粉质黏土层公路隧道下穿既有铁路长大管棚施工工法

赵立财

摘要：本文以厦漳公路（厦门段）东孚隧道下穿厦深铁路牵出线为例，介绍了长大管棚施工工法在粉质黏土土层，土体自稳性能差，浅埋隧道下穿公路隧道施工开挖过程中的应用，有效防止了塌方、涌泥事故的发生，没有对铁路运输产生不良影响，安全、顺利地下穿了既有厦深铁路牵出线，具有显著的经济效益和社会效益。

关键词：粉质黏土；隧道；下穿；铁路；大管棚

1 前言

在我国东南沿海地区地下水位较高，第四系地层以粉质黏土、粉土为主，渗透系数较小，易液化。在这种特殊地层进行开挖时，小导管法、锚杆法等很难保证工程施工安全及质量。因此，急需采取一种长超前、安全可靠的支护措施。而长管棚支护技术作为一种新的支护手段，对大跨度、超浅埋，工程地质条件复杂的工程都有很好的支护效果。但是，饱和淤泥质土、粉土地层含水无法成孔，管棚施工必须采取适合该地层特殊技术措施和施工工艺。

厦漳公路（厦门段）东孚隧道为浅埋暗挖单洞隧道，位于上述地层，由道路和隧道两部分组成。下穿既有厦深铁路牵出线，暗挖段隧道最小覆土厚度仅有2.6m。暗挖隧道全部采用长大管棚超前支护与注浆加固。

针对工程的重点和难点，我们开展了相应的科研攻关，研发了特殊的钻具，在工程实践中开发应用了适合该地层特殊跟管施工工艺，保证了整个工程安全顺利建成，在此基础上总结出本工法。

2 工法特点

采用本工法进行施工的特点有以下四点

2.1超前支护长：长管棚支护可跨越松弛区，伸入原状土部位，使地层不至沉陷或流塌，稳妥可靠，能保证施工安全。

2.2开挖段增长，可减少超前支护施工施作次数，缩短施工时间。

2.3大管棚直径大，管壁厚，刚度较高，受力均匀，支护效果可靠。

2.4技术新颖、难度大。

3 使用范围

本工法适用于埋深浅、覆盖薄、跨度大、结构受力复杂的饱和粉土及粉细砂地层中的各类工程进行开挖支护和地层加固的长大管棚施工。

4 工艺原理

在地下洞室掌子面后部，以一定的间隔钻设一排或两排水平的环向钻孔，然后布设长大管棚，对地层进行注浆加固。通过钻孔，下设钢管，注浆等一系列工序施作，使钢管超越前方地层松弛区后，远远伸入到未受到施工影响的部位，保障开挖时掌子面和周围土体的稳定，起到骨架、格栅作用。通过注浆使浆液从钢花管孔眼中压出，以一定的压力注入到钢管周围松散、软弱的地层中，从而形成复合稳定的固结体，使周围地层的力学性质得到改变，产生由钢管和注浆加固体在开挖体上方及周围形成的“棚式”防护结构。若需加固的地层较长，则随着向前掘进，每隔一定距离重复上述作业。

5 工艺流程及操作要点

5.1 管棚施工工艺流程（管棚施工工艺流程如图1所示）

5.2 操作要点

5.2.1套拱施工

套拱为包裹管棚后端的一层混凝土或钢筋混凝土，起保护前方地层、便于开钻作业、精确定位管棚和增强管棚口部结合强度的作用。套拱一般厚0.3m～0.5m，长1.5～2.5 m，混凝土标号多为C20，前端和底部均嵌入地层。施工时，在每根管棚位置预埋一节内径比管棚外径略大的钢管（导向管），以精确定位每根管棚的口部位置。当套拱混凝土强度达到要求后，按一定的间隔和顺序沿导向管引导的方向往地层中进行钻孔，并进行管棚布设的全程作业。

⑴开挖与核心土

为了便于施工、节省方木、保持工作面的安全和稳定，开挖时，视场地情况预留一定的核心土。同时，挖够套拱嵌入岩层的深度。当地层稳定性差时，对两侧和前方暴露的地层进行喷锚封闭。

⑵套拱混凝土施工

利用核心土搭设必要的工作平台，进行放样、钢筋绑扎、预埋件安装、立模、预埋件准确定位、混凝土一次灌注成型和养护，当混凝土强度达到要求后拆除模板，完成全部套拱作业。

5.2.2搭设平台

沿核心土环向用方木搭设施工平台，如无留核心土，则用钢管搭门型架后，再用方木搭设施工平台。

管棚施工人员多，机械重，顶管推力大平台受力大。要求平台搭设一定稳固，方能保证施工安全和工程质量。

5.2.3钻机定位

由于管棚钻孔质量要求高，施工中的各工序都非常关键。钻孔设备也是其中一项。因此，开钻前，必须对钻机进行校正，精确定位，然后固定在稳定的平台上。钻进期间，应经常检查钻机是否移动，若移动必须及时纠正，否则会引起钻孔偏斜。

