摘 要：從隧道超前支護的施工工藝著手，介紹了幾種用非開挖技術施作隧道超前支護的方法，并進一步說明了其中若干問題，為達到質量最好、效率最高、經(jīng)濟效益最大化的隧道超前支護施工提供參考作用。
關鍵詞：隧道超前支護 非開挖技術 應用
0 引言
隨著城市地下空間建設和開發(fā)的不斷加快，對地下工程施工技術的要求也在不斷提高。由于淺埋暗挖法具有無可比擬的優(yōu)越性，已成為城市地下工程施工的主要方法之一。城市地下工程絕大多數(shù)位于繁華地段和靠近密集建筑物或居民區(qū)，因此控制好施工過程中引起的地表下沉和對周邊結構物的影響，是淺埋暗挖法施工成敗的關鍵。
經(jīng)過近幾年來的不斷發(fā)展和實踐，隧道超前支護作為一項保證隧道開挖安全、保護地面建筑以及控制地表沉降等的技術越來越受到重視，其應用也越來越廣泛。隨著隧道超前支護施工的不斷發(fā)展，新工藝、新技術也不斷涌現(xiàn)，極大的提高了地下工程的施工安全和施工效率。而非開挖技術作為一項新興的施工技術由初期的市政地下管線的鋪設，向城市隧道暗挖施工的超前支護技術方向延伸，并已顯示了較大的優(yōu)越性。
1 工藝原理
隧道超前支護又名管棚支護，就是沿著隧洞開挖輪廓周線，用特定的機器把一系列鋼管順著隧道軸線方向按一定次序打人開挖前方的地層內(nèi)，然后向管內(nèi)注漿固結管子周圍的圍巖，最終形成一個棚架支護體系，以支撐來自外側的圍巖壓力，從而保證其隧洞開挖、襯砌的連續(xù)性和安全性。特定的機器主要是指用來進行非開挖施工的水平定向鉆機和夯管錘。
2 施工工藝
目前，施作大管棚的工藝很多，其中非開挖技術施作大管棚就是其中的一類。而非開挖技術施作管棚的方法又分為夯管錘直接夯進法、水平定向鉆機頂進法、水平定向鉆機回拖法、夯管錘和水平定向鉆機結合法幾種。
2.1 工藝流程
利用非開挖技術施作大管棚的工藝流程見圖1-圖4。
2.2 施工步驟
2.2.1 施工準備
在開始施工之前，先對施工區(qū)域地下管線和地質情況進行詳細探測，弄清地下管線位置和是否有障礙物，防止施作時破壞地下管線及制定相應的措施。如在含卵石或有障礙物地層中用夯管錘施作管棚時，在鋼管夯入頭安裝切削頭，防址鋼管頭變形影響管棚精度；根據(jù)不同地質情況，選擇合適的鉆頭、回擴器、合適泥漿配置方案以及進行鉆進曲線設計，保護好地下管線的安全。
圖1 夯管錘直接夯進法工藝流程圖
圖2 水平定向鉆機直接頂進鋼管法工藝流程圖
圖3 水平鉆機回拖鋼管法工藝流程圖
圖4 水平鉆機和夯管錘結合法工藝流程圖
用水平定向鉆機直接頂進法施工時，為了加強其頂進過程中的導向作用，提高管棚的精度，還需要用制作管棚的鋼管自制一個楔形鉆頭，鉆頭前要滿焊一塊加工有射水孔的鋼板，孔徑大小根據(jù)管徑大小確定，一般在10-20mm之間。并且在鉆頭里加工一個裝探棒腔的定位裝置，探棒腔里裝有探棒，用來進行導向控制，結構如圖5所示。無線探棒是通過發(fā)射無線信號傳遞導向信息，而鋼管對無線信號有屏蔽作用，因此要在楔形鋼管鉆頭上加工適當?shù)目p隙，有利于信號的發(fā)射，增強其導向作用。
圖5 自制的鋼管鉆頭結構示意圖
在用水平定向鉆機和夯管錘相結合法施工時，由于要進行擴孔操作，為了提高管棚精度，需要加工一個特殊的回擴頭，回擴頭兩端都是錐形，并且上面有射水孔，具體形狀如圖6所示�；財U頭是通過絲扣接頭與鉆桿連接；在回擴頭表面加工排泄泥漿的螺旋槽；回擴頭直徑中根據(jù)管棚的大小來定。
圖6 回擴頭示意圖
