王錄林

摘要：管幕工法完美的詮釋了我國地下結(jié)構(gòu)工程施工中超前預加固“強支護”理論的含義，是對既有淺埋暗挖技術(shù)的豐富與補充。該工法的主要優(yōu)勢在于：能有效控制地層變形，尤其在對環(huán)境保護要求較高的地下工程施工中發(fā)揮著巨大作用。

Abstract： The pipe-curtain method perfectly interprets the meaning of the pre-reinforcement "strong support" theory in the construction of underground structure engineering in China， and it is a rich and complementary to the existing shallow-buried excavation technology. The main advantage of this method is that it can effectively control the deformation of the formation and it plays a huge role especially in the construction of underground works with high environmental protection requirements.

關(guān)鍵詞：管幕法施工;超淺埋隧道;環(huán)境保護

Key words： pipe curtain construction;ultra-shallow tunnel;environmental protection

中圖分類號：U449.5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）09-0105-03

1 ?背景

在城市中建設(shè)淺埋隧道面臨著巨大的工況環(huán)境考驗，其中最重要的是對地表建筑物、自然環(huán)境、人文環(huán)境等的保護和避免對人民群眾日常生活的干擾。在工程環(huán)境復雜的城市核心區(qū)、中心區(qū)完成交通疏解，解決不斷擁堵的地面交通難題是工程規(guī)劃者、建設(shè)者們需面對的重大課題。截彎取直，保留原始自然地貌，擴大地下空間利用比率成為解決城市地面交通擁堵、提高城市居民出行效率的必然選擇。

城市地質(zhì)條件主要為第四紀松散地層，且應力釋放后沒有自承載能力[1]。隨著城市空間不斷開發(fā)，周邊環(huán)境也愈加復雜，地下結(jié)構(gòu)施工也愈加困難，傳統(tǒng)的地下結(jié)構(gòu)施工方式在遇到環(huán)境較復雜的狀況下不能滿足對環(huán)境保護的要求。管幕法預支護中的鋼管一般直徑為200-2500mm，一次施作距離40-110m，在維持掌子面穩(wěn)定、控制地層變形、預防坍塌冒頂事故等方面有著決定性作用。本文以福州工業(yè)北路延伸線文林山隧道為背景，介紹了管幕法在復雜環(huán)境狀況中對周邊保護及管幕法在工程實踐中的應用[2]。

2 ?項目概況

福州市工業(yè)北路延伸線工程位于福州市西片區(qū)，為中心城區(qū)規(guī)劃南北向骨架路網(wǎng)之一，也是中心城西片區(qū)便捷進出城通道之一。本標段南起工業(yè)路與楊橋路交叉口（起點樁號主K2+150），沿現(xiàn)狀工業(yè)路往北延伸，隧道穿越文林山后至梅峰路（終點樁號YK4+103.5），隧道為雙向8車道，斷面207m2，左線長1176m，右線長1140m，最小凈距3.6m，暗挖隧道出口300m超淺埋段，其中0～80m覆土厚度1.9～8.5m。

周邊環(huán)境：隧道出口位置在梅峰山公園出入口南側(cè)部位，洞頂為梅峰山地公園景區(qū)道路及生態(tài)池塘，施工場地南側(cè)是中冶場庫和鼓樓環(huán)衛(wèi)公寓等已拆遷場地，西側(cè)50m是馬坑支路6層民居樓，北側(cè)為梅峰路和景區(qū)道路，擬建隧道下穿福州市第二看守所，東側(cè)為池塘和壩埂。

水文地質(zhì)：隧道出口圍巖以全風化、砂土狀強風化、花崗巖和碎塊狀強風化花崗巖為主，局部夾有后期侵入的輝綠巖、花崗斑巖巖脈及其強風化地層，地層相對跨度較大，為極軟巖-較硬巖，巖體破碎-較破碎。

3 ?施工方案

管幕法是在結(jié)構(gòu)體外圍預先進行鋼管頂進，并在鋼管側(cè)面利用鎖口進行連接，形成一個能抵御上部荷載的超前支護結(jié)構(gòu)，并起到隔斷周邊水土的帷幕結(jié)構(gòu)的作用，從而減少對地面道路、管線、建（構(gòu)）筑物的影響，保證地面活動及保護對象的正常使用。文林山隧道出口設(shè)計采用管幕作為隧道頂部支護，管幕在開挖線外側(cè)250mm處呈140°扇形布置，支護長度90m，布設(shè)75根，管幕鋼管為外徑299mm無縫鋼管，壁厚10mm，管節(jié)之間采用坡口焊接連接，環(huán)向中心管距35cm，鋼管外插斜率0.2%;注漿管采用42mm鋼花管，壁厚4mm，至于母扣上方，且與鋼管及母扣焊接連接。

