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隧道下穿既有铁路管幕施工技术
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内容提示：110m长的管幕下穿铁路施工在国内尚属首次，如何控制长管幕施工精度及控制地表沉降是施工中的两个关键性技术难题，结合厦门市高崎互通连接线下穿鹰厦铁路隧道长管幕施工工程实例，对该问题进行了深入分析
摘 要：110m长的管幕下穿铁路施工在国内尚属首次，如何控制长管幕施工精度及控制地表沉降是施工中的两个关键性技术难题，结合厦门市高崎互通连接线下穿鹰厦铁路隧道长管幕施工工程实例，对该问题进行了深入分析探讨，其中精度控制主要依靠较先进的导向仪器；沉降控制则主要通过出土量、及时对管内管外进行回填注浆以及现场同步施工监测等综合措施来实现，研究成果对国内外同类工程的施工具有重要的指导意义。
关键词：下穿铁路；长管幕；施工；技术
1 工程概况
厦门市高崎互通连接线同既有鹰厦铁路杏林大桥成小角度斜交，互通连接线采用下穿隧道方式通过，隧道分左右两线，其中左线78m，右线110m。隧道通过地段地表为第四系全新统人工填筑土，结构松散、厚度4m左右，其下为第四系全新统长乐组海相沉积层，第四系更新统龙海组冲、洪积层以及燕山期花岗岩。隧道场区内地表水主要为海水，临近厦门西海域有大片养殖池，其水位受潮汐影响：地下水不发育，主要受大气降水补给，地下水位受季节性控制明显。
隧道拱顶距地表的最小深度仅为2.5m，因此隧道施工不可避免的会对周边地层以及上部立交桥产生一定的影响。为了隧道施工安全并确保隧道开挖过程中上部的铁路安全，隧道施工过程中进行了超前支护，超前支护采用管幕支护，其长度达110m。
2 管幕施工工艺流程及技术要求
2.1 管幕施工方法及工艺流程
管幕法施工即在隧道的开挖线外侧，按400mm间距，沿隧道轴线方向将φ299×12mm的钢钢管水平铺设在土体里，钢管之间采用锁扣连接，并在φ299钢管连接处打入φ60钢花管，通过φ60钢花管对土体进行注浆加固并使φ299钢管成为一个整体。
根据本工程的具体地质情况及工程特点，采用“前拉后夯”施工方法进行夯管施工，即首先利用水平导向钻机打设φ127的水平孔。根据水平孔的精度，分析是否进行扩孔作业，然后采用前拉后夯的方法：在前部用拉管钻机通过钻杆及连接头拉住φ299钢管，将φ299钢管拉入设计位置。在拉入过程中，如果出现回填卡钻现象时，局部用夯锤夯击通过。具体施工方法是：采用φ127钻杆在上部中间位置打设一个导向孔，要求此类导向孔的导向精度控制在20cm以内。导向孔完成后，根据具体地层情况判断是否进行扩孔作业，并提高钻孔精度。扩孔作业要采用挤扩的方法，不能采用通常水循环大扩孔方法，防止引起地层扰动，导致地面沉降。扩孔完成后采用前拉后夯法，将φ299钢管拉入，C型钢取消，在拉入时，可能会遇到回填及不均匀的硬地层引起卡钻现象，局部用夯锤夯法，在钢管后部施以夯力使钢管顺利通过，直至将钢管拉出对面掌子面。然后进行第二根施工，以上钢管铺设完成后，在两根钢管之间进行注浆加固，直至全部钢管铺设完成。φ299钢管全部布设完成后，采用φ20mm钢筋上下两排焊接将两端的管头连接起来，使端头部位形成一个整体。
管幕法施工工艺流程可总结如下：
施工准备→测量放线→设备安装→有线导向钻进→扩孔拉管→单孔下管完成→管内注浆→管外注浆→下一根钢管施工(下一循环)……全部完成后对钢管端头进行连接形成一整体。
2.2 管幕施工技术要求
2.2.1 打设时必须控制地表沉降，终孔跟踪注浆，注浆必须保证管内外间隙注满填充实，在打设时必须按照设计要求进行施作；
2.2.2 施工中先施作导向孔，再进行扩孔拉管，最后进行管内、管外注浆：
2.2.3 管外注浆不能对导向及扩孔产生影响，因此要错开时间和空间位置。
2.3 管幕施工技术难点
2.3.1 管幕施工中要求导向孔偏差不能大干25cm，拉管偏差不能大干15cm，本工程导向距离长，且地层条件复杂，极不均勻，导向孔打设及其精度控制难度大；
