，而控制好地表沉降的前提是控制围岩松弛和掌子面的稳定。 对砂卵石地层，为确保开挖面的稳定，设计采用 Ф108 长管棚 L = 18 m、t =6 mm，沿拱顶 150 °范围布置、水平仰角 1～3 °、环向间距0.3 m、注入水泥液浆加固土体。
2 管棚常规施工方法和存在问题[1]
2. 1 常规施工方法
隧道开挖掘进前，使用地质钻机在开挖轮廓线外按设计参数埋设管壁钻有孔眼的钢管，并注入水泥浆以提高钢管的刚度和加固土体，使隧道拱顶预先形成加固环。 该加固环将发挥“承载拱”的作用，可有效承载上覆局部松软土体的荷载，且使被加固土体的抗剪强度有较大幅度的提高，提供上覆土体所需的支撑力，使拱内部围岩仅承受拱部围岩的形变压力，从而创造理想的开挖条件。
2. 2 存在的问题
1）管棚成孔精度较低，开始钻孔施工前需要设置初始外插角，抵消钻机钻孔精度不高产生误差，然后“盲打”，但隧道开挖后往往发现管棚侵限。
2）在砂卵石地层成孔困难，甚至很难成孔。针对上述问题，如果该工程采用常规方法施工大管棚，将造成管棚成孔困难 ，即使成孔 ，在拔出钻杆 、插入管棚前，砂卵石地层的成孔因自稳性差，很容易坍塌。 针对该地质条件，需一套较完善的大管棚施工方法。
经过咨询和试验对比，潜孔锤跟管钻进打设管棚是一种在砂卵石地层中施工大管棚的新的施工工艺，是一种很好的施工方法。
3 潜孔锤跟管钻进打设管棚方法
3. 1 打设方法[2]
潜孔锤跟管钻进法采用Ф60 mm 钻杆为钻具，钻进时潜孔冲击器振动冲击中心钻头，中心钻头传递冲击给套管钻头并带动套管钻头钻进，套管与回转动力头无连接。冲击器与内钻杆连接，内钻杆通过连接头的内螺纹与回转动力头连接，回转动力头通过连接头传递扭矩给套管和钻杆，将管棚钢管依次打入土层（见图1）。 当钻进到设计长度时，反向旋转内钻杆 90 ° 即可将中心钻头与套管钻头分离，然后把内钻杆全部提到孔外，将套管（管棚钢管）留在孔内。 每打设 1 根进行封孔注浆，最终在隧道拱部形成一个环形拱架。
3. 2 施工机具设备（见表 1）
4 管棚支护施工技术
4. 1 工艺流程[3]
测量放线→铺设“H”形钢轨道→设备组装调试→埋设孔口管→调试钻机（方位、倾角）→钻具组装进孔→导向钻进→回次加尺（接线、接口补焊）→孔斜测量→导向钻进→直至设计深度终孔→回取探头盒→管内及环状间隙注浆→移至下一孔位。
4. 2 施工步骤4. 2. 1 孔位测量放线
按设计图测放出钻孔位置，孔口处采用十字线确定孔口中心，确保位置准确，孔位测放后，孔位围护结构采用水钻钻设导向孔。
4. 2. 2 管棚钢管制作
大管棚单节钢管长度3 m，钢管上布置间距200 mm梅花形Ф10 mm 注浆孔，钢管之间采用活接头内套丝连接，活接头 L=300 mm，两端各接入 150 mm。
4. 2. 3 机具组装调制
1）安装钻机前，要对轨道进行铺设，要求 H 形钢轨找平误差< 3 mm，底盘对角线找平误差±3 mm，4 柱对角误差±5 mm，斜拉筋需绷紧、交叉，拉力基本相等。
2）卡瓦及所有螺母必须拧紧，丝杠、顶杠要顶紧，安装要牢固，确保不因振动而松动或脱落。
3）钻进前应对钻机定位、方位、倾角、孔口管对中等情况，确认正常后方可进行试钻。
4）空压机使用前要经过全面检修，通气管连接要严密，在通气管的端头另外安装一小气管，随时清理钻杆内孔。
5）钻具前部的潜孔冲击器 ，必须经过检验 ，保证质量合格、性能可靠。
6）在冲击器后部和钻杆之间联结上探头室，用于发送信号，控制中心钻头的造斜面改变和控制方向，在内钻杆中增加电缆导管用于有线传输。
4. 3 钻孔
