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摘要：地下车行联络道位于淤泥、填石地层，下穿城市主干道，断面跨度大，暗挖段变形要求极高，采用跟管钻进大管棚施工工艺，详细介绍了大管棚设计和施工工艺，达到了预期支护效果，保证了整个工程施工的安全。
关键词：填海造地；暗挖施工；矩形断面；管棚支护；导向跟管
1 工程概况
某城市合作区地下车行联络道工程包含南、北两个环线，与南北主干道地下通道形成“中”字形布局，路线长度分别为1037.5m、558.5m。道路等级为城市支路，设计速度20km/h。
北联络道为单向2车道（1车道为通过性车辆服务，1车道为地块进出车辆服务），起点、终点接南北主干道地下通道预留口，①-②段与③-④段采用暗挖法下穿东西主干道，设计里程为AK0+058.285～AK0+121.802，AK0+480～AK0+616.757，总长约200米。其余段落位于地块范围内采用明挖法施工。工程内容包括竖井施工、暗挖段超前支护、开挖、初期支护、防水层及二衬结构。
隧道断面为单层矩形框架结构，断面变化较多，断面最大跨度16.55m，高6.9m，工程对变形要求极高，地面沉降控制标准30mm。暗挖衬砌采用复合式衬砌，超前支护采用8～42m长φ180加筋管棚及3.5m长φ42双层小导管，间距均为40cm；初支采用格栅钢架，间距50cm，并挂网喷砼。二衬采用钢筋混凝土。
隧道结构设计尺寸：顶板90cm，底板100cm，侧墙80cm，混凝土标号为C35。
2 地质情况描述
场地原始地貌为浅海，后经填海造地，现在为市政道路及待开发地块。根据地勘资料以及竖井开挖时揭示的地层情况显示，隧道顶板大部分处于填碎石①3、填块石①4层，洞身及底板均处在淤泥②1层。
填碎石①3、填块石①4：灰白、肉红色，主要由中等-微风化粗粒花岗岩碎石组成，碎石直径5~40cm，局部超过50cm，堆积松散~稍密，以粘性土及砾砂填充。该层结构性差异较大，力学性质不稳定，用作坑壁时，自稳性较差，易出现垮塌、掉块现象。
淤泥②1：灰色、青灰色，很湿，流塑，局部软塑，不均匀还有少量石英砂和动物贝壳。该层在场地范围内广泛分布，触变性较高，压缩性高，自稳性能差，承载力较低，强度增长缓慢，力学性质较差。根据室内试验：天然含水率W=51.2~68.8%，平均值60.3%，天然密度ρ=1.55~1.66g/cm3，平均值1.60g/cm3，孔隙比e=1.53~1.95，平均值1.71，塑性指数IP=13.6~21.6，平均值18.89，液性指数IL=1.67~2.67，平均值1.68，凝聚力C=8.60~13.3kPa，平均值10.22 kPa，摩擦角φ=1.9~5.4°，平均值3.13°，压缩模量Es1-2=1.63~2.51MPa，平均值2.03 MPa，压缩系数a1-2=1.01~1.75MPa-1，平均值1.37MPa-1。根据详勘钻孔ZK15现场十字板剪切试验数据，该土层原状土不排水抗剪强度Cu=22.8~32.4KPa，重塑土不排水抗剪强度Cu’=7.6~9.8KPa，灵敏度St=3.0~3.4，属中灵敏性土。
3 超前大管棚设计参数及施工方案选择
3.1设计参数
1、钢管规格：热轧无缝钢壁厚10mm的热轧无缝钢尖管，钢管前端成锥状，在尾部焊接?10加劲箍。管棚主要节长为4m、2m。
2、钢管轴线外插角1°～3°。
3、钢管施工误差：径向不大于200mm，沿相邻钢管方向不大于100mm。