5.2.4开孔

如每段暗挖的开口需先穿过钢筋混凝土围护结构时，用金刚石钻头钻孔破桩。为保证开孔精度，要求岩芯管长度大于2.5m，以保证有良好的导向性。

5.2.5管棚钢管加工

钢管采用管螺纹车床加工，长度按设计要求切割或根据材料长度情况而定，钢管丝扣采用地质通用的方丝，丝长5～6cm，每根钢管一头加工为公丝，一头加工为母丝，要求公母丝配合紧密。花管孔加工用钻床或氧气切割，采用梅花型布置，间距以30cm左右为好。

5.2.6成孔及管棚跟进施工

管棚施工通过地层为砂质粉土层，含水量大，施工难度大，加之管棚施工对钻孔精度要求非常高，如何选择钻具、作业人员钻孔技术的高低都是管棚施工的关键，对钻孔质量起决定性作用。另外，管棚施作前要在洞口实施降水，把洞口水位降止管棚位置以下，以避免水土自涌。

⑴钻具的选择

由于地层为砂质粉土层，自身承重能力差，易液化，没有自稳能力，无法成孔，不能采取传统的先成孔后顶进钢管施工方法，应采用扭矩较大、导向较好的钻机，配备跟管钻具进行跟管施作。

跟管采用自行研制的钻具，钻杆与钢管配合，使钢管随钻杆一次安置，岩芯从钢管内排出。要求钢管联结紧密，必要时在丝扣加销、加焊，以防钢管扣滑丝。此外，相临钢管丝扣错开至少1米。

⑵钻进参数

施工中对钻进参数的选择非常关键，主要控制两个方面：一是转速宜为25～35rad/min左右，转速过大易引起钻具在孔内摆动幅度大，对地层的影响加大，加大偏斜量。二是钻机的压力控制应根据钢管顶进情况随时调整，以进尺最快为宜，一般为1Mpa。

⑶参数配合

钻进中对转速及压力的要求不是一成不变的，要视具体情况和地层特点合理选配，需要一支有经验、技术好的施工队伍，需要熟练的技术工人来适时掌握，而不是单纯的靠一台好的设备来完成。

⑷管棚布设施工

洞口两侧先开槽，在槽中施做护拱（临时衬砌支护）、边墙部位钢拱架及混凝土。从两端布打长管棚，对接的搭接长度不小于3-3.5m，每个断面约布置38根管棚，每根长度42米，钢管直径108mm，间距40cm，管棚中间设Φ42超前小导管，小导管长3.5m，间距40cm。如图2所示。

5.2.7注浆

管棚注浆是管棚施工的关键环节之一，注浆效果的优劣同样影响着整个管棚的施工质量，注浆浆液为1：1纯水泥浆加20%的水玻璃（水玻璃浓度为35Be°）。

⑴管棚钢管孔口安装

注浆前，为防止浆液从导向管和钢管间的间隙内外流，要把此间隙密封。

为保证注浆效果，孔口宜设排气孔。如果管棚下倾，在特制封头上设一排气孔加上排气阀即可。如果管棚上仰，则需在钢管内设一根排气管至孔底，其孔口装置同前。注浆时，把排气阀打开排气，等浆液从排气阀流出时，再把排气阀关掉。

⑵注浆顺序

采用钻一注一的方法。

⑶管棚注浆

注浆浆液必须搅拌均匀，经滤网放入储浆桶，再由注浆泵经管路注入到钢花管中。注浆时，控制好注浆压力和速度，在注浆泵及钢管孔口处要设专人操作，认真观察压力表和孔口有无异常现象。每注完一桶，或注浆工作暂时间隙时，要把孔口注浆阀关闭，以防注浆液倒流。

按要求注完浆液后，管内再注入砂浆进行充填。对无孔实管只注砂浆进行充填，要求充填要饱满密实。

⑷注浆结束标准

钢花管注浆一般按单孔注浆量达到设计浆量作为注浆标准。当注浆压力达到设计终压不小于20分钟，进浆量仍达不到设计注浆量时，也可结束注浆。另外，当注浆压力达到终压的80﹪时，出现较大的跑浆，经间歇注浆后，也可结束注浆。