2.2.2 設備的安裝、就位
按照設計要求和施工條件，準確把設備進行安裝、調試和就位，使設備的位置、安裝角度等符合施工要求。
用夯管錘施工時，牢固鋪設鋼管導軌和安裝夯管錘基座，在每次安裝出土器、夯管錘以及錐套時，用測量儀器進行檢測，保證二個部件的中心線在同一直線上。進行空壓機的調試，以準備夯擊，同時要注意導軌地基堅固穩(wěn)定，鋪設的管線越長，地基的穩(wěn)定性越重要。導軌要選用重型槽鋼、工字型鋼，而且作導軌的型鋼必須調直，對于大直徑鋼管(φ210mm以上)，一般采用兩根工字鋼作導軌。工字鋼安裝要平直，并根據(jù)鋼管可能的偏斜趨勢適當上揚或下調一定角度，以抵消一部分可能的偏斜。一般在軟地層中鋼管容易向下偏斜。
用水平定向鉆機施工時，在開始安裝設備前，先校核探棒的準確性。根據(jù)設計要求，用測量工具準確定位水平定向鉆機的位置、方向、角度，并且將鉆機固定好，防止鉆機在推力和扭矩的作用下出現(xiàn)傾斜和移動，影響管棚精度。同時考慮到鋼管自身有撓度、地層的具體情況以及鉆機在操作過程中產(chǎn)生的誤差，在調整鉆機時一般先放一個仰角，角度的大小主要是根據(jù)管棚的長度、鋼管壁厚以及地層條件等因素來定，一般在1％-2％。
2.2.3 導向鉆進、擴孔
導向孔是回擴、回拖管線的基礎，導向孔的質量將直接影響到以后各道工序的施工。在鉆進過程中，通過導向儀隨時進行監(jiān)控，盡量保證鉆進軌跡與設計的鉆進曲線重合。如有偏離，應及時糾偏，糾偏遵守“勤糾少糾”的原則。
為了能更好的成孔，保證鉆進順利，要根據(jù)地質情況及時調配泥漿和控制泥漿的流速。泥漿的主要作用是保護孔壁、防止鉆孔坍塌以及攜帶和懸浮鉆肩，并排到孔外，冷卻和沖洗鋼管，起到潤滑作用，減小鉆機旋轉及推進阻力，保證施工順利暢通。有時為提高泥漿
的潤滑性，降低摩擦阻力，增強攜屑效果，需加入增黏劑和潤滑劑。在鉆進過程中要根據(jù)地層情況和壓力情況及時調整泥漿稠度和鉆機的轉速，及時記錄各種技術參數(shù)。
擴孔就是把導向孔通過回擴頭擴至施作鋼管所需要的孔徑大小，滿足鉆機的工作功率。回擴頭的直徑應滿足其回擴后的孔徑為鋼管直徑的1.3倍。
2.2.4 鋼管的施作
根據(jù)選用的施作方法，用相應的設備把鋼管送(水平鉆機直接推進、回拖或者夯管錘夯擊)人土層中，形成管棚支護系統(tǒng)。
用夯管錘施作管棚時，由于鋼管是非控向的，所以第一節(jié)鋼管的夯進是保證管棚精度的關鍵。夯進第一節(jié)鋼管時，必須非常慎重，按照管棚設計要求，準確調節(jié)好第一節(jié)鋼管方向、角度，然后輕微開啟空壓機閥門，慢慢夯進鋼管，保證第一節(jié)鋼管準確夯入土層。同時要注意所夯鋼管的長度要與鋼管直徑、壁厚相匹配。大管棚施工時，一定要采用合適壁厚的鋼管，使鋼管能承受相應夯管錘型號的夯擊力，使管棚達到設計要求。具體匹配見表1。
表1 鋼管直徑、壁厚匹配表
用水平鉆機直接推進鋼管法施作時，開始推進第一節(jié)鋼管時，在開孔階段采取低速低壓，待鋼管進入一段距離(一般是1m左右)后，壓力逐漸升高，達到合適值(根據(jù)現(xiàn)場條件而定)，鉆速升致正常轉速。在鉆進過程中，必須在鋼管內(nèi)注壓力水(泥漿)，以沖掉鋼管前端泥土，潤滑鋼管外表面，減小鉆進阻力和旋轉扭矩，使鋼管能順利旋轉前進，因此，鋼管不能開注漿孔。
在鉆進過程中，通過導向儀隨時進行監(jiān)測，及時掌握鉆進數(shù)據(jù)。如果壓力水(泥漿)未及時把鋼管前面的土沖掉，會使水壓和推力突然增大，這時把鋼管來回推動，使水盡量把泥土沖掉，達到正常的運轉范圍。
