锁扣管幕在隧道超前支护中的应用研究

锁扣管幕在隧道超前支护中的应用研究

费发樱

中国水利水电第四工程局有限公司  青海 西宁 810000

摘  要：管幕法是地下工程施工时超前支护的一种特殊手段，作为穿越道路、铁路、结构物、隧道不良地质段等的非开挖技术, 应用在国内外很多下穿地面建筑的地下工程中取得了较好的效果，本文结合工程实例着重阐述、分析管幕施工关键技术、施工重难点等，以期对同类项目施工提供一定的参考服务。

关键词：锁扣管幕  隧道超前支护 应用研究

1概述

作为一种独特、安全可靠的隧道支护工法，管幕法是利用较大直径的钢管在地层中以一定形状排布并相互锁合预先形成钢管帷幕，然后在此钢管帷幕的保护下进行安全掘进，从而形成大断面隧道。管幕施工以定位钢管铺设为基础，多根钢管逐根平行顶进并依靠特制锁扣连续锁合，并列密排在隧道周围形成稳定的支护结构，管幕结构纵向成梁、横向成拱，为开挖作业提供了可靠的保护。对于地质情况复杂，断面较大，易发生冒顶、塌方，地面沉降要求高，以及浅埋暗挖的隧道工程，锁扣式管幕是优先选择的超前支护方案。如果在锁扣处通过预设的灌浆管注入止水浆液,即可形成密封的止水管幕。在管幕体系的保护下,可以采用台阶法、环形开挖预留核心土法、CD法、CRD法、双侧壁导坑法等方法，以一定的安全进尺进行隧道掘进，边开挖边支护,直至管幕段开挖贯通,再进行后序施工。管幕有多种形状,如弧型、圆型、门字型、口字型等。本文研究对象是一种弧形管幕。

本文研究所选代表工程为一铁路隧道，进口段位于河流峡谷区，下穿沿河高速公路，且该段洞身浅埋，洞身通过岩土层主要有第四系人工填土、细角砾土、粉质粘土、粗圆砾土、漂（卵）石土等，下伏基岩为板岩夹砂岩，而超前管幕就分布于顶覆人工填土层～粉质粘土层中[1]。进口段作为隧道进口工区的施工通道，工期要求紧，施工条件差，施工难度极大。因此管幕能否按预定目标实施，决定着进口工作面能否顺利打开，成为制约进口工区施工的一项关键工作。

2 管幕施工

2.1 管幕设计参数

管幕采用φ299热轧无缝钢管，Q235-A钢材,δ=10mm，L=70m通长设置，纵向坡度与隧道纵坡一致，沿隧道拱部140°范围内呈环形布设，环向中心管距35cm，一环共60根；锁扣为6.3/4不等边角钢，δ=6mm；Q235-A钢材。管内灌注C20细石混凝土；锁扣间注水泥浆。管幕横断面布置见图1，钢管及锁扣见图2。

图1  管幕横断面布置图                  图2  钢管及锁扣示意图

2.2 施工工艺及配套设备选择

工艺：管幕采用“螺旋出土导向顶管法”施工,出土和顶管同时进行。钢管顶进时，前端钻头同步旋转切削土体，由螺旋钻杆排出钻渣，整个顶进过程无需注水注浆，且排土量稳定、适中，从而大大降低地面沉降风险，甚至可达到无沉降，因此顶进过程不影响地面交通，地下管线无需改移，对管周土体挠动很小，整个施工过程无振动，无噪音，不扰民。

设备：选用φ299导向螺旋顶管钻机，是非开挖设备中的一种机械产品，其施工工艺简单，导向精准度高，水平直线度可控制在±25mm之内。水平轴线采用目前最先进的激光制导工艺，可保证轴线直线度。