4、为使钻孔定位准确，应设置导向墙，导向墙中预埋?203，壁厚5mm，长2m管棚导向管。
5、钢管接头采用丝扣连接，丝扣螺纹段长大于150mm。相邻两根钢花管的接头要错开，其错接长度不小于1.0m。钢花管上钻注浆孔，孔径?10mm，孔间距150mm，呈梅花型布置。钢花管尾部（空口段）2.0m不钻花孔作为止浆段。
6、管棚导向墙内设3榀钢架，钢架参照钢架布置图进行加工。钢架脚焊接250*250*10mm钢板，钢架间以 22纵向筋焊接连接，环向间距0.5m，孔口管与钢架焊接为整体。16固定钢筋与孔口管、钢架采用双面焊接，焊缝长度不小于5d。导向墙与^1.2m围护桩之间采用植筋连接。
7、导向墙施作时不得随意切坡，只有待管棚施做完后，才能扩挖。在管棚施工过程中必须保持导向墙的稳定，不偏移不沉降。导墙基础必须置于足够承载力的土层上，承载力应不小于180Kpa，承载力不足时需做相应处理。
8、管棚搭接长度不小于4m。
9、大管棚注浆：
（1）灌注浆液：水泥浆液
（2）425号普通硅酸盐水泥，水灰比1：0.75～1：1，注浆压力：初始压力0.5～1.0MPa，终止压力1.0～1.5MPa。注浆前应进行现场注浆试验，根据实际情况调整注浆参数，取得管棚注浆施工经验。
（3）完成大管棚及注浆施工后，在管棚支护的保护下，按设计的方法开挖各部，开挖后立即喷射混凝土、挂网、立钢架、再喷射混凝土至设计厚度。
3.2 施工方案选择
暗挖段大管棚采用跟管钻进施工工艺，管径180mm，壁厚10mm，管棚最大施工长度为42m，并且管棚施工需要穿越的主要地质为填石层，竖井内净空尺寸小，对施工角度要求高等因素，综合考虑安全、工期、成本、施工精度等因素，决定采用带有导向装置的定向水平钻机一次性施作大管棚。
4 超前大管棚施工
4.1大管棚总平面布置
北联络道暗挖段包含竖井在内共有7个管棚工作室，管棚分9组施打，总长度约18544m。4个竖井开挖完成后分别施作第1组、第2组、第5组和第8组管棚；1#风道开挖完成后，向西侧施打第3组管棚；1#管棚工作室施工完成后向西侧施打第4组管棚（侧墙管棚），第4组管棚施打完成后方可进行1#竖井至1#管棚工作室之间隧道开挖施工；2#风道开挖完成向东侧施打第6组管棚；2#管棚工作室施工完成后施打第7组管棚；3#工作室施工完成后施打第9组管棚。管棚平面布置总图见图6、7。
4.2 施工准备
1、熟悉设计文件及相关验收标准及规范。
2、施工前提前备足施工用材料，需进行加工的材料及时加工。
3、测量组准确放样导向墙及洞口管棚具体位置。
4、洞口开挖预留大管棚施作台阶：开挖至拱顶最高处管棚位置下150cm处留平台，开挖至大管棚施工最低点下150cm处停止。预留梯形作业平台，既利于稳定掌子面，又方便施作大管棚作业台架。
5、编制好技术交底，组织相关人员进行施工前培训。
4.3导向墙施工
4.3.1设计形式
为使钻孔定位准确，设置导向墙，导向墙中预埋Φ203* mm，长度2m的管棚导向管，管棚内设榀钢架，钢架脚焊接250*250*10钢板，钢架间以Φ22纵向钢筋焊接连接，环向间距0.5m，孔口与钢架焊接成整体，Φ16钢筋与孔口管、钢架采用双面焊接，焊缝长度不小于5d。导向墙与围护桩间采用植筋连接。
4.3.2 导向墙施工
1、马头门处导向墙分次施工方法
由于200型引进式管棚机最大施工高度为5.5m，隧道顶部管棚距隧道底距离8m左右，因此隧道进洞管棚需分两次施工，导墙墙可按照钢架上下分节的高度分两次制作。
图12 格栅（钢）拱架施工工艺流程图
（2）钢架加工及安装技术要求
