气动冲击矛打设超前小导管工艺探讨

2011-04-23孔令彦

山西水利科技 2011年1期

孔令彦

（山西省水利水电勘测设计研究院，太原030024）

0 引言

浅埋暗挖法是一种在离地表很近的地下进行各种类型地下洞室暗挖施工的方法。在明挖法、盾构法不适应的条件下，浅埋暗挖法显示了巨大的优越性。浅埋暗挖法施工步骤是：先将钢管打入地层，然后注入水泥或化学浆液，使地层加固。开挖面土体稳定是采用浅埋暗挖法的基本条件。地层加固后，进行短进尺开挖。一般每循环在0.5～1.0 m。随后即作初期支护。第三步，施作防水层。开挖面的稳定性时刻受到水的危胁，严重时可导致塌方。处理好地下水是非常关键的环节。最后，完成二次支护。一般情况下，可注入混凝土，特殊情况下要进行钢筋设计。当然，浅埋暗挖法的施工需利用监控测量获得的信息进行指导，这对施工的安全与质量都是重要的。

简单概括浅埋暗挖法就是管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测。

1 工程概况

南水北调西四环暗涵第四标段位于北京市西四环金沟河桥西侧，线路全长1 200 m，其中有720 m在主要路面下（覆土深度12 m至14 m）、另外480 m穿越西四环金沟河桥基（覆土深度10 m至12 m）。

主要工程量包括：两孔直径4 m输水主涵洞、左右各有一孔直径2.5 m分水暗涵、通气兼检修孔三对。整个工程呈现的特点为：

（1）线路长，开挖初期支护作业循环次数多。主体左右暗涵总长2 400 m，左右分水暗涵合计198 m，全部采用浅埋暗挖法中的正台阶法施工，作业循环多，按设计0.5 m的开挖步距计算，约做5 196个循环，打设超前小导管2 598次；（每循环的工序：打设超前小导管→支立钢格栅→焊接纵向连接筋→铺设钢筋网→喷射砼）。

（2）拱顶部地质情况复杂，超前小导管打设困难。从施工竖井、廊道开挖所揭示的地质情况及相关初步设计的地质资料来看，暗涵所处的地质情况基本为砂砾卵石漂石地层（砾石平均含量70%以上、漂石粒径在20 cm以上、最大颗粒65 cm），地质情况特殊，因大粒径的漂石存在、超前小导管的打设困难极大，不易成洞型，拱部易垮塌。

（3）环境复杂、要求严。线路沿西四环主路和金沟河桥基下穿过，覆土埋深较浅，因主路车流量大且车速较快，拱顶荷载大，沉降要求严（路面沉降不超过15 mm、拱顶沉降不超过20 mm）。

（4）时间紧、任务重。因主暗涵开挖初期支护完成后还要进行整体二次衬砌，整个工程工期为894天，按每天平均开挖初期支护12榀，进尺6 m计算，开挖初期支护时间约433天，其余剩余时间需做二次衬砌，时间较紧张。

所有的这些制约工程安全和进度的客观因素，使我们认识到：必须研究一种简单、快捷、有效地打设超前小导管的工艺，才能确保暗涵开挖初期支护的安全、质量及进度不受地质条件的制约，使得工程整体进展有序可控。

2 施工方法的选择及运用

综合北京地铁浅埋暗挖的施工经验，各施工单位打设超前小导管有三种主要的施工方法：

（1）高压风吹孔。成孔后将小导管插入孔中再进行注浆，这种方式只适合细粉砂或中粗砂地层，此种方式的弊端在于成孔后如果粉细砂或中粗砂较松散，容易塌孔，小导管插入仍然困难，仍需采用其他机械辅助成孔；

（2）采用风镐顶进。这种成孔方式对地层适应性有所增强，使用于粉细砂、中粗砂、砂砾石地层、黏土层，但因风镐冲击频率低、冲击力小，小导管进入土层1.7 m后因小导管与土体摩阻太大几不能再进尺，如果地层沉积年代较久远、土层较致密将更会体现出它的弊端：打设时间长，每循环打设15根管需要6～7 h，且进尺仅为1.5～1.7 m，且有后座力，工人劳动强度大；