2.3 管幕工作坑、反力墙和导向墙施作

为确保施工安全，首先对洞脸部位进行削坡和支护，再在隧洞明暗分界处朝洞内方向施作管幕工作坑，由于隧洞断面大，管幕施作高度大，因此分上、下台阶施工，以减小临建工程量和工作高度，同时便于设备安装和操作。工作坑开挖充分利用原状地层作后背墙和导向墙的基础。承载力不足的部位可以进行碾压或采用注浆进行补强加固。工作坑在适当位置预留进入工作面的便道。工作坑前后两个立面开挖成垂直面，分别作为导向墙和后背墙的基础；左右两侧开挖面成1:0.5坡度，表面喷混凝土防护，并分层设排水孔，以保证施工期安全稳定。

管幕施作总高度6.08m，工作坑上层台阶开挖约3m后浇筑第一层后背墙，后背墙长14m，高3.5m，墙厚80cm，采用钢筋混凝土制作形成，待混凝土达到设计强度后，施作上层管幕共36根。下台阶管幕施工时，后背墙位于左右两侧第二台阶工作坑，墙高3.8m，各长8m，墙厚80cm，混凝土达到设计强度后施作两侧各12根，共24根管幕。

导向墙采用环形钢筋混凝土结构，现场按管幕轴线放样，高度80cm,厚度50cm。在隧洞进口掌子面开挖环形槽浇筑成形。导向墙尽量结合洞门永久结构和洞脸防护结构进行布置。

2.4 钢管加工及焊接[2]

管幕钢管经过进场检验后，在后方加工厂组合加工而成，带互锁公、母扣。锁扣与钢管采用双面焊,满足《钢结构焊接规范》的相关要求。锁扣的焊接精度控制在2mm以内,且累计误差不超过5mm。

管节焊接坡口全部采用外坡口，坡口在加工厂预先加工完成。焊接选用二氧化碳气体保护焊机及低氢型直径1.6mm药芯焊丝。对管及管节焊接时间控制在3h之内。钢管管节对接在导轨上进行，焊接小组应对焊口表面用磨光机打磨干净，不得有锈蚀、油渍及其它污渍,坡口及焊口内外清理范围不小于10mm。钢管焊接时，对口使用专用的管道对口钳，管道错边通过调整对口钳上的液压千斤顶和螺旋丝杠进行修正，保证钢管连接精度。严禁强力组对焊口，严禁用锤击等办法对口，更不允许用火焰烤等热膨胀法对口。当焊口的局部间隙过大时,应设法修整到规定的尺寸，严禁在间隙内加填塞物。

2.5 可升降钻孔平台搭建

钻孔平台基础采用混凝土现浇，平台采用型钢加工制作，因每个孔位作业高度各不相同，所以钻孔平台高度要具有可调性，根据管幕钢管具体孔位进行调整。钻机与导向墙之间铺设滑动轨道。平台稳定性要经过验算，防止在钢管顶进过程中发生偏移或失稳。升降平台由平台底座、立柱、主体钢架、手动葫芦等组成。平台底座采用I30工字钢双拼成框梁并与立柱以螺栓连接成整体。立柱采用I22工字钢双拼加工而成，平台两侧各设置四道立柱共8根，间距2.2m,两侧立柱间用［18槽钢做系杆，螺栓连接，1.5m设置一道。平台则采用I25工字钢双拼成框梁，钢梁上面满铺马道板，附配件有连接钢板、横梁挂钩、吊环等。通过手动葫芦和卡扣实现钻孔平台的升降及固定。平台四周安装标准临边护栏，上下楼梯均设置扶手。

2.6 管幕设备安装调试

本工程锁扣管幕采用的是螺旋出土套管跟进工艺进行施工。作为专用设备的导向螺旋顶管钻机进场后先在场外安装调试并验收合格后方可在工作平台进行安装。管幕设备采用水平仪测量定位，保持平衡稳固。安装后检查主顶设备轴线是否与顶进目标管轴线一致，根据管线设计高程及坡度，在主顶设备尾端安装激光指向仪。激光红外线应与顶管机测量靶中心重合，如发现误差应立即按设计要求调整，设备定位后再进行电路、油路、注浆系统的安装调试。主机通电、连接显示器后，将仪器垂直角度调到90度，打开激光指向，左右、上下调节升降台手柄，找准靶标，调整导向钻杆靶标位置与后方成像仪器中心轴重合，即显示器上十字与靶标中心光点重合，调节仪器上的调校旋钮，使显示的图像最清晰。将坡度转换成对应的角度值，再进行后续施工。

