地铁穿越砂卵石富水地段支护施工技术
摘 要: 结合北京地铁穿越砂卵石富水地段的施工，对隧道的支护以及在砂卵石中管棚施工的钻机钻进施工技术进行了探讨和介绍。通过在拱墙部位施作 30 m 超前长管棚注浆并辅以单排超前小导管补注浆进行超前支护，形成棚架作用; 采用三台阶预留核心土人工开挖，及时施作初期支护，并设置临时仰拱、横撑和竖撑加强支护; 跟进径向注浆和隧道底板注浆，扩大固结范围和封堵初支渗水; 二次衬砌紧跟，完成隧道施工。确保了在复杂地质条件下的隧道开挖安全。
关键词: 地铁 砂卵石 富水 支护钻进技术
1 工程概况
北京地铁一施工区段位于市区较繁华地段，下穿河流、引水渠、高架桥、引水隧道、住宅等，地铁隧道在该处还穿越富水砂卵石地层，是隧道施工的重点和难点。
该段穿越的地层主要为强 ～ 弱风化砾岩层、弱 ～微风化砾岩层及第四系卵石层。隧道拱、墙部位处于古河道沉积形成的砂卵石层内，含砂量 45% ，为中粗砂，卵石直径 Dmax= 12 ～ 15 cm，Dav= 2 ～ 5 cm，＞ 2 cm颗粒约占全重的 55% 。地层富含孔隙潜水，地下常水位高于隧道拱顶 7． 2 m。基岩节理较发育，全风化至微风化，岩体较破碎存在基岩裂隙水。
2 隧道支护施工
鉴于该段地理位置的特殊性，为了更加稳妥、安全地通过富水卵石地段，与设计等单位反复研究决定采用大管棚、超前小导管注浆、径向锚杆、钢格栅相结合的支护措施，确保隧道一次掘进成功。
首先对开挖面封堵注浆，防止开挖面突水坍塌。然后扩挖洞室，在拱墙部位施作 30 m 超前长管棚注浆并辅以单排Ф42 mm 超前小导管补注浆( 固结范围确保达到 2． 0 m 以上) 进行超前支护，形成棚架作用; 再三台阶预留核心土人工开挖，及时施作初期支护，并在设置临时仰拱、横撑和竖撑加强支护确保安全的前提下，跟进径向注浆和隧道底板注浆，扩大固结范围和封堵初支渗水。最后，二次衬砌紧跟，完成隧道施工。
格栅 断 面 尺 寸 是 270 mm × 270 mm，主 筋 为HRB335Ф25 的螺纹钢，腹筋是 HRB335Ф14 的螺纹钢，格栅间距 50 cm。钢筋网片: 钢筋直径Ф6． 5 mm，网格间距 15 cm。
2． 1 大管棚施工
工作室的扩挖施工: 隧道 K0 + 000—K0 + 030 段采用的全断面深孔注浆，固结范围为开挖轮廓线外 2m。扩挖段里程是 K0 + 015—K0 + 025，总长 10 m。该段岩石为强 ～ 弱风化岩层，局部岩层完整性良好，属Ⅳ级围岩。扩挖深度是初支面外扩 50 cm，扩挖部分以外为洞口全断面注浆保护层，保护层厚度 1． 8 m。
大管棚采用Ф108 热轧无缝钢管，壁厚 6 mm，环向间距 0． 4 m，长 30 m，管壁钻梅花形注浆孔。大管棚采用 1° ～ 3°度外插角，钻孔完成后清孔打设管棚，在管棚钢管内插入 4 根主筋Ф20 的钢筋笼。
2． 2 大管棚在砂卵石中的钻孔
大管棚施工首先是钻孔。由于砂卵石层钻孔易卡钻、偏心、移位，故在砂卵石地层中超过 20 m 进尺的先例很少，因此打入 30 m 管棚施工难度极大。为了保证钻孔成功，决定采用跟管钻进成孔和下管同时完成的方法，避免先成孔后下管间歇时间的塌孔问题。因此，必需对钻进设备及配套机具进行精选。
2． 2． 1 机具的选择
