高速铁路浅埋隧道超长管棚设计方案研究

朱国伟

(中国铁路总公司工程管理中心，北京 100844)

高速铁路浅埋隧道超长管棚设计方案研究

朱国伟

(中国铁路总公司工程管理中心，北京 100844)

京沈高速铁路高丽营隧道穿越六环路酸枣岭互通立交段落，土质、砂质地层自稳能力差，地下水位高，采用浅埋暗挖法施工。超前管棚支护是暗挖段难度最大的项目之一，通过计算分析，结合国内超前管棚应用实例和施工方案的研究，确定采用导向跟管钻进法两侧相向对打施工，一次性施作超前支护，确保结构安全和地面道路正常通行。

高速铁路；铁路隧道; 超前支护；超前管棚

超前支护技术作为一种常见的隧道超前加固措施，在隧道浅埋洞口、下穿地表构筑物或断层破碎带等开挖施工中得到广泛应用，目前随着城市地下工程建设的需要和工程设备技术的不断进步，管棚支护技术逐步向长距离、大直径方向发展。常规的管棚施工工艺已经不能保证有效成孔和打设精度。京沈高速铁路高丽营隧道下穿六环路酸枣岭互通立交段落，施工期间六环路正常通行，交通流量大，重载车辆多，变形控制标准比较严格，为有效控制下穿段落洞内及地表沉降变形，同时确保隧道施工及道路的运营安全，开挖前施作贯通长距离超前支护，暗挖快速通过的原则，对其工程支护措施和施工方法等关键技术进行研究。

1 工程概况

京沈高速铁路高丽营隧道暗挖下穿北京市六环路酸枣岭互通匝道，下穿段落六环路为高填方路基，无地下构筑物，长约200 m，位于曲线半径为7 000 m的平面线上，隧道纵向为V字坡(下坡坡度为23‰，上坡坡度为20.8‰)，最低点位于下穿六环路正下方，最大覆土厚度约为15 m(其中原状土厚度约为7 m，路基填方厚度约为8 m)。高丽营隧道与酸枣岭立交桥位置关系如图1所示。

图1 高丽营隧道与酸枣岭立交桥位置关系

隧道穿越段落地层主要为黏土、粉质黏土，局部夹有粉土，六环路互通立交路基填方材料主要为杂填土，填方高度约为5～8 m。地下水类型主要为第四纪松散沉积物孔隙水，根据其水力性质不同可分为上层滞水、潜水、层间水，主要赋存于砂土、碎石土和粉土，勘探期间测量稳定水位埋深6～9 m。

2 超前支护方案设计

管棚工程在隧道开挖前的预支护中的作用主要表现在提高隧道开挖线外周边土体的承载能力和控制地表沉降两个方面，在隧道穿越软弱地层以及既有建(构)筑物时，管棚的这种作用尤为明显。

2.1 计算超前支护

管棚结合拱架支撑设置时，管棚前端锚固在软弱围岩内，后端与钢拱架固定，其承载模式可简化为“一端固定一端简支”的受弯梁构件。用不同管径的钢管间隔，假设上部荷载全部由钢管承担，则每一根钢管承担一定宽度的土柱压力和道路荷载，假定隧道开挖长度一定，可求得钢管间距。

由于黏土、粉质黏土等呈现散粒体的材料特征，管棚等超前支护在隧道开挖过程中，其固定端支点会发生相应的后移，如图2所示。

图2 管棚支护结构受力计算模式(单位：m)

根据铁路隧道管棚设计、施工经验，选用外径为89～325 mm不同规格的钢管，对超前支护钢管抗弯强度和抗弯刚度进行检算。分别以抗弯强度和抗弯刚度作为控制因素进行比选(表1)。

工程实践表明，在一般情况下，管幕变形量小于5 mm时，地表沉降可控制在20 mm以内，假设钢管间距为a，依据前述原则对管棚强度和刚度进行验算，得出采用不同钢管做管棚时的钢管间距见表2。