2.7 顶进施工

管幕位置按设计要求在导向墙上进行准确放样，在每个孔位上方标注孔号，放样完成后，安装顶管设备就位。管幕顶管前先根据测量标定的孔位在导向墙上开孔，采用水钻钻孔机开孔，因管幕为φ299钢管，所以开孔孔径采用φ400mm孔，两侧锁扣位置开300m孔。将拱顶中部也就是管幕中心管作为基准定位管，从定位管开始依次向两侧顺序开孔，依次顶进。

定位管的精度将直接影响整个管幕的施工精度，所以要精准施工。定位管完成后，采用锁扣的导轨效应高精度、高效地牵导管幕后续孔位钢管的顶进。每根钢管的两侧均焊接有提供下一孔位钢管滑行的导轨即锁扣，管幕钢管之间通过公母锁扣相互嵌套锁合，后续孔位钢管与相邻钢管的锁扣咬合作用在顶进时起到导向的作用，在管与管横向扣接形成管幕后，又可以使整个管幕纵向成梁、横向成拱，无需附加其它支撑件，这就是锁扣的两大重要作用。

导向定位钻进时，先采用带有纠偏钻头的导向钻杆沿设计孔线向目标孔位钻进，角度偏差符合设计要求，在导向钻进的过程中随时观察，轨迹线按显示屏上的激光点调整，以确保每一根钻杆的精度达到要求。若导向轨迹出现偏差时，旋转导向钻头方向准确地进行纠偏。

管幕钻机顶进第一根定位钢管时，主要依靠的是以导向钻杆作为水平轴线引导钢管顶进，管幕钢管作为套管,内部安装带有专门钻头的螺旋钻杆，管幕钻机提供螺旋钻杆的旋转动力和套管的顶推力，螺旋钻杆向钻头传递钻压和扭矩切削土层，进行导向孔施工，完成一个循环的导向孔后，跟进螺旋钻杆及第一节钢管，同时转动管内螺旋叶片出土器，将钻渣由管内排至孔外，边顶进、边切削、边出渣，顶管钻机液压油缸推动焊接好的钢管，将其逐段顶入土体。顶进过程中在管排锁扣处及时涂抹滑润液，起到减阻的作用。每节锁扣钢管顶进到位后需要接下一节，钢管连接采用现场对焊。后序各孔位管幕钢管自中部向两侧依次逐根顶进，直到上台阶对应部位孔管全部完成，然后设备转场至下台阶工作面进行施工。

钢管顶进时要及时出土但不能超量出土,避免出土量不足或太多导致地层的隆起和沉降。施工过程中必须精确测量钢管的偏斜并进行实时纠偏，最大偏斜要控制在10mm以内。在精确放线放点的基础上每根钢管在下管前要准确进行测量定位并予以复核,特别是在25米时要进行一次例行复核。在施作管幕预支护的过程中应根据监测反馈信息及时采取相应的措施以保证施工安全和施工质量。顶进中需要重视导向钻头（扁钻）的纠偏控制方法，采用这种钻头的纠偏速度很快，角度偏差在±0.2%以内时进行纠偏作业只需要1～2m距离即可调整过来，而在偏差±0.5%以内时仅需要2～5m纠偏距离。虽然利用扁钻头纠偏比较容易，但是施工中需要注意，当角度稳定变化后，只能短距离缓慢纠偏，防止钢管过快扭转成为反向偏斜的趋势，一旦纠偏过度，后续的施工作业非常困难，而且钢管轨迹成波浪形，导致顶力急剧增加，最终将无法完成施工。

2.8 钢管充填及锁扣注浆

管幕钢管顶进完成后，在钢管端口焊接封板封堵管口，一侧设灌注孔，另一侧设透气孔，管内灌注C20细石混凝土,并利用端头2m管幕设置回浆孔,对管间锁扣进行充填注浆以达到止水要求，浆液水灰比1:1，注浆压力初压1.0MPa，终压2.0MPa，持压15min后停止注浆。通过管内混凝土充灌和锁扣空隙注浆，可以有效地提高支护体系的刚度及防水性能，有利于后期洞内开挖作业。