在Ф108 棚管内部安装气动冲击器，冲击器后部Ф60 钻杆和钻机相连，头部锤头是可以和外锤头沟槽连接的数种锤头，在最前 1 根 Ф108 钢管的头部装有通过丝扣、然后焊接加固的外锤头，该外锤头通过内锤头连在冲击器上，然后在高压风力作用下，气动冲击器（频率在 70～80 次/min） 带锤头破碎砂石带动管棚管直接跟进。
钻进前须先开气泵，待压缩空气流通正常后，方可钻进；钻进时，空气压力应控制在0.6～1.0 MPa，泵气量为10～12 L/min 为宜，保持中低压力、匀速钻进。
为保证管棚打设精度，在每打设6～10 m 时，通过导向系统分段测量管棚管的仰俯角度，然后通过钻机的钻具进行调整。定向钻进，终孔后退出内锤头、冲击器及钻杆，准备注浆。 管棚施工作业见图 2。
该工法优点是由于动力作用在管内，出屑在管内完成，因此施工中不会造成局部空穴使地面沉降；同时，由于管棚管及潜孔锤配合跟进 ，自重使其自身稳定性较高。 钻进开始前，钻机水平精度必须反复测量，并根据地质情况控制进度。 管棚管根据现场情况以及钻杆的长度，可将设计长度控制在 3 m 以内，管棚管之间除丝扣连接外，再用焊接加固，防止断管现象发生。
4. 4 回取锤头
当钻进到设计长度时，钻机反向旋转 90 °，内钻杆即可将中心钻头与套管钻头分离，此时将内钻杆全部退出孔外，即可将套管留在孔内。
4. 5 孔口密封
用带连接注浆管的钢板与管棚钢管焊接牢固，注浆连接管采用阀接式。
4. 6 填充注浆
单孔打设验收合格后，即可对管内及管外环状间隙进行注浆充填。
4. 6. 1 注浆浆液配制
1）原材料 ：采用普通硅酸盐水泥 ，强度等级不低于32.5。
2）浆液配合比：水灰比（质量比）＝（1～1.5） ∶ 1。
4. 6. 2 注浆
1） 注浆参数 ： 注浆初压 0.3～0.5 MPa； 注浆终压0.8 MPa；浆液扩散半径 0.2 m；注浆速度≤30 L/min。
2）单根大管棚注浆量计算：
Q＝πR2Ln α β =1.99 m3
式中：R为浆液扩散半径，取0.2 m；L 为注浆管长度，18 m；n 为地层孔隙率 ，取 0.3；α 为地层填充系数 ，取0.8；β 为浆液消耗系数，取 1.1。
4. 7 施工效果及评价
通过后续区间暗挖隧道开挖后观察，施工后管棚形成的轮廓圆弧规则，管棚排列较整齐，形成一个完整的超前支护环；隧道开挖后地表、拱顶沉降均较小，均在允许范围内（见图 3）。
5 结语[4]
实践证明，潜孔锤跟管钻进法是砂卵石地层施工大管棚的一种行之有效的方法，但仍有待进一步完善。笔者认为今后应重点在以下方面做好改进工作：
1）管棚设计时 ，由于各参数互相影响 ，定量计算困难，所以不能孤立考虑某个参数，必须综合考 虑。
2）应将管棚作为超前支护 、超前探测和施工监测的综合手段，形成新的管棚设计与施工理念。
3）加大数控导向管棚钻机的研制力度 ，以提高施工效率。
4）施工过程中 ，应根据地质情况的变化 ，选择适当的注浆方法，及时调整浆液参数，充分考虑成本、质量、安全及进度之间的关系，才能保证工程的顺利实施。
参考文献：
[1] 刁志刚. 地铁车站暗挖法施工中大管棚施工方案设计[J]. 铁道建筑，2004（7）：45-47.
[2] 颜纯文，蒋国盛， 叶建良. 非开挖铺设地下管线工程技术[M].上海：上海科学技术出版社，2005：162-165.
[3] 林希鹤 ，卢清国 ，马艳春. 超前管棚支护在隧道工程中的应用[J]. 铁道建筑，2006（8）：58-60.[4] 刑厚俊，徐祯祥. 大管棚在超浅埋暗挖大跨度隧道工程中的应用[J]. 岩石力学与工程学报，1999，18（S）：1059-1061.
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