管棚导向墙内密排3榀钢架，钢架采用I28a工字钢，钢架脚焊接320×250×10mm连接钢板，连接钢板使用M30×60螺栓连接。钢架间以Φ22纵向筋焊接连接，环向间距50cm，孔口管与钢架焊接为整体，采用Φ16固定钢筋与孔口管、钢架双面焊焊接，焊缝长度不小于5d。钢架拼装时，钢架周边轮廓拼装偏差不大于±30mm；各单元间螺栓孔眼中心间距公差不超过±0.5mm；钢架平放时平面翘曲小于±20mm。
钢架加工制做时，构件的连接是关键性工艺，应严格按有关规范规定执行，确保各类焊缝的质量。加工过程应注意以下要求：
①在加工过程中须严格按设计要求标准化制作，做好样台、放线、复核和试拼，并作上号码标记，确保制作精度。
②钢架由现场制作加工，所有钢架加工时均焊接连接板，以便于钢架连接牢固。
③构件的连接是钢架加工制作的关键工艺，应严格按有关规范规定执行，确保各类焊缝的质量。
④钢架加工后应试拼，其允许误差满足规范要求，经首件验收合格后，方可投入使用。
5、导向管安装
钢架安装完成后，沿钢架设置管棚Φ203*5mm导向管，导向管中心与管棚中心一致，导向管长度为2m。
6、模板安装加固
模板采用定型钢模板，模板要打磨光滑，清理干净，支模前要刷脱模剂，封闭前应清除杂物，拆模后应及时进行清理和检查，如有损坏就及时修理。模板拼缝应紧密、无错台，模板底部与地面接触部位抹砂浆密封，防止漏浆。模板加固采用钢管支架，模板外侧增加斜撑。
7、混凝土浇筑及养护
混凝土分层浇筑，分层厚度不大于30cm，每层浇筑完成及时进行振捣，并在下层混凝土初凝前进行上层混凝土浇筑。混凝土浇筑完成后及时进行洒水养护，保持混凝土处于湿润状态。
4.5大管棚施工
4.5.1施工工艺流程
三通一平→人员设备进场→铺设"H"钢轨道→设备组装调试→埋设孔口管→调试钻机（方位、倾角）→钻具组装进孔→冲洗液循环→钻进→回次加尺（接线、接口补焊）→孔斜测量→钻进→直至设计深度终孔→管内及环状间隙注浆→移至下一孔位。
4.5.2设备选型
适合较小空间管棚施工钻机生产制造商国外有三家：德国（宝峨）、意大利（土力、卡萨格兰地），国内有两家：四川钻神，前山机械。一共五家。
经比选后选择前山机械LD-100-3机型。该机型动力、扭矩及钻机大臂自由旋转度均满足42m长φ180大管棚施工要求。同时大臂尺寸为6.6m亦可满足竖井内空结构要求。
4.5.3设备组装与钻机设备安装
1、设备组装前的准备工作
①设备检查。检查是否有缺件及好坏程度；电机、钻机、泵等测试，运转是否正常，所有部件是否完好；液压系统是否通畅，密封完好度，液压油泄漏状况；
②检查所有焊接部位是否有开焊，有则补焊；
③各种部件是否有变形，有则进行校正。
2、钻机设备安装
①钢垫板规格=长×宽=250×250mm；膨胀螺栓直径=φ16mm；钢垫板与基础固定要牢，强度要高；
②H型钢轨找平误差<3mm；
③底盘对角线找方误差±3mm；
④斜拉筋需绷紧，交叉拉力基本相等；
⑤四柱对角误差±5mm；
⑥升降系统：卡瓦等上紧，加强整体性；
⑦所有螺母必须拧紧，发现溢扣者必须换掉；
⑧丝杠、顶杠要顶紧、有效，安装要牢固，确保不因震动而松动或脱落。
3、调试钻机（方位、倾角）
①钻机入孔的方位角及倾角，必须在测量组提供的可靠的测量数据上进行；
②孔位确实需移动时，须设计与监理同意，并且计算回归角度；
③计算倾角时应将隧道坡度考虑在内，钢管打设时原则上不允许向内偏斜。
4、冲洗液流通系统
①冲洗液具体配比由专业泥浆工程师根据具体地层情况确定。泥浆需经充分搅拌，均匀配制而
成。配制时，必须严格执行配比；
