浅析长大管棚（幕）穿越高速铁路路基沉降控制技术

陈宽鑫（中铁二十四局集团福建铁路建设有限公司，福建 福州 350013）

浅析长大管棚（幕）穿越高速铁路路基沉降控制技术

陈宽鑫
（中铁二十四局集团福建铁路建设有限公司，福建 福州 350013）

客运专线铁路标准高、运营速度快，任何构筑物在穿越既有铁路的工程施工中，如何控制既有铁路线路的几何状态变化，维护既有铁路的运营安全是穿越施工的重点，也是最终目标。非开挖钻机水平定向钻孔回拉法进行长大管棚（幕）穿越施工，通过泥浆循环成孔、环状间隙置换注浆、孔内泥浆保压、自动化监测技术、地下定位系统精度控制等技术措施能有效控制被穿越区域的路基沉降变形。

长大管棚（幕）；水平定向钻；回拉法；路基沉降；施工技术

1 工程简介

南昌某框架通道下穿向莆铁路，向莆铁路为国家一级快速铁路干线，设计时速250km/h，下穿施工区域位于南昌西站出站端咽喉区，穿越既有高速道岔2组以及10股道。框架桥顺线路长度为50.6m，轴向长度为104.9m，框架桥中心线与向莆铁路正交，全桥由北至南顶进，最大顶程为115m。采用桥式盾构+管棚（幕）超前支护中继间法顶进施工。

向莆铁路新建不久，路基本体工后沉降尚未完全稳定，框架桥顶板顶至路基面土层厚度仅为1.5m～2.5m，为保证框架桥顶进过程中既有线的行车运营安全，于桥址位置顶部及侧面设置管棚（幕）进行超前支护，管棚（幕）采用φ299*10mm的无缝钢管按间距0.32m/根布置，共243根，每根打设长度为110m，两侧管棚至框架桥边墙外缘距离为15cm，顶面管棚至框架桥顶板顶距离为20cm。管棚采用坡口焊接，管棚内注M30水泥砂浆。

场址为一般站场路堤地段，填高为2m～5m。从上至下填料分别是：基床表层正线为级配碎石，站线为A组填料；基床底层为A、B组填料；路基本体采用改良土进行填筑。

2 施工工法简述

根据管棚（幕）长距离（距离长达110m），大直径（直径为φ299mm），路基变形控制要求高（穿越地段为250km/h客运专线，股道10股，其中有2 组18号道岔）以及工法的实用性原则，选用非开挖钻机水平定向钻孔回拉工艺进行施工。水平定向钻机是可控钻孔轨迹，在不同地层和深度进行钻进，通过导向系统使钻头沿着设计方向（轨迹）钻进并到达设计位置的施工机械。

施工工艺流程：

施工准备→地板轨道铺设→设备安装调试→调试钻机方位及倾角→安装钻头、探头（标定）→循环液循环→导向钻进→回次打尺→导向钻进→穿越→清孔→扩孔→……→铺设管棚管（回拉）→管外环状间隙浆液置换→ 安装灌浆装置→混凝土灌注（管内注浆）→管头封堵。

3 沉降控制技术

3.1 泥浆循环液系统

导向钻进以及清孔、扩孔的成孔质量与孔内泥沙残留量是路基沉降变形的影响因素之一。泥浆的作用是确保整个施工过程孔壁稳定以及携带钻屑出来的重要措施。泥浆粘度不足容易产生塌孔现象，严重则可能发生地表沉陷；携带钻屑能力不强孔底淤积钻屑导致杆管连接部在回拉时大量钻屑堆积，增加回拉拉力，可能导致地表隆起。泥浆的具体配比必须根据具体地层及成孔状况确定，正式施工前通过试验及试验管试配确定。循环液由水、膨润土和聚合物组成，水是钻液的主要成份，膨润土和聚合物通常称为钻液添加剂。泥浆需充分搅拌，均匀配制，严格执行配比，泥浆循环液供应泥浆能力必须满足连续施工要求。本项目泥浆粘度设置值为37s，循环液流速需与钻孔速度、粘度相匹配。

泥浆循环系统：循环液制备→储浆池→泥浆泵→钻具→钻孔→孔口回水阀门→高吊管→排水地沟→沉淀池→储浆池。钻进过程中必须保持上述各流通环节的畅通。

3.2 孔内泥浆保压

成孔时引起的地表沉降主要为成孔产生的应力释放，单根管棚（幕）产生的沉降非常小，随着管棚（幕）数量的增加，成孔应力释放所引起沉降量的累加，将影响到总沉降量。孔内泥浆压力能够平衡上部土体土压力，维持水平应力基本不变时，施工对临近土体的扰动则最小，同时孔内保压也能在施工中减小列车行驶震动对孔壁的稳定性影响起到很大的作用。

为减小成孔产生的应力释放，在管棚（幕）施工前，需要在进出洞口安装预埋保压止水装置。止水装置是采用比管棚大10cm的固定尺寸钢管做为外套管制作，钢管一头焊接法兰盘，法兰盘在焊管端与钻机端按不同直径预留空心孔径，橡胶止水圈用一整块橡胶板制作，采用螺栓固定在端头钢板上，橡胶材料必须具有足够的弹性、耐磨性要求。顶部设置高吊管出浆口，具体构造如图1所示。

图1 洞口止水装置构造图

3.3 环状间隙置换注浆

为确保回拉的顺利进行以及回拉过程中控制对路基挤压变形，二次扩孔后成孔径需大于管径3cm～4cm，钢管回拉完成后管壁四周间隙存在大量的泥水混合物，若不对此泥水混合物进行置换处理，管棚大量施工后路基将产生较大沉降。

