关于浅埋隧道管幕法施工对环境保护作用的探讨

王录林

摘要：管幕工法完美的诠释了我国地下结构工程施工中超前预加固“强支护”理论的含义，是对既有浅埋暗挖技术的丰富与补充。该工法的主要优势在于：能有效控制地层变形，尤其在对环境保护要求较高的地下工程施工中发挥着巨大作用。

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.

关键词：管幕法施工;超浅埋隧道;环境保护

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

中图分类号：U449.5                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）09-0105-03

1  背景

在城市中建设浅埋隧道面临着巨大的工况环境考验，其中最重要的是对地表建筑物、自然环境、人文环境等的保护和避免对人民群众日常生活的干扰。在工程环境复杂的城市核心区、中心区完成交通疏解，解决不断拥堵的地面交通难题是工程规划者、建设者们需面对的重大课题。截弯取直，保留原始自然地貌，扩大地下空间利用比率成为解决城市地面交通拥堵、提高城市居民出行效率的必然选择。

城市地质条件主要为第四纪松散地层，且应力释放后没有自承载能力[1]。随着城市空间不断开发，周边环境也愈加复杂，地下结构施工也愈加困难，传统的地下结构施工方式在遇到环境较复杂的状况下不能满足对环境保护的要求。管幕法预支护中的钢管一般直径为200-2500mm，一次施作距离40-110m，在维持掌子面稳定、控制地层变形、预防坍塌冒顶事故等方面有着决定性作用。本文以福州工业北路延伸线文林山隧道为背景，介绍了管幕法在复杂环境状况中对周边保护及管幕法在工程实践中的应用[2]。

2  项目概况

福州市工业北路延伸线工程位于福州市西片区，为中心城区规划南北向骨架路网之一，也是中心城西片区便捷进出城通道之一。本标段南起工业路与杨桥路交叉口（起点桩号主K2+150），沿现状工业路往北延伸，隧道穿越文林山后至梅峰路（终点桩号YK4+103.5），隧道为双向8车道，断面207m2，左线长1176m，右线长1140m，最小净距3.6m，暗挖隧道出口300m超浅埋段，其中0～80m覆土厚度1.9～8.5m。

周边环境：隧道出口位置在梅峰山公园出入口南侧部位，洞顶为梅峰山地公园景区道路及生态池塘，施工场地南侧是中冶场库和鼓楼环卫公寓等已拆迁场地，西侧50m是马坑支路6层民居楼，北侧为梅峰路和景区道路，拟建隧道下穿福州市第二看守所，东侧为池塘和坝埂。

水文地质：隧道出口围岩以全风化、砂土状强风化、花岗岩和碎块状强风化花岗岩为主，局部夹有后期侵入的辉绿岩、花岗斑岩岩脉及其强风化地层，地层相对跨度较大，为极软岩-较硬岩，岩体破碎-较破碎。

3  施工方案

管幕法是在结构体外围预先进行钢管顶进，并在钢管侧面利用锁口进行连接，形成一个能抵御上部荷载的超前支护结构，并起到隔断周边水土的帷幕结构的作用，从而减少对地面道路、管线、建（构）筑物的影响，保证地面活动及保护对象的正常使用。文林山隧道出口设计采用管幕作为隧道顶部支护，管幕在开挖线外侧250mm处呈140°扇形布置，支护长度90m，布设75根，管幕钢管为外径299mm无缝钢管，壁厚10mm，管节之间采用坡口焊接连接，环向中心管距35cm，钢管外插斜率0.2%;注浆管采用42mm钢花管，壁厚4mm，至于母扣上方，且与钢管及母扣焊接连接。

据本项目地质情况和设计支护要求，采用？覫299mm*10mm管幕支护，管幕钢管内注浆填充。管幕施工采用螺旋出土套管顶进工艺进行施工，管幕钢管作为套管，内部安装带有专门钻头的螺旋钻杆。管幕设备提供螺旋钻杆的旋转动力和套管的顶推力。管幕钢管顶进时，螺旋钻杆向钻头传递钻压和扭矩切削土层，并将钻渣由管内螺旋排到孔口管外。这样边顶进、边切削、边出渣，将管幕钢管逐段向前顶进至该施工单元施工结束。反复进行后续单元施工，逐步在開挖线外形成管幕结构。

3.1 现场准备

3.1.1 施工用水

管幕采用螺旋出土工艺施工，施工过程中基本不用水（水位测量使用水量极小）。管内填充水泥浆和文明施工用水，有6分自来水管即可，保证常压自来水达到10m3/h流量满足要求。