⑸注浆施工注意事项

①注浆前认真检修机具，对管路系统如混合器、接头、阀门等，如有破损应予更换。

②所有注浆材料应无杂物，水泥应无结块。

③在注双液浆时，为防止管路堵塞，先开水泥浆泵，后开水玻璃泵。结束注浆时，先关水玻璃泵，后关水泥浆泵。

④注浆作业要前后配合，统一指挥。否则，不能保证注浆计划的实现，不能达到预期的目的和效果。

⑤认真作好注浆记录，包括每孔注浆量、注浆压力、有无跑浆、窜浆情况等都要及时填写清楚。

5.2.8注浆效果检测

管棚注浆施工完毕后，为探明注浆加固效果，需采取一定的检测手段对注浆结果加于评定，从中找出不足，加以改进，不断提高注浆技术水平。

⑴钻探取芯法

从取出的岩芯可以直观地观察并判断浆液扩散半径以及通过对岩芯做室内三轴强度试验、剪切试验等，准确评价是否满足设计要求，从而判定注浆效果的好坏。

⑵根据开挖后实际情况进行判断

此方法为钻探取芯法的补充，虽为推迟检测法，不能及时对已施工完成的管棚所存在的缺陷加以补救，但可以此来进行下一步调整完善下一循环的管棚施工，改进注浆参数。

6 机具设备

6.1 长大管棚作业主要机具设备（参见表1）

6.2 主要设备技术参数

6.2.1 MK-5坑道钻机的技术参数（参见表2）

此钻机广泛应用于坑道地质勘探，锚固、旋喷注浆等工程施工作业。

钻机采用全液压动力头结构，由主机、泵站、操作台三部分组成。管棚施工时，为减轻重量，泵站可放置地面上，搬迁升降方便。此钻机稳定性好，给进压力大，顶管或跟管方便。

6.2.2 BW-150泥浆泵的技术参数（见表3）

7 劳动组织

7.1 人员组织

施工人员的组织参见表4，职能组织形式如图3所示。

7.2 施工管理

施工管理是一个系统工程，对施工生产的各个环节、各个方面如人力、财、物等都要认真做好施工组织，并保证得以有效的实施，实现以最少的消耗得到最大的经济效益，达到工期短、质量好、成本低的目的。施工管理的内容主要包括技术管理、质量管理、设备管理和安全管理等。

8 安全管理

针对管棚施工特点建立安全责任制、安全检查制和安全教育制度。做到安全责任到人，及时检查，不留隐患，班前班后进行安全教育，确保施工中人、机、物的安全。

9 质量要求

9.1建立群众性的质量管理小组，组织全员性的质量管理活动，开展质量管理全员教育等工作。

9.2确定管棚施工质量目标，制定质量保证责任制。

9.3建立质量管理体系，并组织协调运转。

9.4利用科学方法，全面控制各种影响管棚质量的因素（如图4所示）。

9.5建立严格的质量检验环节，并对施工质量进行正确评定。

9.6在工作中认真贯彻落实，使设备经常处于良好的技术状态，能保证施工顺利进行，达到提高工效、保证工程质量的目的。

10 效益分析

长大管棚是用在软弱或破碎地层，暗洞需超前支护加固保证开挖安全情况下施作，主要是技术需要。采用特殊的施工工艺，快速优质地完成了注浆长管棚施施工，安全有效地保证了隧道开挖稳定，为整个工程提供了工期、安全、质量保证。在华东地区特殊地质条件下开创了注浆长管棚施施工的先例，为今后类似工程积累了经验。

11 应用实例及结论

厦漳公路（厦门段）东孚隧道为浅埋暗挖单洞隧道，为地面道路与地下隧道（双线）相结合的形式，全长340m，单孔隧道净尺寸19.34（宽）*6.24（高）m，位于上述地层中，本隧道需下穿既有厦深铁路牵出线浅埋软弱人工填筑层段（Q4dl+el）粉质黏土，隧道顶厚度约为4～5米，下为厚1米左右的中粗砂层，再下为残积粘土层，硬塑为主，土体自稳性能差。隧道下穿地层主要为基岩裂隙水，地下水发育，对混凝土无侵蚀性。

根据暗挖隧道超浅埋及对厦深铁路既有线保护的需要，采用长大管棚施工工法，每个断面施工时间不到10天，管棚布设中非常顺利，大大缩短了隧道开挖循环时间。从隧道开挖情况看，钢管排列整齐，注浆效果良好，对地层和既有设施起到很好的保护作用，安全、顺利地下穿了既有厦深铁路牵出线，有效防止了塌方、涌泥事故的发生，暗挖施工期间没有对铁路运输产生不良影响，保证了厦漳公路和厦深路正常交通，提高隧道的长期稳定性，具有显著的经济效益和社会效益。

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