管棚支护在城市地铁下穿大型输水管道中的应用

(辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110166)

1 概 况

沈阳地铁十号线是沈阳地铁线网中“双L”线中的一条线路，一期工程起点丁香湖站，终点张沙布站，长约30.8km，全部为地下线。

桑林子车辆段出入线与大伙房水库输水工程大型输水管道交叉。大伙房水库输水工程是向辽宁省抚顺、沈阳、辽阳、鞍山、营口、盘锦、大连等七城市输水的一项大型区域性水资源配置工程，输水工程的供水量将占该区域总供水量的40%～50%，受益人口超过1400万，输水总量约为327万m3/d。桑林子车辆段是沈阳地铁10号线的重要组成部分，主要功能为地铁列车保养、检修和维护。桑林子车辆段出入线从沈阳地铁十号线终点张沙布站出发至桑林子车辆段，全长1162.01m。

2 工程地质及水文

出入线位于沈阳市张沙布村至后营城子村之间，根据钻探揭示，勘察深度范围内为第四系全新统浑河高漫滩及古河道冲积层。各地层描述如下：

a.杂填土：主要由路面、碎石、黏性土及建筑垃圾组成，层厚1.6～3.2m。

b.粉质黏土：该层连续分布，局部含中砂夹层，层厚4.4～12.9m。

c.中粗砂：矿物成分以石英、长石为主，混粒结构，含少量黏性土。该层分布连续，厚度1.0～5.4m。

d.砾砂：矿物成分以石英、长石为主，混粒结构，含少量黏性土，局部夹黏性土、中粗砂及圆砾薄层，层厚1.70～14.7m。

e.圆砾：以砂岩、花岗岩为主，磨圆度较好，呈亚圆形，填充物为中、粗砂及少量黏性土，局部黏性土含量偏高。该层局部分布，厚度2.10～11.70m。

出入线位于冲洪积扇中部，沉积的地层颗粒粗，分布连续，上覆黏性土层。出入线范围内的地下水赋存于圆砾、砾砂等土层中，按埋藏条件划分，属第四系孔隙潜水。地下水稳定水位深21.0～23.72m，含水层厚度约20.0m。

出入线结构覆土最深为12m，主要穿越粉质黏土、中粗砂、砾砂、圆砾地层。

3 交叉穿越工程的主要风险源分析

3.1 输水管线概况

桑林子车辆段出入线穿越两根正在运行的大伙房水库输水工程管道，输水管内径3.2m，外径3.8m，水平中心距15m，覆土约3.6m，材质为预应力钢筒混凝土承插管(即PCCP管)，分节长度为5.0m，设计水压力为0.6MPa。

3.2 出入线与既有输水管线相对位置关系

平面关系：出入线与输水管线平面投影斜交，左线与输水管线成53°交角，下穿输水管线斜长23.7m，右线与输水管线成57°交角，下穿输水管线斜长22.8m，见图1。

图1 出入线与输水管线相对位置关系

纵断面关系：出入线右线与既有输水管线B、A交点处竖向净距3.54m、3.32m，出入线左线与既有输水管线B、A交点处竖向净距3.09m、2.98m。为一级风险工程。

3.3 输水管道承插口最大允许变位

出入线盾构穿越大伙房水库输水工程的两根管道，额定工作压力0.6MPa，管道为2×DN3.2m PCCP管，单节长度5m，管道承插接口采用F形双胶圈密封，接口允许最大转角0.25°，考虑管线沉降及敷设管道时的施工误差，按0.8系数折减，接口处的最大不均匀沉降为5000×sin0.25°×0.8/2=8.7mm，即盾构下穿输水管道的地面沉降控制指标不得大于8.7mm。

4 管棚支护防护设计

为保证出入线双盾构穿越大伙房水库输水工程的两根管道运行稳定安全，有效控制盾构施工引起的输水管道沉降及位移变化在允许范围内，在输水管线与区间隧道中间架设φ299@350mm的密排钢制管棚做支护，管棚两端采用混凝土灌注桩做支撑，桩顶架设钢筋混凝土连续梁作为管棚的固端支撑座。

管棚在输水管道下方与地铁盾构之间施作，距离输水管道底部1.0～1.7m。

为保证支护效果和施工质量，将管棚支护结构优化为锁扣管棚支护结构，即将钢管两侧按一定参数通长焊接角铁形成扣槽轨道，相邻钢管沿轨道施工顶进并形成扣接，多根钢管排列扣接成为幕墙，使支护钢管成为整体并封闭相邻钢管之间的缝隙，隔水挡土。见图2～图3。

5 施工方法

支护采用“钢管扣接，管内填充，管外补偿”的锁扣管棚结构；管棚采用“钢管顶进，管内出土”的施工工艺。

图2 锁扣管棚结构

图3 管棚支护横截面

5.1 管棚施工方法

顶管钻机液压油缸推动焊接好锁扣的φ299×22mm钢管进入预定位置，同时转动管内安装的螺旋钻具，将挤压在管内的泥土输送至管外，实现锁扣钢管边顶进、边出土。

盾构隧道拱部中间位置施工一个两侧对称的双母锁扣钢管，然后向两侧依次施工；相邻钢管通过公母锁扣互相扣接，即正在施工钢管的公锁扣沿上一根钢管的母锁扣槽进入，依靠上一根钢管的轨迹来控制当前施工钢管，调节施工钢管的角度与上一根角度基本吻合。