據(jù)本項目地質(zhì)情況和設(shè)計支護要求，采用？覫299mm*10mm管幕支護，管幕鋼管內(nèi)注漿填充。管幕施工采用螺旋出土套管頂進工藝進行施工，管幕鋼管作為套管，內(nèi)部安裝帶有專門鉆頭的螺旋鉆桿。管幕設(shè)備提供螺旋鉆桿的旋轉(zhuǎn)動力和套管的頂推力。管幕鋼管頂進時，螺旋鉆桿向鉆頭傳遞鉆壓和扭矩切削土層，并將鉆渣由管內(nèi)螺旋排到孔口管外。這樣邊頂進、邊切削、邊出渣，將管幕鋼管逐段向前頂進至該施工單元施工結(jié)束。反復進行后續(xù)單元施工，逐步在開挖線外形成管幕結(jié)構(gòu)。

3.1 現(xiàn)場準備

3.1.1 施工用水

管幕采用螺旋出土工藝施工，施工過程中基本不用水（水位測量使用水量極小）。管內(nèi)填充水泥漿和文明施工用水，有6分自來水管即可，保證常壓自來水達到10m3/h流量滿足要求。

3.1.2 施工用電

管幕設(shè)備基本功率為150kW/臺套;組織2臺套管排設(shè)備和鋼管鎖口加工焊接同時作業(yè)，現(xiàn)場滿足400kW施工用電。

3.1.3 施工用風

考慮管幕下穿段可能存在中風化圍巖，需要采用風動潛孔錘擴孔破碎頂進方法，現(xiàn)場配備2臺空壓機（排風量單臺大于15mm3/min，風壓大于1.5MPa）。

3.2 材料準備

3.2.1 管幕材料

①鋼管：設(shè)計單線管幕75根，施工長度為90m，共13500m;考慮鋼管加工損耗（3%），實際需要鋼管材料13905m。

②角鐵：角鐵加工成為鎖扣結(jié)構(gòu)需要4倍頂進鋼管長度，合計需要54000m，考慮角鐵加工損耗（2%），實際需要角鐵材料55080m。

3.2.2 水玻璃

通過管幕外掛注漿鋼管注入水玻璃和水泥的混合液，填充擾動土層縫隙，控制沉降，現(xiàn)場儲備水玻璃約30～50桶，隨管幕施工及時跟進注漿。

3.2.3 水泥

管幕施工階段進行沉降控制和鋼管內(nèi)填充的注漿主材，理論填充及控制注漿水泥用量約為1900t。

3.2.4 注漿管

根據(jù)設(shè)計要求，管幕鋼管外附帶？準42*4mm注漿管，沿管幕鋼管縱向通常布設(shè)并焊接，作為管幕施工和隧道開挖沉降補償注漿措施實施載體。現(xiàn)場施工需要注漿管長度13500m，考慮注漿鋼管加工損耗（1%），實際需要注漿鋼管13635m。

3.3 設(shè)備準備

受施工環(huán)境和管幕工藝限制，現(xiàn)場安裝兩臺管幕管排鉆機，鉆機參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場條件進行適應性改裝（一次施工鋼管長度12m，同時頂進2根鋼管）。

3.4 注漿準備

管幕鋼管內(nèi)采用水泥漿低壓填充，可通過多次填充方法滿足管內(nèi)固結(jié)體充盈要求，現(xiàn)場安裝2臺套注漿設(shè)備（包含攪拌系統(tǒng)和注漿泵）和沉降控制注漿泵（雙液漿泵），用電量為20kW。

3.5 吊裝運輸輔助準備

①）加工吊裝。本工程鋼管在現(xiàn)場進行裁剪和焊接制作，需要配備一臺25T汽車吊或5T叉車輔助吊裝。

②施工吊裝。施工過程中需要將加工好鎖扣的鋼管吊裝至基坑內(nèi)，施工現(xiàn)場需要配合10T龍門吊或35噸汽車吊2臺。

3.6 反力墻設(shè)計計算

3.6.1 鋼管阻力計算

管幕頂進摩阻力按下式計算：

P=fγD1[2h+（2h+D1）tg2（45°-ф/2）+ω/γD1]L*鋼管數(shù)量

式中

P——計算的總頂力（kN）;

f——頂進時，管道表面與其周圍土層之間的摩擦系數(shù)，取0.2;

γ——管道所處土層的重力密度（kN/m3），本計算取1.4;

D1——管道的外徑（m），本計算取0.3m;

H——管道頂部以上覆蓋土層的厚度（m），本計算取3m;