3.1.2 施工用电

管幕设备基本功率为150kW/台套;组织2台套管排设备和钢管锁口加工焊接同时作业，现场满足400kW施工用电。

3.1.3 施工用风

考虑管幕下穿段可能存在中风化围岩，需要采用风动潜孔锤扩孔破碎顶进方法，现场配备2台空压机（排风量单台大于15mm3/min，风压大于1.5MPa）。

3.2 材料准备

3.2.1 管幕材料

①钢管：设计单线管幕75根，施工长度为90m，共13500m;考虑钢管加工损耗（3%），实际需要钢管材料13905m。

②角铁：角铁加工成为锁扣结构需要4倍顶进钢管长度，合计需要54000m，考虑角铁加工损耗（2%），实际需要角铁材料55080m。

3.2.2 水玻璃

通过管幕外挂注浆钢管注入水玻璃和水泥的混合液，填充扰动土层缝隙，控制沉降，现场储备水玻璃约30～50桶，随管幕施工及时跟进注浆。

3.2.3 水泥

管幕施工阶段进行沉降控制和钢管内填充的注浆主材，理论填充及控制注浆水泥用量约为1900t。

3.2.4 注浆管

根据设计要求，管幕钢管外附带？准42*4mm注浆管，沿管幕钢管纵向通常布设并焊接，作为管幕施工和隧道开挖沉降补偿注浆措施实施载体。现场施工需要注浆管长度13500m，考虑注浆钢管加工损耗（1%），实际需要注浆钢管13635m。

3.3 设备准备

受施工环境和管幕工艺限制，现场安装两台管幕管排钻机，钻机参数根据现场条件进行适应性改装（一次施工钢管长度12m，同时顶进2根钢管）。

3.4 注浆准备

管幕钢管内采用水泥浆低压填充，可通过多次填充方法满足管内固结体充盈要求，现场安装2台套注浆设备（包含搅拌系统和注浆泵）和沉降控制注浆泵（双液浆泵），用电量为20kW。

3.5 吊装运输辅助准备

①）加工吊装。本工程钢管在现场进行裁剪和焊接制作，需要配备一台25T汽车吊或5T叉车辅助吊装。

②施工吊装。施工过程中需要将加工好锁扣的钢管吊装至基坑内，施工现场需要配合10T龙门吊或35吨汽车吊2台。

3.6 反力墙设计计算

3.6.1 钢管阻力计算

管幕顶进摩阻力按下式计算：

P=fγD1[2h+（2h+D1）tg2（45°-ф/2）+ω/γD1]L*钢管数量

式中

P——计算的总顶力（kN）;

f——顶进时，管道表面与其周围土层之间的摩擦系数，取0.2;

γ——管道所处土层的重力密度（kN/m3），本计算取1.4;

D1——管道的外径（m），本计算取0.3m;

H——管道顶部以上覆盖土层的厚度（m），本计算取3m;

ф——管道所处土层的内摩擦角（°），本计算取20°;

ω——管道单位长度的自重（kg/m），本计算取72kg;

L——管道的计算顶进长度（m），本计算取90m。

钢管数量本计算中选取2根。

计算如下：

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，约合270T

3.6.2 钻机顶进力计算

顶进油缸缸径 32cm，设定最高给进泵压：25MPa;计算如下：

顶进力T=油缸截面积S*给进压力P/100*油缸数量*0.85

其中：

油缸截面积S=803cm2

施工设定最大顶进力P=25MPa

施工油缸数量：2（个）

功率转换系数为：0.85

T=800*25*2/100*0.85=340（T）

计算结果：管幕钻机施工最大顶进力为340T。

3.7 钢管加工

3.7.1 钢管坡口

钢管顶进前，应根据要求进行坡口管头制作（为纠偏准备工作），并将参数进行整理，同时将该管头安装在管排钢管前端，另一根钢管内穿入螺旋钻具，管间采用角铁焊接固定，便于吊装。钢管单侧打设坡口，锁扣间隔焊接，待顶进钢管的坡口端与已顶进钢管的外露端紧密焊接。

3.7.2 扣接形式

管幕锁口采用45*45*6mm角铁焊接加工， 管幕钢管母扣角铁上方固定安装？准42*4mm注浆管（图1）。

3.8 锁口加工

严格按照施工设计需求进行钢管锁扣加工，并严格根据锁扣焊标准进行质检;锁扣加工采用坡口焊接，应不定期对锁扣加工工装进行校验。

3.9 管排施工

以单根管幕施工为基础，采用专用设备同时顶进2根或多根钢管形成管幕结构。具有沉降控制可靠，钢管精度提高和施工速度高效的特点。标准管焊接双母锁口，施工要全程进行严格角度测量，如有偏差随时进行纠偏。标准孔的精度决定了整个管幕的施工精度。

3.10 注浆填充

管幕钢管顶进到位后，在入口处焊接钢板进行管口封闭，封闭板预留注浆孔和透气孔;管内填充通过管口焊接的？准25mm水管注浆，注浆孔安装在管口端面上部，透气孔安装在钢管侧面顶部，水平方向为注浆口，垂直方向为排气口兼观察孔。注浆导管端头焊接注浆管接头并安装阀门，导管内注入水泥浆，注浆与相邻管幕施工隔开3～5个孔位，根据沉降监测及时对钢管内充填水泥漿，管内填充与施工间隔8～10个孔位，注浆压力小于0.2MPa。

