长大管棚在涵洞穿越既有线施工中的应用

李正耀

(洛张(石怀)电化改造建设指挥部，湖南 张家界 427000)

1 工程概况

石怀扩能工程新增的石门交通涵洞位于焦柳线K853+813.28处石门县站内高路堤地段，涵洞全长128 m，下穿站场6股道，与线路斜交为78°，其中下穿股道地段40 m，货场地段45 m，边坡地段43 m。涵顶覆土厚度11.5 m，涵洞围岩为碎石土、粉砂性，灰黄色，碎石粒径40～70 mm，含量约80%，松散中密，饱和，土的抗压强度σ0=300 kPa，设计判定为Ⅵ级围岩，石门交通涵洞与焦柳线空间关系位置见图1。

图1 石门交通涵洞与焦柳线位置(单位:cm;高程单位:m)

本工程原设计为框架带土顶进，施工过程中出现塌方后无法顶进，经设计修改后的带土顶进方案仍发生严重塌方。为确保既有线行车安全，参考国内已有的相关工程实践［1-3］，现场及时将原方案调整为长大管棚注浆预加固，按隧道暗挖方式开挖并初期支护，最后将框架在已成型隧道中顶推施工。

2 设计概况

鉴于涵洞洞室围岩为Ⅵ级黏砂土性的人工填土，为保证开挖面的稳定，减少变形，整个顶涵段洞室上部和拱部全采用管棚超前预注浆支护。进口端管棚采用φ108壁厚9 mm的无缝钢管，管棚长58 m，环向间距30 cm，一次性打入钢管，打设角度1°～3°;其余段洞采用φ89壁厚6 mm的无缝钢管，管棚长10 m，环向间距30 cm，打设角度8°～10°;管棚搭接长度不小于3 m，现场管棚支护方案见图2。

图2 现场管棚支护方案(单位:cm)

图3 钢架加强支护设计参数(单位:cm)

开挖初喷后，架立I18工字钢架，间距0.5 m/榀，对于管棚施作后的第二榀采用格栅钢架。钢架全部采用封闭式钢架，由A单元1个、B单元2个、C单元2个和D单元1个共6个单元组成。单元末端格栅采用角钢，工字钢架采用钢板连接焊接成型，单元间由螺栓连接。相邻钢架间采用 φ22钢筋连接，内外两层，交错布置，每侧环向间距1.0 m。每榀钢架采用长2.5 m的φ42钢花锚管定位，钢花锚管环向间距1.5 m，钢花管与钢架焊接之前对钢花管压注水泥浆，如图3所示。

3 现场施工

管棚施工工艺流程如图4所示。

图4 管棚施工工艺流程图

根据现场情况，钢管边顶边接，分节钢管长度为6 m。分节钢管两端车外丝，丝口长度为15 cm，连接钢管长度30 cm，车内丝，通过连接钢管把分节钢管连为一体(φ108钢管连接钢管为φ114壁厚4 mm的无缝钢管，φ89钢管连接钢管为 φ95壁厚4 mm的无缝钢管)。

在施工过程中单号第一根打设6 m钢管，双号第一根打设3 m钢管。将相邻钢管接头相互错开，便于管棚受力均匀。φ108管棚钢管内铺设4根对称 φ18主筋的钢筋笼。钢筋笼内φ42钢环作为固定环，固定环长5 cm，间距50 cm，与钢筋笼主筋焊接，以提高钢管的抗弯能力，见图5。管棚均采用半菱形布置，打入土体的倾斜度为-7‰，且末端偏差控制在500 mm以内。

3.1 施工纠偏

由于采用跟管钻进法，钢管安装和钻机进尺是同一过程。钻头采用与钻管等径的楔型钻头，楔板回转半径略大于钻管半径，钻头前端有10 mm长 φ8的水眼，当钻头正常回转钻进时钻管沿直线前进。当钻头由于某种原因偏离预定轨迹偏向某一方向时，就需要纠偏了。方法是把钻头楔面调至已经偏斜的方向，钻机停止回转同时加力顶进，钻头由于斜面的作用就会向相反的方向偏斜，以此调整钻进的方向。面向角的朝向和钻头的偏斜方位都是由装在钻头后部的导向探头监测的，通过穿过钻管的导线连接到位于钻机操作台的显示屏，可以方便地调整钻进方向。这样终孔偏差可以控制在5‰以内。

图5 钢筋笼设计示意(单位:cm)

钻头示意如图6，钻头内装有特制的传感器，传感器直接由15V直流供电。显示屏显示钻头的倾角(水平角度)、面向角(导向板的方向:导向板朝上即为12点，如同钟面)。打设角度如果偏下，可以把钻头调到12点，即导向板朝上，直接顶进，此时由于导向板底板斜面面积大。受到一个向上的力，钻头轨迹就会朝上运动。同理在6点纠偏可以使钻头轨迹朝下，9点、3点分别是为左、右纠偏方向。如果角度合适，钻机会匀速旋转钻进，此时钻杆轨迹一般是平直的。所以导向钻头是上下纠偏的关键。至于左右偏差根据传感器尾端的发光装置来定，通过仪器测量参数来纠偏。

图6 钻头示意

上下角度偏差=(钻进角度上读数+钻进角度下读数)/2，左右角度偏差=(钻进角度左读数+钻进角度右读数)/2，管棚末端总偏差值=∑角度偏差/管棚节数×管棚累计长度。

3.2 注浆

根据地质情况，本工程属于粉细砂，中粗砂地层。由于采用跟管钻进法，钢管安装和钻机进尺是同一过程，注浆亦相应采取回流法注浆，终孔后需要跟踪注浆。

1)进口端为下坡，从 φ108钢管内注入，由于水泥浆的密水性，以及考虑到水和水泥的相对密度，下坡段需要反复注浆，钻头端管棚留有排气排水阀，注浆至排气排水阀喷出水泥浆方可关闭排浆阀，压力为0.4～0.8 MPa，注浆结束。

2)出口端为反坡，从 φ89钢管内注入，在管外环状间隙留有排气阀和排水阀，由管外环状间隙到孔口反出水泥浆，关闭排浆阀，压力为0.4～0.8 MPa，注浆结束。

3)根据管外环状间隙和地层渗漏情况确定每一根钢管的注浆量。注浆要求管内注浆由管外排出泥浆，等管内外泥浆排净至排出水泥浆，关闭排浆阀，泵压控制在0.4～0.8 MPa以内停止注浆，停15～30 min进行二次补浆，确保管内外填充质量。注浆必须控制好注浆量、注浆压力等每一个环节，保证达到设计要求的标准。

4 结论

1)本涵洞已于2008年9月竣工，通过施工调整，其洞内收敛和地表沉降均满足设计及相关要求，达到了预期的效果和目的。

2)涵洞洞室采用长大管棚施工工艺进行预加固，提前发挥超前支护作用，增加了施工安全度，提高涵洞洞室的长期稳定性，减少地表下沉和防止围岩坍塌。

3)管棚钻孔还可作为地质预探钻孔，其开挖出露的地质围岩情况也可为洞身开挖提供依据。

［1］张细宝.龙凤隧道下穿渝合高速公路北碚隧道技术总结［J］.西部探矿工程，2006(11):144-147.

［2］苟德明，阳军生，张戈.浅埋暗挖隧道管棚变形监测及受力机制分析［J］.岩石力学与工程学报，2007，26(6):1258-1264.

［3］孙河川，杨慧林，李兴高，等.龙脖山隧道下穿铁路既有线及涵洞施工安全分析［J］.铁道建筑，2008(12):50-54.