1) 钻机: 在砂卵石中钻进 10 m 所受阻力较小，但超过 15 m 后钻进阻力就已明显增大。一般情况下，随着孔深的增加，钻进阻力会成倍增长，钻进前 10 m 的速度是钻进 10 ～ 20 m 速度的 4 倍以上。因此，我们选用 HTG-100 型潜孔锤跟管钻进水平打孔专用管棚钻机。该型钻机给进力 150 kN，扭矩 5 000 N·m，动力头行程 6 m。该型钻机长度超过 7 m，安装在可自由行走的轨道机架上，这样钻机安装牢靠且移动方便，不易偏斜。
2) 钻进原理: 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。每根套管之间靠反螺纹连接，套管与回转动力头无连接。冲击器与内钻杆连接，内钻杆连接到钻孔所需的长度并与回转动力头连接，回转动力头通过连接头传递扭矩给套管和钻杆。
2． 2． 2 套管的连接形式
外套管的强度关系到能否成功钻孔。外套管采用Ф108 mm × 6 mm 的无缝钢管，如果用丝扣连接，公母丝的厚度大约只有 2 mm 左右，不可能承受冲击器产生的巨大冲击力。因此用非标 Ф103 mm × 6 mm 无缝钢管做内扣，Ф108 mm 管两端车母扣，公母丝的厚度都超过 3 mm，强度大大增加。
2． 2． 3 钻孔工艺流程
测量定位→搭设平台→铺设“H”钢轨道→设备组装调试→空压机安装调试→钻头定位( 方位、倾角)→钻具组装进孔→钻进→回次加尺→钻进→直至设计深度终孔→回取锤头→封孔→管内及管外注浆→移至下一孔位。
2． 3 超前小导管施工
超前管棚注浆孔较深，压浆固结围岩的效果难以保证。为了确保隧道开挖施工安全，在开挖过程中需要辅以超前小导管补注浆超前支护，避免突水、涌泥和塌方事故发生。开挖前在拱部 180°范围内打设Ф42注浆小导管，超前注浆加固。小导管长 5． 0 m，环向间距 40 cm，纵向间距 2 m 设置一环，从格栅拱架中间穿入，外插角 30°。小导管管壁钻设梅花孔，孔径 1． 0cm，间距 15 cm，导管前端做成锥形，顶进端 1． 0 m 长度内不钻孔。导管打设完成后，与格栅钢架焊接，并在每根导管外露端头焊接Ф20 注浆球阀。
注浆方式采用劈裂注浆，注浆终压 3． 5 MPa，水灰比 1． 0∶ 0． 8，注浆材料为超细水泥，注浆由两拱脚向拱顶逐渐靠拢，注浆泵采用单液浆泵。超前小导管和开挖面注浆孔布置见图 1 和图 2。
2． 4 开挖面及仰拱小导管封堵注浆施工
由于隧道穿越地段为砂卵石层，为保证掌子面和仰拱开挖稳定并减少开挖过程中的沉降变形，防止砂卵石体由掌子面前方涌出，需要将开挖面和仰拱整体封堵。为便于开挖，采用纤维增强塑料锚杆注浆加固掌子面和仰拱开挖体。在开挖面上钻孔，插入玻纤锚杆，锚杆长 5． 0 m，梅花形布置，间距 1． 0 m × 1． 0 m，每进尺 3． 5 m 施作一次。注浆采用铝酸盐水泥以提高早期强度，增加止水效果。
2． 5 边墙径向注浆固结
边墙初期支护混凝土施作完成后，利用初期支护混凝土作为注浆封堵墙，在边墙径向打设Ф42 注浆小导管，长 5． 0 m，梅花形布置，间距 1． 0 m × 1． 0 m。注浆工艺同掌子面小导管注浆。
2． 6 钻孔取样检测注浆效果
超前管棚和超前小导管注浆及开挖体注浆、径向注浆结束后，为摸清注浆固结效果和堵水效果，确保开挖的安全性，采用地质钻机取芯，直观进行检验。取芯深度 5． 0 m，分别在初期支护拱顶、两拱脚外插角 30°取三个孔，钻孔取芯完成后，及时灌注砂浆填塞。注浆效果不理想时，需分析注浆过程中的得失，改进注浆方式、水灰比，更换注浆材料，提高注浆效果。并对不合格段进行补注浆和二次取芯检测，直至达到理想的注浆固结效果。