在拉管完成后使用预留于管内分置于两管口的注浆管带压注入水泥浆，注浆口在施工现场加工，注浆管在拉管前预先布置至管棚钢管内，与管棚钢管同时拖进，管壁上方预留注浆口间距按10m/个进行布置。注浆顺序为从中心往两端依次对称注浆施工，直至两端孔口间隙流出匀质水泥浆液，然后采用快硬性水玻璃封堵端口环状间隙，最后对全部注浆孔同时进行补注。注浆控制以压力控制为主，注浆量控制为辅。管外环状注浆采用PO42.5普通硅酸盐水泥浆，水灰比1：1。环状间隙泥浆置换工艺如图2所示。

图2 环状间隙泥浆置换示意图

图3 静力水准监测仪

3.4 导向精度控制

管棚用材是刚性材料（钢管），设计轨迹线是水平直线铺设，若导向孔轨迹线不能达到水平直线的精度要求而表现出有折角形状，回拉过程中直线的钢管管体会对钻孔周边土体形成挤压，这种情况会导致回拉过程中出现路基挤压变形、环状间隙堵塞导致不能置换注浆、回拉不能顺利进行而形成废孔。这三个方面都是路基变形控制的关键所在。

（1）导向系统配置应根据机型、穿越障碍物类型、探测深度及现场测量条件等选用。本工程采用采用美国月蚀地下定位系统全程监控，整套月蚀地下定位系统包括主机、钻机上的遥显器和装入钻头的信号棒。

（2）操作方法是：要向上纠偏时，转动钻杆至12 点钟方向叫停转动，命令推进钻杆则钻头作向上运动，同理向左（9 点钟方向）、向右（3 点钟方向）和向下（6 点钟方向）作纠偏动作，当不需要纠偏时，钻杆及钻头不停的旋转钻进则可保持直线前进。钻头及钻杆中间都是空心的，泥浆通过浆池、钻机、钻杆、钻头喷射出来冷却钻头以避免烧坏信号棒。

3.5 路基变形自动监测技术

穿越施工最主要的就是不能影响列车正常运营，目前客运专线均为全封闭式运营管理，施工人员在天窗点时间外严禁进入线路，管棚穿越施工中，为确保能实时跟踪路基变形及线路状态以指导施工，则需采用自动化监测手段。

具体措施为：

（1）全自动全站仪进行水平及竖向位移监测。监测方法选用小角度法或极坐标法进行测量。本工程按15m间距布置6个线路纵向监测断面，线路横向布置按每两线间各布置1个监测断面，总计66点。测点的布置采用沉降桩的形式，直接布置在路基本体内。在沉降桩上安装观测棱镜，利用自动化扫描软件控制全站仪进行自动三维扫描测量。

（2）静力水准监测仪进行实时、精确的竖向位移监测。静力水准监测仪对高差的观测精度可达到20μm甚至更高，成果输出频次可达到秒的级别，可通过计算机软件自动输出成果（其原理如图3所示）。

本工程因道岔的线性控制尤为关键，故沿道岔设置6个线路纵向监测断面，道岔两侧横向布置4个监测断面，共24个自动测点。静力水准仪安装在沉降观测方桩（长×宽×高位25cm×25cm×80cm）上，基桩设置在线路外稳定位置。

（3）电水平尺（EL BEAM）进行线路不均匀沉降的变形监测

电水平尺用锚栓安装在道床（结构物）上，接着将倾角传感器调零，并锁定在该位置，道床（结构物）的沉降会改变梁的倾角。将一系列电水平尺首尾相接地安装在道床上，形成上述的所谓“尺链”，就可得出“尺链"范围内的沉降曲线。本工程因道岔的精度要求高在两处道岔轨道中心各布设1条69m电水平尺，共计46个。

3.6 其它控制措施

（1）焊管端需设置水平焊管托架或平台，钢管连接必须确保中心线为直线，可采取水平靠尺进行管周四个方向进行控制，钢管方向调整符合要求后方能进行坡口焊接，焊口需光滑无毛刺。

（2）扩孔孔径大于管径3cm～4cm即可，太大则对路基变形影响不利，太小则影响回拉的顺利进行。扩孔及清孔次数为2～3次即可，钻头从小至大依次替换，严禁大直径钻头直接扩孔。扩孔时需确保循环液的畅通，不得干扩，要始终注意出土量不能超过设计孔的理论出土量。

（3）钻孔、扩孔进程需采用速度与顶拉力双指标进行控制，钻扩孔速度需低速匀速进行操作，以0.8m/min控制为宜。清孔时可适当提高速度进行快速清孔。

（4）严格执行跳孔施打要求，跳孔间隔至少为3根以上。确保不串孔以及相邻区域短时间内累计沉降不超标。

（5）加强施工组织，快进快出，缩短辅助工序间隔时间，尽快完成回拉工作进行环状间隙置换注浆，填塞孔洞。

结语

目前城市化进程的加快，加速了城市市政道路路网的功能完善，与既有铁路交叉穿越将会越来越多，管棚（幕）超前支护下进行大跨度地下工程施工是确保铁路运营安全特别是客运专线运营安全的有效手段之一。穿越施工中沉降变形控制是施工的关键也是目标所在。本文所在项目长大管棚穿越向莆铁路施工通过采用以上几项控制技术，确保了穿越施工的顺利进行，路基沉降变形最大日变化速率为0.78 mm·d-1，累计下沉最大量为13.4mm，满足客运专线正常运营的技术要求。

[1]张维承.长距离大管棚（幕）施工沉降规律和控制措施研究[J].福建建筑，2010（03）.

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