ф——管道所處土層的內(nèi)摩擦角（°），本計算取20°;

ω——管道單位長度的自重（kg/m），本計算取72kg;

L——管道的計算頂進長度（m），本計算取90m。

鋼管數(shù)量本計算中選取2根。

計算如下：

P=0.2*1.4*0.3*[2*3+（2*3+0.3）tg235+72/1.4*0.3]*90*2

=0.084*[178.386]*180=2698kN，約合270T

3.6.2 鉆機頂進力計算

頂進油缸缸徑 32cm，設(shè)定最高給進泵壓：25MPa;計算如下：

頂進力T=油缸截面積S*給進壓力P/100*油缸數(shù)量*0.85

其中：

油缸截面積S=803cm2

施工設(shè)定最大頂進力P=25MPa

施工油缸數(shù)量：2（個）

功率轉(zhuǎn)換系數(shù)為：0.85

T=800*25*2/100*0.85=340（T）

計算結(jié)果：管幕鉆機施工最大頂進力為340T。

3.7 鋼管加工

3.7.1 鋼管坡口

鋼管頂進前，應根據(jù)要求進行坡口管頭制作（為糾偏準備工作），并將參數(shù)進行整理，同時將該管頭安裝在管排鋼管前端，另一根鋼管內(nèi)穿入螺旋鉆具，管間采用角鐵焊接固定，便于吊裝。鋼管單側(cè)打設(shè)坡口，鎖扣間隔焊接，待頂進鋼管的坡口端與已頂進鋼管的外露端緊密焊接。

3.7.2 扣接形式

管幕鎖口采用45*45*6mm角鐵焊接加工， 管幕鋼管母扣角鐵上方固定安裝？準42*4mm注漿管（圖1）。

3.8 鎖口加工

嚴格按照施工設(shè)計需求進行鋼管鎖扣加工，并嚴格根據(jù)鎖扣焊標準進行質(zhì)檢;鎖扣加工采用坡口焊接，應不定期對鎖扣加工工裝進行校驗。

3.9 管排施工

以單根管幕施工為基礎(chǔ)，采用專用設(shè)備同時頂進2根或多根鋼管形成管幕結(jié)構(gòu)。具有沉降控制可靠，鋼管精度提高和施工速度高效的特點。標準管焊接雙母鎖口，施工要全程進行嚴格角度測量，如有偏差隨時進行糾偏。標準孔的精度決定了整個管幕的施工精度。

3.10 注漿填充

管幕鋼管頂進到位后，在入口處焊接鋼板進行管口封閉，封閉板預留注漿孔和透氣孔;管內(nèi)填充通過管口焊接的？準25mm水管注漿，注漿孔安裝在管口端面上部，透氣孔安裝在鋼管側(cè)面頂部，水平方向為注漿口，垂直方向為排氣口兼觀察孔。注漿導管端頭焊接注漿管接頭并安裝閥門，導管內(nèi)注入水泥漿，注漿與相鄰管幕施工隔開3～5個孔位，根據(jù)沉降監(jiān)測及時對鋼管內(nèi)充填水泥漿，管內(nèi)填充與施工間隔8～10個孔位，注漿壓力小于0.2MPa。

4 ?質(zhì)量控制

4.1 施工導向控制

4.1.1 施工原則

①制定施工角度控制標準，做好施工技術(shù)參數(shù)交底;

②現(xiàn)場嚴格執(zhí)行技術(shù)要求，建立機手、技術(shù)兩級參數(shù)復核;

③建立角度偏差預警機制，明確角度控制權(quán)限;

④精確測量結(jié)果，備份測量儀器和設(shè)備，杜絕無數(shù)據(jù)施工;

⑤多種測量手段并用，互相驗證核實，異常情況必須核實排除。

4.1.2 導向測量方法

采用連通器原理，在管幕鋼管端頭安裝連通管，鋼管頂進過程中，不斷向連通管中注入連通液，通過可視化的測量端液位高度前方地層鉆頭位置高度（圖2）。使得鋼管頂進過程中能夠直觀的監(jiān)測鉆頭位置變化，且不受施工其它因素干擾，其監(jiān)測結(jié)果精確，不存在累積誤差。

4.1.3 糾偏控制方法

該項目采用螺旋出土鋼管頂進糾偏管頭進行糾偏，該管頭前端管口為斜形管口（圖3），斜形管口前端沿頂進方向、向鋼管的中心軸線方向傾斜，形成持續(xù)糾偏構(gòu)件，持續(xù)糾偏構(gòu)件的下方為選擇糾偏構(gòu)件，選擇糾偏構(gòu)件沿頂進方向、向遠離鋼管的中心軸線方向傾斜設(shè)置，選擇糾偏構(gòu)件與鋼管中心軸線之間的夾角大于持續(xù)糾偏構(gòu)件與鋼管中心軸線之間的夾角。通過該糾偏管頭嚴格控制標準孔施工精度，從而有效確保后續(xù)鋼管施工精度。