表1 钢管规格及截面特性

表2 不同管径管棚钢管间距计算结果

根据计算结果，管棚采用单排φ159×8 mm或双排φ108×8 mm无缝钢管，管棚环向间距取3根/m，即可满足要求。

2.2 拟定超前支护参数

下穿段落初步拟定采用隧道开挖前长距离超前支护一次性贯通施作，暗挖快速通过的原则，减少隧道暗挖施工在下穿段落的停留时间，降低施工安全风险。

(1)管棚钢管尺寸

考虑长距离管棚施工精度影响及本工程管棚段落水平方向和线路纵向均位于曲线段落，双层管棚施工过程中存在因管棚钢管密度过大，造成钻孔成孔困难、易损坏钻头、管棚施工造成地层多次扰动等问题，采用单排φ159 mm×8 mm无缝钢管，管棚沿隧道开挖轮廓线外环向布置，环向间距40 cm，管棚施作范围为拱墙150°，管棚长度106 m，搭接6 m，管棚内灌注水泥砂浆提高管棚刚度。

(2)管棚与结构间隙尺寸

长距离管棚一次性施作，因不能设置施工外插角，同时在钻孔过程中，水平钻进受钻具自重影响，钻具前端易下垂，管棚与结构之间所预留间隙过小对管棚施工提出了较高的精度要求，且容易造成管棚侵限，过大易造成拱部开挖掉块及隧道超挖。

北京地铁5号线蒲黄榆车站对不同埋深、不同地层情况下的管棚施工偏差进行了统计，结果如下：埋深小于10 m，上部为粉质黏土层，采用无线普通型探棒导向时，平均轴心偏差为12.3 mm，粉细砂地层，采用无线加强型探棒导向时，平均偏差为16.7 mm；埋深超过10 m中粗砂地层，采用无线加强型探棒导向时，中心平均偏差为19.5 mm；埋深超过12 m中粗砂地层，采用地磁地下定位系统导向，中心平均偏差为17.4 mm。由此可见，管棚施工偏差与地层、管棚埋深及导向系统均有密切的关系，国内施工超长管棚的实例调查见表3。

根据表3，管棚中线外放距离基本为20～40 cm，结合调研结果，拉管法管棚施工精度基本可以控制在20 cm以内，本工程管棚外放距离确定为40 cm。

表3 国内超长管棚的应用实例调查

3 长距离管棚技术分析

长距离超长管棚技术是从城市地下管线非开挖技术衍生发展起来的一种新兴技术，目前较为成熟的长距离管棚施工技术主要是利用水平定向钻进技术，进而衍生出以两种管棚敷设技术。

3.1 水平定向钻进技术(拉管法)

水平定向钻进施工管棚方法是由水平定向钻井技术发展而来，利用水平定向钻机在导向仪导向控制下进行导向孔钻进形成导向孔，导向成孔完成后，在管棚的另一端卸下钻头，再根据孔径不同换装不同的扩孔器，在拉回钻杆的同时将钻孔扩大至所需直径，同时回拖钢管施工，最后进行注浆。

这种管棚施工方法引进了城市地下管线非开挖施工技术，在钻进过程中进行导向控制，保证了钻进轨迹的正确性和精确性，钻孔轨迹可以是直的，也可以是逐渐弯曲的，对管棚长度、管径和长距离管棚敷设轨迹变化的适应性强，同时参考了常规管棚施工先钻孔后铺管的施工理念，管棚施工质量和可操作性强。导向系统工作原理见图3。

图3 导向系统工作原理示意

3.2 导向跟管钻进技术

导向跟管钻进技术是从水平导向钻进发展而来的一种新型技术，采用有线或无线仪器定向，一次性跟管钻进，即成孔和埋设管棚一次完成。该技术的特点在于以管棚钢管作为钻杆进行导向钻进，同时配备导向仪，由位于钻头内的传感器将信号通过钻杆内的电缆直接传输到远程显示器上，实时监测钻头的钻进方位。根据打设长度、设计线路钻进轨迹(预设钻进角度)，在导向系统的监测下进行钻进。钻进时，高压液体通过钻杆、管棚钢管，从钻头前端射出，冲刷前方土体，同时钻杆旋转向前推进。管棚纠偏主要通过采用导向钻进专用鸭(斜)板式钻头(内设单向阀)实现。完成跟管钻孔深度后，撤出内部导向器具，然后封闭管口，向内部注入水泥浆或水泥砂浆。