（3）采用风枪钻孔。这种方式比较适合卵砾石夹大漂石地层，但是因为风枪是采用冲击、旋转地方式成孔，对于全部是岩石的地层比较适应，但最大的缺点是容易卡钻，操作费时费力。

风镐打设超前小导管，除了风镐功率小、冲击频率低外，风镐与小导管的连接为弹性连接，每次风镐冲击力量因有反作用力而有很大的损失，真正的有效作用力很小。这就说明如果在特殊地层情况下打设超前小导管就必须选择一种冲击频率高（使砂子在较高的频率下摩阻减小、近似液化状态）、每次冲击力大（克服致密土体较大的阻力）且反作用力小的一种机械，而且这种机械必须简单、重量轻、易操作，否则难以适应正台阶法施工时上台阶狭小的空间要求。

参考天津引滦入津工程中，采用的德国TT公司产的145 mm夯管锤（长度1 545 mm、重量137 kg、冲击次数310次/min、夯击力80 t/次），其优点是可以在非开挖的工况下将Φ600 mm的钢管打入土层80 m以上，由此想到采用类似的机械设备可以实现在浅埋暗挖法的工况条件打设小导管。

气动冲击矛打设小导管与夯管锤打设管棚的不同点在于：夯管锤是平行打设、而气动冲击矛在导洞上台阶是斜向上打设，力量因缸体活塞有向下重力分力，所以功率会有一定损失。

气动冲击矛的规格型号从Φ45 mm至Φ180 mm，根据各种型号气动冲击矛的技术性能及现场试验：选择了Φ75 mm的气动冲击矛（长度1 443 mm、重量34 kg、冲击次数420次/min、夯击力 4.6 t/次）。

气动冲击矛具有如下特性：

A）钢材材质质量过硬，各种零件加工精度高。通过采用先进的钢材及计算机精密控制的加工精度，既保证了气动冲击矛内活塞往复工作时间的精确，又保证了缸体与活塞之间良好的气密性，使之可以最充分、有效地利用风能，转化成巨大的冲击力量而不发生矛体破坏。

B）采用专利的润滑油技术为矛体工作提供了一个良好的工作环境。润滑油采用独特的气压抽入式加油，使活塞运动得到了均匀良好的润滑，且由于润滑油中加入了特殊成分，使活塞在气缸内一个较低的温度（5℃）下工作，保证了活塞与气缸无论摩擦时间多长都能因环境温度稳定而较好地密合，同时前方被击打的端部不会因为活塞冲击频率高而造成材料分子运动过于激烈而发生疲劳破坏。

C）工作时有效作用力大反作用力小。活塞工作时冲击力大而反作用力小，由于对活塞往复运动的时间进行了精确计算，根据物理学公式：F×t=mΔv=ΔP，即 F=ΔP/t，即当时间无限小的时候作用力无穷大，且缸体前后均有弹簧，采取了专利技术保证活塞向后运动时发作用力小，工作平稳可靠。

使用气动冲击矛与其他三种方法的效率对比见表1。

表1 使用气动冲击矛与其他三种方法效率对比

使用气动冲击矛最初设想是采用它在前方拖管冲眼（2 m），然后将小导管插入的工艺方式。经过在现场试验，因采用气动冲击矛挤压土体的方式成孔，直径较大（Φ75 mm），拱部土体过于致密（本工程覆土深度13 m、为金沟河水系冲击砂砾石、沉积年代久远），成孔时间长，成孔1.7 m需时间20 min，无法满足工序时间要求。

经过召集相关人员开会认真分析研究，决定采用从小导管管后冲击的方式，为确保冲击可靠传力，采用了仿造夯管锤刚性连接的工艺将矛头冲击端与小导管可靠连接。

气动冲击矛要求风压力为0.7 MPa，为了确保正常工作，原则上应采用螺杆式空压机，因为螺杆式空压机风压稳定，不会像活塞式空压机那样气压脉冲过于频繁，气动冲击矛主要的作用元件-活塞对这种气压脉冲非常敏感，很难处于正常的工作状态。

实践证明：只要风压正常，打设2.25 m的小导管仅用3 min（包括正常的工作时间及辅助工作时间）。