2.3.2 管幕离地表距离仅为3m，处于特殊地段，管幕打设过程中对地面沉降的控制难度大。
3 管幕施了管位精度控制技术
3.1 定向钻进施工工作原理
定向钻进方法是非开挖管线施工的一种方法。该方法要求在钻进过程中能准确测定钻头在地下的位置和方向。根据钻头在钻进过程中的位置和方向同设计轨迹的差异，利用能调节方向的钻头(一般为楔型钻头)改变钻头的钻进方向，从而完成铺设工作。钻头钻进示意如图1所示。
钻头内装有特制的传感器，传感器由信号线连接显示屏。显示屏显示钻头的倾角和面向角(导向板的方向：导向板朝上即为12点，如同钟面)。打设角度如偏下，可以把钻头调到12点，即导向板朝上，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。同理在6点纠偏可以使钻头轨迹朝下，9点、3点分别是为左、右纠偏方向。如果角度合适，钻机会匀速旋转钻进，此时钻杆轨迹一般是平直的，所以导向钻头是上下纠偏的关键。
导向钻进中，导向管是随钻打入的，导向管就是护壁管，起到套管护壁作用。
3.2 钻具要求
钻孔采用水平钻机完成。水平钻机设有轨道，能平移、升降钻机平台。全液压水平钻机回拖力50t，扭矩23000Nm，打设最大导向孔φ325mm,一次性最大扩孔直径在此类地层中可达400mm，打设时采用泥浆护壁，一次性成孔，然后前面用拉管机通过钻杆拉动扩孔头扩孔，并由万向节同φ299钢管连接保证方向，并拉动钢管，将钢管拉入，如遇障碍物不能拉动时，后面用夯管锤锤击，直至设计深度。
钻杆为φ159mm×5钢管，两端为φ159mm×12mm接手，加工成每根6m，钻头为楔型钻头，斜板加安硬质圆柱合金，可破除一般回填砖石。φ299管幕钢管采用厚度为10mm无缝钢管，钢管之间加内接管箍，管箍长400mm，采用直接对焊连接。
3.3 水平定向钻进控制技术
水平定向钻进能长距离打设，而且能保证质量，因为打设采用楔掌斜板钻头，钻头后面200mm处装有有线或无线导向探棒，操作台上有显示屏，如有偏斜随时可以调整角度，终孔偏差可以控制在25cm以内，能够达到设计要求。
3.3.1 利用φ159的钢管作钻杆，使用回旋钻进，并利用有线和无线两种导向方法，严格控制导向精度。利用高精度有线导向仪及管内光学测量系统能控制精度为3%，利用无线导向仪器在地表进行测量定位，能控制偏差在20cm以内。导向孔偏差如大于20cm，可以采用扩孔方法将孔径扩大到φ250-φ300再利用前拉后夯法下管。拉入时φ299钢管的管头是敞口的，并且钻 杆同φ299连接处不在φ299钢管的中心位置以部分调节导向孔打设后形成的偏差；
3.3.2 严格控制钻进速度，采用低速钻进。必要时用拉管机将钻管拉回注浆，待固结后重打，要24h观察地面情况，发现问题立即处理：
3.3.3 水平定向钻进时，每打设一根钻杆可以检测1～2次是否偏斜，如有偏斜立即校正；
3.3.4 如果出现回填物使钻杆不按预设路径钻进，可反复旋转进退，将回填物破除。如仍不能清除，可撤回钻杆，用气动潜孔锤清除，然后继续钻进。
4 管幕施了地表及大桥沉降控制技术
4.1 出土量控制技术
为避免引起地面沉降，要保证实际出土不能大于理论出土值，要尽量减少对地层的扰动。因此扩孔直径不能大于299mm，控制出土量；导向孔打设位置要距已铺管幕或已有导向孔1m以上，不能在已拢动的位置继续钻孔；要控制水量，尽量减少夯击时间，减少对地层的扰动。
4.2 注浆施工控制技术
为了避免相临管幕施作后引起地层松动，确保地面无沉降，在管幕施工过程中须适时在管幕外侧进行回填注浆，以补偿地层的松散变形，更加有效地控制地层的扰动变形。跟进回填注浆采用φ60mm钢花管注浆。
4.2.1 注浆采用水泥浆，水灰比为1:0.8，注浆量根据钢管内和钢管外的间隙计算多少立方，然后看地层渗漏情况确定每一根钢管的注浆量。注浆要求管内管外分别加注，泵压控制在0.5-0.8mpa以内，停15-30分钟进行二次补浆，确保管内外填充质量、泵压低会影响地面下沉，泵压高会影响地面拱起。注浆必须控制好注浆量、注浆压力等每一个环节，保证达到设计要求为标准；