3 施工重难点总结分析

在进行隧道进口下穿高速公路段施工期间,怎样掌控长管幕的施工精度与地表沉降变形,是管幕施工中需要面对的两项技术难题，基于此,本文有针对性地对下穿公路段隧道管幕施工技术相关内容进行总结、分析。

3.1 管幕精度的控制

管幕精度控制主要依赖于科学先进的导向仪器。激光导向仪在顶进过程中实时监测导向钻头（带斜面的偏心合金钻头）的方向、目标中轴线的偏差，通过红外线激光源传输给显示屏，可观察到导向钻头的方向偏差。导向目标位置由光学靶标提供，靶标内置于钻头内室的轴线上，通过视频测量系统观测靶标动态方向，测量系统上安装的CCD摄相机将靶标上的激光源图片传送到显示屏上，操作员经过观察可便捷调整导向钻头的方向，通过液压动力转动导向杆来进行调校纠偏，一旦得到修正则立刻停止导向杆转动，以防修正过度。当顶进轴线偏离设计轴线时，导向钻头可上下左右进行方向调整，从而可以及时修正中心轴线偏差。显示屏也可以实时观测中心轴线的动态，确保按预设的轨迹顶进。

钻头调整是在钻头内部安装有无线探棒，通过导向接收仪及机台显示屏观测钻头的深度、左右偏差、倾角和工具角，根据监测钻头在钻进过程中的位置和方向与设计轨迹的差异，利用楔型钻头来改变钻头的钻进方向。钻进角度如偏下，可以把钻头调到导向板朝下状态，直接顶进，此时由于导向板底板斜面面积大，受到一个向上的力，钻头轨迹就会朝上运动。同理导向板朝上纠偏可以使钻头轨迹朝下，左、右纠偏原理相同。如果角度合适，钻机会匀速旋转钻进，此时钻杆轨迹是平直的，所以导向钻头是纠偏的关键。

3.2 地表沉降变形的控制

控制地表的沉降,最主要的是提高管幕施工精度及尽可能缩小隧道衬砌结构与管幕间的结构空间。

首先，螺旋出土套管跟进工艺在一定程度上可以避免地层的变形。钢管顶进过程中，因土体切削导致水平应力减小，另一方面土体因为顶推力而使水平应力增加，因此通过调节顶进速度、出土量及螺旋钻杆的旋转速度，可使土体的应力变化基本维持在平稳状态，使土体扰动降到最低。

另一方面对沉降变形的控制主要以管内充填混凝土和锁扣空隙注浆增加管幕刚度和止水效果,避免上部土体变形，以及施工现场实时监测等多手段协同达成。地表沉降采用埋设表面测标进行观测，同时注意观察地表有无开裂、局部坍陷、鼓起等其它异常变形情况。

在隧道开挖完成，断面按设计要求进行二次衬砌施工时，要严格控制混凝土浇筑质量，尽可能减小顶部脱空，对于因施工工艺造成的脱空或因混凝土干缩造成的空隙，应在拆模后及时通过回填灌浆等手段充填密实，以减小由此可能造成的地表沉降。

施工期间应遵守隧道施工技术安全规则和钻孔注浆作业操作规则。管幕施工地段,应根据《铁路隧道监控量测技术规程》有关规定,加强监控量测,以保证施工安全。

4 结束语

“螺旋出土导向顶管法”施工隧道管幕的技术适用范围较广，从国内外已有的工程实例来看,管幕工法适用于回填土、砂土、黏土、软岩层等多种地层,具有广阔的应用前景。本文结合工程实例对工法所涉及的工序、专用设备、工艺技术以及重难点问题的阐述和总结分析对类似工程的施工可以提供参考和借鉴。

参考文献

[1] 李民，龚启昌，龚宇煦.管幕法施工的岩土工程问题探讨[J].市政技术,2012，30(4):72-76.

[2] 张小红.软土地区管幕暗挖施工之钢管顶进工法解析[J].城市道桥与防洪,2020(5):219-221.

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