下穿公路干线隧道长管棚施工技术

2011-01-22傅思亮

铁道标准设计 2011年5期

傅思亮

(中铁二十四局集团有限公司,上海 200071)

1 工程概况

厦门杏林大桥主体工程C标段,是连接厦门杏林大桥和厦门高崎机场的一条公路干道。暗挖隧道(分左右线)下穿嘉禾公路,隧道埋深5～8 m,属超浅埋,相对位置如图1所示。隧道位于剥蚀残丘地貌与滨海沉积相过渡带,隧址范围内上覆第四系人工填筑黏土、块石土,下部局部有海相沉积之淤泥质砂、淤泥质黏土、粗砂等,下伏燕山期花岗岩,局部夹有灰绿岩脉。嘉禾公路在下穿公路暗挖隧道范围段主要为第四系人工填筑土、低液限黏土,属软弱地层,公路为填方,下穿公路暗挖隧道左右线长度分别为76、65 m,开挖断面高度9.05 m,宽度14.14 m,高跨比0.64,在嘉禾公路范围内采用长管棚超前预支护。

嘉禾公路是厦门市进出岛的主要通道之一,车流量大,交通繁忙。在本工程整个施工过程中,主要是要确保上方嘉禾公路的正常通车,保证隧道施工不发生坍塌和变形超限。

图1 下穿嘉禾公路暗挖隧道平面示意

2 施工方案比选

2.1 本工程的特点和要求

地质较差,隧道通过区域主要是黏土填方等软弱土层,存在孤石；地面交通繁忙,施工中控制沉降要求高,公路不得发生因施工断道，路面沉降要求控制在5 cm内；隧道施工难度大,施工中不得发生坍塌,变形不得超标；管棚长,易发生坍塌堵孔,方向控制难。

2.2 施工方案的比较

根据工程特点以及地下工程施工的经验,管棚超前预支护可选用长管棚一次穿越贯通和分段搭接穿越的形式,其优缺点比较如表1所示。

表1 管棚施工方案比选

针对以上特点,考虑从机械设备选型、管棚的选用及布置、地层处理难易程度、管棚施工工艺等方面进行了比较,经过专家论证和管棚施工试验,最后决定采用方案一,即长管棚一次穿越贯通。

3 长大管棚超前支护设计

3.1 工艺原理

长大管棚施工是在地层中进行钻孔并打入大管棚钢管,并在钢管内加入钢性骨架,通过向管内注入具有一定压力的胶凝材料,凝固后使周围软弱地层的力学性质得到改善和加固,并与管棚形成一个整体棚架式的加固拱圈,从而起到超前预支护作用。

3.2 参数选择

管棚采用φ133 mm、壁厚6 mm的热轧无缝钢管,节长分别为4、6 m,环向间距为40 cm,拱部采用双层,外插角为1°～1.5°,两侧采用单层,管棚长度按隧道全长,管棚的布置如图2所示。为了增加大管棚的刚度,管棚内设置钢筋笼,由4根φ22 mm螺纹钢筋及固定环组成；为了保证管棚的方向在误差内,在管棚起点设立厚度为1 m的钢筋混凝土弧形导管墙,作为管棚施作的支架和导向架；为了使管棚注浆能达到较好的效果,在管棚钢管上设注浆孔,孔径12 mm,孔间距30 cm,梅花形布置(管棚两端3 m范围内不设注浆孔),注浆材料采用水泥-水玻璃双液浆。为了保持管棚的刚度及整体受力,在管棚的尾部采用厚度为1 m的钢筋混凝土弧形梁，将管棚尾部连成整体。

图2 下穿嘉禾公路暗挖隧道管棚设计断面布置(单位：cm)

4 管棚施工

4.1 管棚的支架、导向架和导向墙施工

为了控制钻杆及钢管的绕度和移动,保证钻孔精度,在管棚的起点设导向墙,导向墙的厚度为1 m,高度、弧形长度根据管棚位置设置,钢筋混凝土结构,导向墙内用2榀钢架(钢架采用I20型钢加工制作,纵向间距80 cm)作为骨架,并在钢架上按照管棚环向间距焊接导向管,用钢筋将导向管、钢架连成整体。

4.2 钻孔

在导向墙完成后,采用地质钻机进行管棚施工,采用水平定向跟管钻进法钻孔,钻孔时要严格按照设计的间距和角度钻孔。为了保证在填土中不发生塌孔,事先可采用注浆的方法,对管棚经过范围进行注浆,使之达到一定的密实度。

4.3 管棚安设

水平定向跟管钻进法钻孔是把钻孔和安装管棚一起完成,即管棚和钻孔一起推进,以防坍塌；管棚采用钻孔一段钢管安装一段的方法,钢管节之间采用丝扣连接(丝扣长15 cm)；管棚到位后及时将管棚与钻孔壁间缝隙填塞密实,在管棚端头焊上法兰盘止浆阀,并保证质量。

4.4 管棚注浆

管棚安装完成后,应尽快进行注浆,本工程采用水泥-水玻璃双液浆,通过压浆试验确定注浆参数(表2),注浆压力达到2.5 MPa并持续5 min以上,经过反复注浆,确认达到要求后,停止注浆,及时封堵注浆口。

4.5 管棚施工精度控制4.5.1 设备选型

管棚能否达到精度要求,与设备的性能关系大,为了保证精度,现场施工中根据试验采取了英格索兰KR80412型管棚钻机。该设备自带钻杆稳定器,在钻进过程中始终保持钻头钻杆在同一水平线上,钻进轨迹发生偏斜较小。

4.5.2 钻孔时预防偏孔

对管棚方向可能发生变化的控制,用导向管导向,扶正器扶正钻具,然后用测斜仪检查,保证开始不发生偏斜。钻孔中采用岩心管扫孔检查进行控制,发现较小的偏斜时,采用调整钻头角度的办法纠偏。当孔的偏斜超过允许范围时,停止钻孔,注水泥浆充填,凝固后重新钻孔。

4.5.3 钻孔过程中障碍物的处理

根据钻进的速度、岩土取芯、钻孔设备压力等情况判断此钻孔管段的地质情况,及时做好施工记录。对土中含有部分孤石,采取正反循环钻进以及提高钻头质量的方法,强行钻进,此办法无法解决时,通过人工挖孔桩排除障碍物。

4.5.4 管棚施工中下坠弯曲的预防

管棚长度长,钻头与钻杆直径也不相同,长距离钻孔容易发生管棚下坠弯曲,施工前在相同的地层中进行了下坠弯曲试验,根据试验预留管棚向上1°～1.5°的角度,并根据每根管棚的施工情况,对下一根管棚进行修正。管棚安装钢管时使用测斜仪每安装段测量,掌握下坠情况。

4.6 公路路面沉降监测

针对下穿公路暗挖隧道范围段地质差,土壤含水量高,施工时下沉量较大的特点,为了能采用动态施工管理指导施工,根据要求,在地表(含公路)上、隧道内设置沉降观测点。根据沉降总量和变化速率,及时掌握围岩和支护的动态信息,用于指导施工作业。沉降观测点的观测频率见表3,经过对沉降观测结果的分析,公路路面沉降最大点的沉降量为27 mm(表4),在允许的3 cm范围内,满足设计要求。