②冲冼液必须先配制好后使用，严禁使用中同时加清水、加料；
③冲洗液流通系统：冲洗液制备→储浆池→泥浆泵→送水器→钻具→管外环状间隙→孔口回水
阀门→高吊管→回浆管（沟）。钻进过程中必须保持上述各流通环节的畅通；
④在施工过程中，应根据不同地层，合理调节泵压、泵量，以免因冲洗液不足引起通道堵塞或因过大导致过量泥沙外排，一般取中低压、中小水量。
4.5.4成孔钻进
①钻进前对钻机定位情况、方位、倾角情况，孔口管对中情况，冲洗液流通情况进行全面复检，确认正常后进行试钻；
②钻进前须先开泵，待冲洗液流通正常后，方可钻进；
③钻进时，泥浆泵压应控制在0.6-1.0MPa，泵量为10-30L/min为宜。保持中低压力，匀速中速钻进；
④为防止水土流失，控制沉降，必要时需采用孔内保压措施。要始终保持回水量小于或等于进水量；
⑤随着管棚不断钻进，必须时刻观察钻杆倾角变化情况，角度偏差大于2°时，应及时纠偏。当纠偏无效、偏差大于2°时，应停止钻进，及时报工程部技术人员，研究对策后再施工。现场须及时进行导向数据记录和钻具前端长度及每次加管长度详细记录；
⑥钻孔出现涌水时，应尽量保持泵压，泵量不能变小，以平衡孔内压力；
⑦冲洗液不正常时，严禁继续钻进。泵工应注意观察冲洗液变化情况，及时进行调整；
⑧钻杆钻进至管棚一半和终孔时，分别进行一次钻杆倾角量测，发现超限，及时补救。并将数据记录详细。
4.5.6终孔注浆
①单孔打设完成后要组织验收，验收合格后，通过管内压注水泥浆，对管内及管外环状间隙进行充填，待水泥浆初凝后进行二次注浆，注浆压力为0.6-0.8MP；
注浆材料：水泥P.O42.5，膨润土
注浆压力：0.6-1.0MP；
配比（质量比）：水：水泥：膨润土（1：1：0.2）
②注浆完成后再次组织验收，合格后再转入下一孔位施工。
4.5.7施工注意事项及解决办法
可能出现情况：
①打孔过程中可能出现局部的回填土和空隙导致塌孔；
②管棚深度长，钻进时有可能会大量出水、流砂；
③施工场地小、钻机支架固定困难；
④钻孔过程中被管线挡住，管棚无法前进。
解决方法
①根据实际需要将钻头的倾角上调一般0.1o左右，待孔打设完毕后进行注浆；
②利用泥浆护壁循环钻进（沙层可加泥浆作为润滑剂减小摩擦力）；在孔口安装法兰，控制出浆以保持孔内压力，并在孔打设完毕后立即进行注浆，防止沉降；
③在平台上铺“工”字钢轨道，钻机支架安在轨道上，利用油缸，可以自由升降和水平移动，支架和钻机用钢管与钢筋相焊接保证稳定性；
④提前检查有无管线，碰到管线需要绕开管线或调整位置重新钻眼。
5 施工效果及评价
通过后续区间暗挖隧道开挖后观察，施工后管棚形成的轮廓规则，管棚排列较整齐，形成一个完整的超前支护环，拱顶破碎岩体得以胶结；围岩整体性、稳定性大大加强，隧道开挖后地表、拱顶沉降均较小，均在允许范围内。
6 结语
实践证明，在管棚施工过程中，特别是在穿越填石层的隧道内施工时，钻机的选择尤其重要，采用一次成孔跟进安管施作42m超前大管棚，显著提高了施工效率，减少了暗挖施工的工序转换，在质量和进度方面能满足施工的需要，可以在工作空间受限制的情况下施工，对加固土体提高地层刚度效果明显，能有效地降低暗挖施工的风险。
论文作者:牛宏荣
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第16期
论文发表时间:2018/10/25
标签：钢架论文; 导向论文; 钻机论文; 注浆论文; 倾角论文; 平均值论文; 竖井论文; 《建筑学研究前沿》2018年第16期论文;