4.2.2 管内注浆：管内注浆采用水泥砂浆(C25)，水灰配比为1:0.8，注浆由一端进行，注浆口设在一端，出浆口位于另一端，设在钢管顶部，当出浆口流出浆液后，关上阀门，然后加压至0.8Mp。待浆液固结后，进行二次注浆，即将一端钢管端头部位割开，使管内水流出或抽出，然后进行填充注浆，填充注浆时，可加入适量的膨胀剂，注浆效果通过割开管头部位进行检验；
关键词：下穿铁路；长管幕；施工；技术
1 工程概况
厦门市高崎互通连接线同既有鹰厦铁路杏林大桥成小角度斜交，互通连接线采用下穿隧道方式通过，隧道分左右两线，其中左线78m，右线110m。隧道通过地段地表为第四系全新统人工填筑土，结构松散、厚度4m左右，其下为第四系全新统长乐组海相沉积层，第四系更新统龙海组冲、洪积层以及燕山期花岗岩。隧道场区内地表水主要为海水，临近厦门西海域有大片养殖池，其水位受潮汐影响：地下水不发育，主要受大气降水补给，地下水位受季节性控制明显。
隧道拱顶距地表的最小深度仅为2.5m，因此隧道施工不可避免的会对周边地层以及上部立交桥产生一定的影响。为了隧道施工安全并确保隧道开挖过程中上部的铁路安全，隧道施工过程中进行了超前支护，超前支护采用管幕支护，其长度达110m。
2 管幕施工工艺流程及技术要求
2.1 管幕施工方法及工艺流程
管幕法施工即在隧道的开挖线外侧，按400mm间距，沿隧道轴线方向将φ299×12mm的钢钢管水平铺设在土体里，钢管之间采用锁扣连接，并在φ299钢管连接处打入φ60钢花管，通过φ60钢花管对土体进行注浆加固并使φ299钢管成为一个整体。
根据本工程的具体地质情况及工程特点，采用“前拉后夯”施工方法进行夯管施工，即首先利用水平导向钻机打设φ127的水平孔。根据水平孔的精度，分析是否进行扩孔作业，然后采用前拉后夯的方法：在前部用拉管钻机通过钻杆及连接头拉住φ299钢管，将φ299钢管拉入设计位置。在拉入过程中，如果出现回填卡钻现象时，局部用夯锤夯击通过。具体施工方法是：采用φ127钻杆在上部中间位置打设一个导向孔，要求此类导向孔的导向精度控制在20cm以内。导向孔完成后，根据具体地层情况判断是否进行扩孔作业，并提高钻孔精度。扩孔作业要采用挤扩的方法，不能采用通常水循环大扩孔方法，防止引起地层扰动，导致地面沉降。扩孔完成后采用前拉后夯法，将φ299钢管拉入，C型钢取消，在拉入时，可能会遇到回填及不均匀的硬地层引起卡钻现象，局部用夯锤夯法，在钢管后部施以夯力使钢管顺利通过，直至将钢管拉出对面掌子面。然后进行第二根施工，以上钢管铺设完成后，在两根钢管之间进行注浆加固，直至全部钢管铺设完成。φ299钢管全部布设完成后，采用φ20mm钢筋上下两排焊接将两端的管头连接起来，使端头部位形成一个整体。
管幕法施工工艺流程可总结如下：
施工准备→测量放线→设备安装→有线导向钻进→扩孔拉管→单孔下管完成→管内注浆→管外注浆→下一根钢管施工(下一循环)……全部完成后对钢管端头进行连接形成一整体。
2.2 管幕施工技术要求
2.2.1 打设时必须控制地表沉降，终孔跟踪注浆，注浆必须保证管内外间隙注满填充实，在打设时必须按照设计要求进行施作；
2.2.2 施工中先施作导向孔，再进行扩孔拉管，最后进行管内、管外注浆：
2.2.3 管外注浆不能对导向及扩孔产生影响，因此要错开时间和空间位置。
2.3 管幕施工技术难点
2.3.1 管幕施工中要求导向孔偏差不能大干25cm，拉管偏差不能大干15cm，本工程导向距离长，且地层条件复杂，极不均勻，导向孔打设及其精度控制难度大；
2.3.2 管幕离地表距离仅为3m，处于特殊地段，管幕打设过程中对地面沉降的控制难度大。
3 管幕施了管位精度控制技术
3.1 定向钻进施工工作原理
定向钻进方法是非开挖管线施工的一种方法。该方法要求在钻进过程中能准确测定钻头在地下的位置和方向。根据钻头在钻进过程中的位置和方向同设计轨迹的差异，利用能调节方向的钻头(一般为楔型钻头)改变钻头的钻进方向，从而完成铺设工作。钻头钻进示意如图1所示。