4.1.4 其它輔助

①嚴格控制入孔孔位偏差和入孔軸線偏差;

②加強監(jiān)測頻率，每節(jié)鋼管測量2-3次。

4.2 施工沉降控制

4.2.1 沉降控制原則

①管道處需安裝自動監(jiān)控量測，及時準確報送測量數(shù)據(jù);②建立沉降應急預案，設(shè)立應急機構(gòu)、人員及機械物資;③沉降監(jiān)測必須設(shè)立預警機制，按級別啟動相應施工控制流程;④施工前必須對作業(yè)人員進行沉降應急預案交底及演練;⑤施工過程及措施必須和沉降數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，避免顧此失彼;⑥沉降控制措施和效果必須及時準確記錄并反饋;⑦嚴格注漿順序，完成階段管幕施工立即通過導管穩(wěn)定地層;⑧沉降控制以少量多次補充為主，避免忽上忽下。

4.2.2 沉降控制措施

①對作業(yè)人員進行交底，熟悉施工措施和應急控制;

②測量實際出土量，優(yōu)化頂進與旋轉(zhuǎn)出土的速度匹配;

③禁止將螺旋鉆頭超出管口外長時間旋轉(zhuǎn)出土，防止管口土體坍塌;

④禁止通過鋼管或鉆具向地層內(nèi)注入大量清水，防止土體流失;

⑤沉降數(shù)據(jù)在0～-2mm時，可采取多頂進鋼管，少出土的方式進行補償;

⑥沉降數(shù)據(jù)在-2～-3mm時，可通過鋼管外掛注漿管進行注漿補償填充;

⑦沉降數(shù)據(jù)大于-3mm時，必須停止作業(yè)，對鋼管內(nèi)及注漿管進行全面注漿。

4.3 遇障礙處理

4.3.1 遇孤石或中風化巖

根據(jù)地質(zhì)勘查和現(xiàn)場調(diào)查，管幕施工中可能會遇到石塊或中風化巖石，根據(jù)情況分析提出以下解決辦法：

①孤石：現(xiàn)場下穿池塘中埋設(shè)有較大石塊，管幕施工前應對孤石的位置和標高進行確認，侵入管幕施工范圍內(nèi)的石塊進行開挖或破碎清理，滿足管幕施工條件。

②中風化巖石：根據(jù)地勘，下穿段60～80m處局部中風化巖石侵入隧道，管幕施工中遇到巖石采用如下方法處理：

1）擴孔破除：遇到中風化巖石時更換截齒擴孔鉆頭，切削巖石并擴大孔徑，便于鎖口管幕頂進;

21沖擊破碎：當圍巖強度超過50MPa，截齒擴孔鉆頭無法切削，更換潛孔擴孔鉆頭，利用高壓力壓縮空氣推動專用沖擊器和錘頭破碎巖石并實現(xiàn)擴孔。

4.3.2 遇既有構(gòu)建筑物

本工程管幕施工下穿梅峰山景區(qū)觀景平臺基礎(chǔ)，理論上景觀平臺放大基礎(chǔ)沒有侵入隧道，為安全起見管幕施工前對景觀平臺基礎(chǔ)標高進行復核（基礎(chǔ)埋深小于1m），采用人工在基礎(chǔ)側(cè)面開挖方法測量，如局部侵限可采用加固后切除方法，如侵限較多，可采用支撐替換方式處理，工程結(jié)束后恢復景觀。

5 ?結(jié)束語

隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，城市地上地下空間的利用越來越交錯密集，因此城市穿越隧道工程將會越來越多，對環(huán)境保護要求的標準也將越來越高[3]。本文中提出的封閉管幕保護下的淺埋暗挖法施工，地面沉降始終控制在3mm以內(nèi)，對地表景區(qū)景觀和周邊建筑物、管線等無任何影響，解決淺覆土大斷面隧道施工中對地面自然環(huán)境保護的難題，是一種技術(shù)先進，安全高效的施工方案。

參考文獻：

[1]鞏森，葛金科，李向陽.管幕法在地鐵施工中的應用研究[J].價值工程，2017，36（14）.

[2]彭龍，卞桂榮，曹豪榮.超長管幕施工技術(shù)在淺埋暗挖隧道中的應用[J].建筑機械，2018（12）.

[3]李偉強.管幕法在環(huán)境保護中的研究與應用[J].建筑施工，2011（03）.