3.3 适用性分析(表4)

长距离管棚施工，导向钻进是整个管棚施工过程的一个关键环节，整个过程导向孔成功与否直接关系到管棚施工的成败。而导向系统的选择又受到管棚施工方法、管棚埋置深度以及周边环境等因素的制约，目前市场上常用的导向系统有无线导向系统、地磁导向系统和有线导向系统。经过市场调研，结合不同导向系统的适用性，对上述两种长距离管棚施工技术的适用性进行分析。

(1)从目前市场应用情况来看，拉管法多应用于城市地下管线非开挖敷设施工，该类工程的特点是：管线埋设深度浅(一般不大于10 m)、施工距离长(一般都在100 m以上)、钻孔及管线线形灵活度高(可以同时在平面和深度方向以曲线形式通过)。在地下工程应用中，在桥涵顶进施工中应用较多，这类工程的特点是覆土很小且顶部多为平直结构，但是在地下工程应用中管棚敷设方式均为直线形布置，目前尚无类似城市地下管线进行曲线埋设的案例。

表4 长距离管棚施工方法适用性对照

(2)拉管法施工导向孔多采用无线地下定位系统。无线导向系统因需要导向人员手持接收仪，沿钻进路线寻找接收从地下钻头内信号棒发出的信号，因此更适用于结构埋深浅，地面施工场地相对开阔的环境，同时管棚距离较长时优势更为突出。

(3)跟管钻进法在地下工程应用中相对较多，其导向钻进多采用有线仪器定向系统，不受地面交通以及地上、地下建(构)筑物影响，适用范围也更为广泛。有线导向系统不能控制钻进过程左右方向位移偏差，无法对位于曲线地段管棚施工进行水平方向和埋深情况进行定位，因此无法进行曲线地段的管棚施工。

小学生的思维以具体形象为主要形式，离不开形式和操作，教学中应放手学生操作，在实际动手中探究，培养创新能力。

4 本工程管棚施工方案选择

4.1 可行性分析

(1)管棚设置段落为高填方路基，路基两侧主要为果园，地势平坦，地形条件简单，周边分布有自来水管、超高压燃气管线等地下管道工程，埋深较浅(不超过2 m)。对管棚施工形成制约因素的主要为超高压燃气管线，两端平面上可用以工作施工竖井布置的范围分别为7～10 m和50～60 m，满足超长管棚施工的空间需求。

(2)管棚施作段落地层主要为黏土、粉质黏土，地下水含量较少，水位较深，地层条件满足长距离定向钻机钻进施作的适用条件。

(3)有线导向系统为水平直线钻进过程中相对导向纠偏，而非类似盾构掘进机的坐标式导向方式，无法从真正意义上对曲线地段钻杆钻进轨迹进行实时追踪；而采用水平导向钻进技术拉管法施工具备进行曲线地段管棚施工的可能，但是受本工程地形及周边环境条件影响，需对其导向系统的适用性结合本工程进行进一步的试验验证。

(4)根据水平导向钻进技术拉管法施工在城市地下管线、石油管线敷设方面的应用情况，采用拉管法施工具备进行曲线地段管棚施工的可能。但是本工程管棚施工精度要求高，穿越段落埋深相对较深，地面高低不平，道路交通繁忙，采用从一侧向另一侧一次性钻进拉管法施工超长管棚，应用地面信号接收系统对导向钻进进行无线跟踪定位困难。另外，采用拉管法进行管棚曲线施工，目前尚无施工先例，需要进行相关方面的研究和试验工作。