4  质量控制

4.1 施工导向控制

4.1.1 施工原则

①制定施工角度控制标准，做好施工技术参数交底;

②现场严格执行技术要求，建立机手、技术两级参数复核;

③建立角度偏差预警机制，明确角度控制权限;

④精确测量结果，备份测量仪器和设备，杜绝无数据施工;

⑤多种测量手段并用，互相验证核实，异常情况必须核实排除。

4.1.2 导向测量方法

采用连通器原理，在管幕钢管端头安装连通管，钢管顶进过程中，不断向连通管中注入连通液，通过可视化的测量端液位高度前方地层钻头位置高度（图2）。使得钢管顶进过程中能够直观的监测钻头位置变化，且不受施工其它因素干扰，其监测结果精确，不存在累积误差。

4.1.3 纠偏控制方法

该项目采用螺旋出土钢管顶进纠偏管头进行纠偏，该管头前端管口为斜形管口（图3），斜形管口前端沿顶进方向、向钢管的中心轴线方向倾斜，形成持续纠偏构件，持续纠偏构件的下方为选择纠偏构件，选择纠偏构件沿顶进方向、向远离钢管的中心轴线方向倾斜设置，选择纠偏构件与钢管中心轴线之间的夹角大于持续纠偏构件与钢管中心轴线之间的夹角。通过该纠偏管头严格控制标准孔施工精度，从而有效确保后续钢管施工精度。

4.1.4 其它辅助

①严格控制入孔孔位偏差和入孔轴线偏差;

②加强监测频率，每节钢管测量2-3次。

4.2 施工沉降控制

4.2.1 沉降控制原则

①管道处需安装自动监控量测，及時准确报送测量数据;②建立沉降应急预案，设立应急机构、人员及机械物资;③沉降监测必须设立预警机制，按级别启动相应施工控制流程;④施工前必须对作业人员进行沉降应急预案交底及演练;⑤施工过程及措施必须和沉降数据相关联，避免顾此失彼;⑥沉降控制措施和效果必须及时准确记录并反馈;⑦严格注浆顺序，完成阶段管幕施工立即通过导管稳定地层;⑧沉降控制以少量多次补充为主，避免忽上忽下。

4.2.2 沉降控制措施

①对作业人员进行交底，熟悉施工措施和应急控制;

②测量实际出土量，优化顶进与旋转出土的速度匹配;

③禁止将螺旋钻头超出管口外长时间旋转出土，防止管口土体坍塌;

④禁止通过钢管或钻具向地层内注入大量清水，防止土体流失;

⑤沉降数据在0～-2mm时，可采取多顶进钢管，少出土的方式进行补偿;

⑥沉降数据在-2～-3mm时，可通过钢管外挂注浆管进行注浆补偿填充;

⑦沉降数据大于-3mm时，必须停止作业，对钢管内及注浆管进行全面注浆。

4.3 遇障碍处理

4.3.1 遇孤石或中风化岩

根据地质勘查和现场调查，管幕施工中可能会遇到石块或中风化岩石，根据情况分析提出以下解决办法：

①孤石：现场下穿池塘中埋设有较大石块，管幕施工前应对孤石的位置和标高进行确认，侵入管幕施工范围内的石块进行开挖或破碎清理，满足管幕施工条件。

②中风化岩石：根据地勘，下穿段60～80m处局部中风化岩石侵入隧道，管幕施工中遇到岩石采用如下方法处理：

1）扩孔破除：遇到中风化岩石时更换截齿扩孔钻头，切削岩石并扩大孔径，便于锁口管幕顶进;

21冲击破碎：当围岩强度超过50MPa，截齿扩孔钻头无法切削，更换潜孔扩孔钻头，利用高压力压缩空气推动专用冲击器和锤头破碎岩石并实现扩孔。

4.3.2 遇既有构建筑物

本工程管幕施工下穿梅峰山景区观景平台基础，理论上景观平台放大基础没有侵入隧道，为安全起见管幕施工前对景观平台基础标高进行复核（基础埋深小于1m），采用人工在基础侧面开挖方法测量，如局部侵限可采用加固后切除方法，如侵限较多，可采用支撑替换方式处理，工程结束后恢复景观。

5  结束语

随着我国社会经济的发展，城市地上地下空间的利用越来越交错密集，因此城市穿越隧道工程将会越来越多，对环境保护要求的标准也将越来越高[3]。本文中提出的封闭管幕保护下的浅埋暗挖法施工，地面沉降始终控制在3mm以内，对地表景区景观和周边建筑物、管线等无任何影响，解决浅覆土大断面隧道施工中对地面自然环境保护的难题，是一种技术先进，安全高效的施工方案。

参考文献：

[1]巩森，葛金科，李向阳.管幕法在地铁施工中的应用研究[J].价值工程，2017，36（14）.

[2]彭龙，卞桂荣，曹豪荣.超长管幕施工技术在浅埋暗挖隧道中的应用[J].建筑机械，2018（12）.

[3]李伟强.管幕法在环境保护中的研究与应用[J].建筑施工，2011（03）.