開始鉆進時，在人土處焊一個定位三角架卡好鋼管，防止由于鋼管旋轉帶來的偏移，保證鋼管的中心線在開孔處沿著設計軌跡前進。
2.2.5 鋼管的連接
主要有絲扣和電焊兩種方式連接鋼管。根據(jù)不同的施工方法采用不同的連接方式。用夯管錘夯擊鋼管時一般用滿焊，焊縫處加綁鐵的方式連接，使焊縫處能承受較大的夯擊力；用水平鉆機施作時一般用絲扣連接，使鋼管接頭處能傳遞較大的軸向力和扭矩。不論采取哪種方式，在加裝鋼管時，都必須注意檢查鋼管是否彎曲，全部管子中心線是否在同一直線上。
2.2.6 注漿
在管棚施作完以后，需在鋼管上開注漿孔進行注漿，以固結管子周圍的圍巖，最終形成一個棚架支護體系，使管棚能起到支護作用。在用水平鉆機直接推進鋼管法施作時，由于鋼管是當鉆桿使用，所以不能在鋼管上開注漿孔。在采用水平鉆機和夯管錘結合的方法施工時，由于是鉆大孔夯小管，所以必須在鋼管上開孔注漿，以減少管棚與孔壁間的間隙，防止
產(chǎn)生沉降。
3 適用范圍與應用
3.1 使用范圍
由于傳統(tǒng)的管棚施工方法存在鋪管方向控制難，一次性支護長度短，降低了隧道開挖效率，提高了施工成本。其現(xiàn)有的管棚設備已無法滿足長、大管棚的鋪設要求。而使用非開挖技術進行管棚施作，較好地解決了這些不足，既能鋪設長、大管棚，又能很好的控制管棚的精度。但是不同的地質，使用的施工方法和施工設備各有不同。
使用夯管錘施作管棚時，適用的管徑范圍較大，但是由于大管棚的管徑一般都在φ377mm以下(少數(shù)也達到φ400mm)，根據(jù)管徑與長度匹配表以及地層條件，該方法施作管棚的長度一般在30m以內(nèi)。同時，該方法對地層的適應性強，既適應于含水層，也適應于卵石層(要求卵石粒徑不超過鋼管直徑即可)。但是夯管錘聲音大，不宜在居民區(qū)、學校等對聲音環(huán)境要求高的地方施工。
水平定向鉆機直接頂進鋼管法一般用于φ130-φ175mm，長度小于30m的管棚施工，但是在非粘土層和礫石層中施工困難，一般適用粘土層。
水平定向鉆機回拖鋼管法施工速度快，對地表干擾小，可控制鋪管方向，施工精度高，可以開注漿孔等優(yōu)點，一般適用于φ108-φ500mm，長度小于70m的管棚施工。但是用該方法施作管棚，對施工場地要求較大，必須兩邊都有施作空間，而且導向鉆進不適用于砂層和礫石層，一般適用于黏土層。
水平定向鉆機和夯管錘結合施工的方法適用于軟土層，不適用于沙層和礫石層。在機器丁作功率滿足施工的情況下，一般適用于φ108-φ210mm、長度15-40m的管棚施工。但是該工藝對操作人員的技術要求高，輔助施工時間較長，其施丁速度較慢，不適用于工期緊張的工程。
3.2 應用實例
從上面的施工工藝說明可以知道，每種工藝既有各自的優(yōu)點，也有其不足之處。施工時，要根據(jù)管棚的設計要求和現(xiàn)場的施工條件以及經(jīng)濟效益選擇合適的施工工藝，要做到既能按時完成任務，又能保證管棚的質量。北京地鐵的建設中，非開挖技術在管棚施作中發(fā)揮了巨大的作用，各種工藝應用實例見表2。
4 結論
對非開挖技術施作管棚的幾種工藝進行了簡單介紹，并對其注意的問題、特點和適用范圍作了說明，對以后各種工程的施工起到參考和指導作用。但是沒有就如何具體控制管棚精度和在管棚施工中帶來的沉降作詳細的研究。
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