4.2 预期施工效果评价

(1)采用拉管法施工，管棚钢管从一侧向另一侧贯通施作，钻孔过程及加拖拉管进行相互校验，可控制铺管方向，质量控制效果较好。

(2)根据调研结果，在保证导向系统的可靠性和准确性的前提下，拉管法管棚施工精度为20 cm，可有效保证整个段落的管棚的支护效果。

(3)管棚钢管沿线路方向结构轮廓线外均匀布置，管棚施工完成即可形成有效的支护作用，在无需其它辅助加强的情况下，即可进行隧道开挖。

(4)管棚施工效果受钻孔导向系统的可靠性和钻机制约，需通过现场试验进行导向系统综合比选。

4.2.2 采用导向跟管钻进法施工

(1)采用有线导向钻进技术，可以有效解决埋深较深的情况下无线导向信号接收效果较差无法进行有效导向的问题。

(2)管棚施工采用跟管钻进法施工，有效解决了钻孔塌陷问题，成孔速度较快，操作简单、施工便利，效率较高。

(3)管棚采用两端分别打设中间搭接的方式施工，减小管棚钢管独头钻进长度，降低管棚施工难度。

(4)本方案的主要缺点是受施工工艺的限制，不能进行管棚曲线施工，在平面及纵向均采用直线钻进施工，因线路自身曲线的影响，造成管棚施工完成后，管棚距隧道开挖轮廓线水平最大偏差为23 cm。

(5)本方案的第二个缺点就是由于管棚施工精度相对较低(3‰～8‰)，同时考虑线路曲线影响，管棚施工预留外放尺寸较大，造成隧道开挖后局部段落开挖轮廓线与管棚间产生较厚的土体夹层，易产生掉快超挖现象，隧道开挖过程需补充施作超前小导管进行加强。

4.3 管棚施工方案综合比选

本工程在下穿六环路段落的主要受控因素有以下3个方面：

(1)隧道同时位于平面和竖向曲线上，长距离超前支护一次性施工精度要求高；

(2)下穿段为土质地层，超前支护应尽可能小地避免对地层的扰动，隧道开挖施工风险较小；上跨道路交通繁忙，施工要求高，如若施工控制不到位，引起地表道路变形过大影响其正常使用，容易产生较大的社会影响；

(3)附近分布有多处超高压燃气管线，竖井等临时施工空间布局受限。

因此，需根据场区内地质地层条件、周边施工环境、国内施工水平等因素，对上述超前支护方案进行综合比较选择，保证工程的安全性和经济性。管棚施工方法优、缺点对照见表5。

表5 管棚施工方法优、缺点对照

通过上述管棚施工方法的综合比较，采用导向跟管钻进法两侧相向对打施工，管棚施工难度相对较低、施工效果易控制，施工工艺成熟，在满足及隧道开挖前一次性施作超前支护的前提下，可以达到较好的支护效果，保证隧道安全施工。

5 结语

(1)目前国内长距离管棚施工技术在城市铁路隧道工程建设中的研究和应用尚处于起步阶段，曲线长距离管棚施工更是尚无施工先例，综合现有工艺水平、施工效果、工程可控性、施工环境要求等因素，推荐采用有线导向系统，一次性跟管钻进技术进行长距离超前管棚施工。

(2)长距离管棚一次性施作，在钻进过程受钻具自重影响，钻具前端易下垂，对管棚钻进施工及其纠偏能力提出了较高的精度要求，管棚外放尺寸过小容易造成管棚侵限，过大易造成拱部开挖掉块及隧道超挖，因此，管棚施工外放尺寸应该是今后长距离管棚应用研究的重点内容。

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Study on Pipe Roof Design of Shallow Tunnel on High-speed Railway

ZHU Guo-wei

(Project Management Center of China Railway Corporation， Beijing 100844， China)

The Gaoliying tunnel on Beijing～Shenyang high-speed railway passes through Suanzaoling interchange on the sixth ring road， where soil， sandy strata of poor stability and high underground water level are encountered， and shallow excavation is employed. Advanced pipe roof support is one of the most difficult sections of excavation. Calculation and analysis are conducted with reference to practices of and researches on advanced pipe roof construction， and guide pipe drilling method on both sides to rally for one-time construction with advanced support is determined to ensure the safety of structure and normal road traffic．

High speed railway; Railway tunnel; Advanced support; Advanced pipe roof

2015-03-17；

2015-05-05

中国铁路总公司科技研究开发计划课题(2014G004-K)

朱国伟(1971—)，男，高级工程师，1993年毕业于西南交通大学地下工程与隧道工程专业，E-mail：ggzxzhuguowei@sina.com。

1004-2954(2015)10-0089-05

U238； U452.2

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.10.021