2． 7 采用复合式衬砌施作初期支护，设置临时仰拱、横撑、竖撑
采用格栅钢架，主筋间距 27 cm × 27 cm，纵向间距 50 cm; Ф 8 双层钢筋网片， Ф 22 纵向连接筋，环向间距 100 cm，C20 喷射混凝土厚度 35cm。锁脚锚管采用Ф42 注浆锚管，长 5． 0 m，2 根为一组，分别在一、二台阶格栅钢架底脚设置。锁脚锚管打设完成后，需及时注浆，注浆参数和工艺与超前小导管注浆相同。距离一台阶开挖面 2 m，设置I22横撑和竖撑，横撑水平设置于一台阶拱脚支护面上，竖撑在中间设置一道，横撑与竖撑焊接，用木楔紧密填塞支撑与喷射混凝土面的间隙，每榀支撑间焊接Ф42 小导管加强纵向连接。二台阶开挖完成后，及时将竖撑接长至地面，初期支护完成后，在拱脚位置增设横向水平支撑。格栅、喷射混凝土、径向小导管注浆结束后，即可拆除所有支撑。临时支撑见图 3。
3 质量保证措施
1) 建立完善的质量管理体系，设立质量检查小组，现场设质量检查员，随时对施工的各个环节进行监督检查。定员定岗，质量责任到人。
2) 做好超前地质预测预报工作，包括地质调查、TSP － 203 探测和超前探孔、地质雷达等。
3) 施工前及过程中随时对隧道洞顶的相关水文地质情况和水位进行调查和监测。
4) 钻孔注浆前编制钻孔、注浆作业指导书，设立专职质量检查人员。
5 ) 在超前注浆施作之前，先施作钻孔注浆试验孔，进行注浆参数的选定和调整，现场培训直接施工作业人员。
6) 严格按照设计参数进行钻孔。 钻孔孔位及角度偏差符合相关规范规定。
7) 注浆材料应满足设计要求。
8) 严格进行注浆效果检查评定，符合要求时才能结束注浆作业，如未达到注浆结束标准时，应立即进行补孔注浆。
9) 严格按照技术交底作业，按照注浆工艺流程施工，做好施工记录，确保注浆质量。
10) 钻孔注浆前，对钻孔注浆设备进行检修、试运转，确保设备正常使用以免影响注浆质量。
11) 定期召开质量分析会议，对注浆工艺进行改进，以提高注浆质量，并组织质量教育，严格执行“三检”制度，强化工序控制。
4 安全保证措施
1) 由于施工作业面存在坍塌、突水等危险，在施工作业时严格控制施工人员选配，抽调技术熟练的职工组成施工工班。本着精简、干练的原则组织人员进行施工，严禁多余人等进入工作面。
2) 技术人员、安全人员、管理人员等，组成值班小组 24 h 紧盯现场，以便及时发现解决施工中出现的技术问题，及时发现施工安全隐患并在第一时间采取措施排除。及时调整施工方案和各施工参数，保证施工的安全性、高效性。
3) 加强监控量测，及时上报监测数据。 加强隧道内的通风、照明，保证材料的及时正常供应。
4) 组织全体施工人员进行应急预案的演练，使每个施工人员熟悉事件突发时的处治方法。
5) 各项应急物资准备到位: 直径 150 mm 以上的圆木 100 根，砂袋、救生衣各 20 件，救生圈 10 个，稻草500 捆。
6) 逃生通道设在左侧边墙，要求道路平整、顺直。没有二衬地段铺设直径 0． 6 m 铸铁管。作业面材料及工具要摆放有序，以利于人员顺利撤离掌子面。
5 施工效果
通过采取以上措施，该地铁隧道顺利地通过了砂卵石富水地段，没有发生坍方、涌水等地质灾害。为今后类似地质情况下的地铁隧道和其他隧道施工，提供了宝贵的施工经验。
参 考 文 献
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