5.2 管排施工

采用专用钻机同时顶进两根或两根以上锁扣钢管，通过对两根或两根以上钢管的测量和纠偏控制，满足管棚工期、精度的更高要求。

管排施工的每根钢管内都安装与之相匹配的旋转动力轴、螺旋钻具及导向纠偏钻头，每根管切削的土体通过相应管内输排至管扣，基本原理与单根管棚出土方法相同。

管排专用钻机具备400tf以上的顶推力，采用全液压动力，钻具在管内出土的同时，管排施工顶推和出土同步进行。

通过多根钢管的相互扣接，最终形成连续、封闭的管棚，通过向管棚钢管内灌注C40混凝土，形成刚性的混凝土超前预支护结构,可内置钢筋龙骨架，见图4。

图4 管棚顶进效果

6 风险点控制措施

6.1 导向测量纠偏

6.1.1 导向测量方法

利用液体的水平特性和连通器原理，在管棚钢管端部安装开放式水管，通过外部补充液体(常用水)，使水管口保持匀速滴注，管棚钢管随施工作业顶进，倾角会发生微小变化，通过水管里水位的变化可直观读出即时钢管端部与入孔位置高度的变化量，施工中可根据水位变化量及幅度来进行钢管管头角度的纠偏控制[1]。

6.1.2 纠偏控制方法

管棚施工中的顶进和螺旋出土是同一过程；螺旋出土钻具前端安装楔形钻头，楔板回转半径略小于钢管内径，正常旋转钻进时推进钢管沿直线前进，某种原因导致钢管偏离预定轨迹时，需要进行纠偏作业[1]。

将钻头楔面调至已经偏斜的方向，钻机停止回转加力顶进，钻头由于斜面的作用会向相反的方向偏斜，以此调整钻进的方向，见图5。

图5 管棚施工向上纠偏示意图

6.2 加强注浆

为控制管棚施工时因输水管道周围泥土沉降引起输水管道沉降位移等，管棚顶进时在钢管上侧面附带1～2根通常注浆钢管，注浆管上布置多个注浆孔，见图6。注浆管与钢管基本同长，发生沉降时可通过注浆管快速准确进行补注浆，加固地层，控制沉降。

6.3 管内混凝土充填

为防止管棚变形，在管棚顶进完成后，将钢管内充填C40混凝土，管棚充填混凝土后效果见图7。待混凝土凝固28天以后，才允许进行盾构施工。

图7 管棚充填混凝土后效果

7 管棚特点和重点

7.1 管棚特点

7.1.1 支护效果好

锁扣管棚刚性支护，承载和抗折能力比一般支护方法安全、有效。 管棚管内可插入钢筋笼骨架，注入高强度混凝土增加刚性。

7.1.2 施工作业变形小

由于螺旋钻在钢管的保护下出土，出土量可通过调节顶进速度与螺旋钻转速调整，管前方土体扰动极小，甚至可以做到施工零沉降。

7.1.3 辅助措施多

针对管棚上方土体的性质，可以采取多种辅助措施进行加固、改良，例如可以通过管棚钢管上附带袖阀管，在土壤干燥时注入膨润土泥浆润滑钢管，在发现地面沉降时可以注入水泥砂浆减少沉降，有效对土体进行注浆加固。

7.1.4 施工距离长

由于采用大功率高压油泵，通过管内出土，可以一次性施工100m长度钢管，有效解决了大跨度、长距离施工难题。

7.1.5 施工精度高

管棚锁扣钢管可安装多种测量仪器，可以直观地对钢管顶进轨迹进行测量并采取措施修正，测量精度达到0.1%，施工控制精度达到0.5%。

7.1.6 施工直观可靠

由于采用钢管焊接顶进，长度可直接测量，接收井钢管出头，便于质量检查检测。

7.1.7 环保无噪声

顶管钻机采用电动全液压动力，施工过程中环保无噪声，不受城市夜间噪声限值限制，可24小时连续施工作业。

7.2 管棚施工控制重点

7.2.1 沉降位移监测

输水管道的沉降位移监测须及时预报该段输水管道结构发生的变形趋势，数据要准确连续，确保在线运行输水管道的运行安全，以便及时采取有效措施。

对输水管道的沉降位移监测要持续进行，从管棚工作井施工持续到管棚施工及地铁隧洞盾构完工。

7.2.2 沉降位移补救控制

为保证在线运行输水管道的运行安全，在发现管道沉降位移变化时，要及时进行有效的补救。如在管棚顶进时发现输水管道上浮，应增加出土量；如发现下沉应减少出土量，并通过注浆管注入水泥砂浆等措施补救。

7.2.3 导向管定位

首根管棚又称为导向管，导向管的定位与施工中是否偏移，是否顺利在接收井预留孔位出土等，直接决定后续管棚施工的成败。

7.2.4 纠偏

管棚顶进过程中，须准确测量单根管顶进位置是否偏斜，如发现偏斜时应及时有效地进行纠偏。

8 结 语

在沈阳十号地铁下穿大伙房水库输水工程大型输水管道防护工程中，通过将管棚支护结构优化为锁扣管棚支护结构，施工时采用专用钻机同时顶进两根锁扣钢管，加快了施工进度，提高了施工精度。通过将测量与纠偏控制相结合，保证了管棚入土位置与出土位置均在设计要求范围内。此外，在输水管道出现位移及沉降变化时及时注浆，使实际最大位移及沉降变化值为2.9mm，接近零沉降，远远小于设计要求的8.7mm。