钻头内装有特制的传感器，传感器由信号线连接显示屏。显示屏显示钻头的倾角和面向角(导向板的方向：导向板朝上即为12点，如同钟面)。打设角度如偏下，可以把钻头调到12点，即导向板朝上，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。同理在6点纠偏可以使钻头轨迹朝下，9点、3点分别是为左、右纠偏方向。如果角度合适，钻机会匀速旋转钻进，此时钻杆轨迹一般是平直的，所以导向钻头是上下纠偏的关键。
导向钻进中，导向管是随钻打入的，导向管就是护壁管，起到套管护壁作用。
3.2 钻具要求
钻孔采用水平钻机完成。水平钻机设有轨道，能平移、升降钻机平台。全液压水平钻机回拖力50t，扭矩23000Nm，打设最大导向孔φ325mm,一次性最大扩孔直径在此类地层中可达400mm，打设时采用泥浆护壁，一次性成孔，然后前面用拉管机通过钻杆拉动扩孔头扩孔，并由万向节同φ299钢管连接保证方向，并拉动钢管，将钢管拉入，如遇障碍物不能拉动时，后面用夯管锤锤击，直至设计深度。
钻杆为φ159mm×5钢管，两端为φ159mm×12mm接手，加工成每根6m，钻头为楔型钻头，斜板加安硬质圆柱合金，可破除一般回填砖石。φ299管幕钢管采用厚度为10mm无缝钢管，钢管之间加内接管箍，管箍长400mm，采用直接对焊连接。
3.3 水平定向钻进控制技术
水平定向钻进能长距离打设，而且能保证质量，因为打设采用楔掌斜板钻头，钻头后面200mm处装有有线或无线导向探棒，操作台上有显示屏，如有偏斜随时可以调整角度，终孔偏差可以控制在25cm以内，能够达到设计要求。
3.3.1 利用φ159的钢管作钻杆，使用回旋钻进，并利用有线和无线两种导向方法，严格控制导向精度。利用高精度有线导向仪及管内光学测量系统能控制精度为3%，利用无线导向仪器在地表进行测量定位，能控制偏差在20cm以内。导向孔偏差如大于20cm，可以采用扩孔方法将孔径扩大到φ250-φ300再利用前拉后夯法下管。拉入时φ299钢管的管头是敞口的，并且钻 杆同φ299连接处不在φ299钢管的中心位置以部分调节导向孔打设后形成的偏差；
3.3.2 严格控制钻进速度，采用低速钻进。必要时用拉管机将钻管拉回注浆，待固结后重打，要24h观察地面情况，发现问题立即处理：
3.3.3 水平定向钻进时，每打设一根钻杆可以检测1～2次是否偏斜，如有偏斜立即校正；
3.3.4 如果出现回填物使钻杆不按预设路径钻进，可反复旋转进退，将回填物破除。如仍不能清除，可撤回钻杆，用气动潜孔锤清除，然后继续钻进。
4 管幕施了地表及大桥沉降控制技术
4.1 出土量控制技术
为避免引起地面沉降，要保证实际出土不能大于理论出土值，要尽量减少对地层的扰动。因此扩孔直径不能大于299mm，控制出土量；导向孔打设位置要距已铺管幕或已有导向孔1m以上，不能在已拢动的位置继续钻孔；要控制水量，尽量减少夯击时间，减少对地层的扰动。
4.2 注浆施工控制技术
为了避免相临管幕施作后引起地层松动，确保地面无沉降，在管幕施工过程中须适时在管幕外侧进行回填注浆，以补偿地层的松散变形，更加有效地控制地层的扰动变形。跟进回填注浆采用φ60mm钢花管注浆。
4.2.1 注浆采用水泥浆，水灰比为1:0.8，注浆量根据钢管内和钢管外的间隙计算多少立方，然后看地层渗漏情况确定每一根钢管的注浆量。注浆要求管内管外分别加注，泵压控制在0.5-0.8mpa以内，停15-30分钟进行二次补浆，确保管内外填充质量、泵压低会影响地面下沉，泵压高会影响地面拱起。注浆必须控制好注浆量、注浆压力等每一个环节，保证达到设计要求为标准；
4.2.2 管内注浆：管内注浆采用水泥砂浆(C25)，水灰配比为1:0.8，注浆由一端进行，注浆口设在一端，出浆口位于另一端，设在钢管顶部，当出浆口流出浆液后，关上阀门，然后加压至0.8Mp。待浆液固结后，进行二次注浆，即将一端钢管端头部位割开，使管内水流出或抽出，然后进行填充注浆，填充注浆时，可加入适量的膨胀剂，注浆效果通过割开管头部位进行检验；
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200901/13769.htm
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