田素龙

（中铁十四局集团隧道工程有限公司，山东 济南 250101）

控制地表沉降是浅埋暗挖车站的难点，二衬扣拱施工过程中因土体开挖卸载作用易引起上部土体的过大变形甚至坍塌，这会给周围建构筑物及管线的安全造成潜在威胁。搭设管棚是控制土体沉降的有效措施，管棚形成的的棚盖效应能显著控制上部土体变形，限制拱顶沉降。超前支护的管棚与开挖后架设的钢拱架共同作用形成棚状支护体系，对地表微扰动的控制起关键作用，因此管棚是微扰动变形控制技术的重要研究对象。

1 管棚工艺

由于管棚超前支护法在穿越破软弱破碎、涌水涌砂层地层中的突出优势，在软岩隧道施工中得到广泛应用。管棚利用钢管作为纵向支撑，开挖后架设的钢拱架作为横向环形支撑，构成沿隧道纵向具有梁结构，横断面具有拱形结构的整体支护体系。由于该支护体系刚度和强度性能优异，既能提前承受早期围岩压力，又能有效地控制围岩变形。

2 管棚主要作用效果

管棚作为一种隧道通过不良地质的一种超前支护方法，对下穿既有建（构）筑物、下穿既有管线、穿越不良地质等情形能够很好地起到限制拱顶土体释放应力的作用，能在一定程度上减少因隧道开挖施工引起隧道上方覆土的沉降或者坍塌。管棚的作用具体表现在防坍塌、阻断沉降、平滑沉降曲线和提高围岩力学参数等方面。

3 管棚工艺特性对比

管棚成孔方式主要有引孔顶入法和跟管钻进法。前者施工程序为先钻孔后插管，即钻孔结束并检查合格后，接长管棚，采用钻机旋转顶进的方式将管棚压进孔内；后者钻孔与管棚钢管安装一次性完成，即以管棚钢管为钻杆，由钻机连接钻杆将其旋转顶入的方法。

引孔顶入法工艺在成孔时间段内会出现土体失稳塌孔的现象，易引起地表沉降，沉降量则受孔径与地层的影响，孔径越大、地层受动荷载的影响下自稳能力降低，地表沉降不容易控制且成孔率低。跟管钻进工艺中，潜孔锤跟管钻进法适合岩层较硬的地质情况；夯管法的高频率冲击振动大，长期施工会破坏原土层的自稳性，使土体变得松散、甚至引起地表坍塌；冲洗液循环跟管钻进法与螺旋出土顶进法管棚施工工艺，这两种工艺都配套导向系统，在地铁暗挖隧道中均可应用，两种工艺的施工特点对比见表1。

表1 两种洞柱法暗挖车站管棚工艺特征对比

4 跟管钻进长大管棚施工工艺

4.1 测量定位

为保证管棚开孔位置的准确性及后续管棚的打设精度要求，管棚施工前应对管棚开孔位置进行逐一测量定位，并对该位置进行喷漆标记，确保符合设计要求。

4.2 平台搭设

由于管棚孔位沿隧道断面外轮廓线呈弧形设置，施工过程中还需要跳孔打设，因此在施工时管棚钻机需要不断地移动和升降，且在洞内受到场地限制的影响，脚手架作业平台已不能满足施工需求；为保证提高施工效率，解决上述问题，该项目自主研发了管棚钻机自行升降式平台，以此达到管棚钻机快速移动和升降的目的，满足现场施工需求。

4.3 钻机定位

钻机定位过程中应满足下列要点。1）钻机必须焊接固定在自行升降式平台上，通过移动平台从而控制钻机位置。2）精确核定钻机位置，通过使用水平尺、挂线、卷尺相结合的方法，确保钻机轴线与管棚设计轴线相吻合。3）根据钻孔深度调整钻杆轴线与管棚轴线不大于1°的外插角，以抵消管棚接长后自重增加产生的下垂。

4.4 初支混凝土面开孔

初支混凝土面开孔如图1所示，开孔应满足下列要点。1）采用与当前管棚钻机匹配的开孔钻杆进行初支混凝面的开孔，无须单独配备钻孔设备开孔，方便快捷。2）开孔前还需进一步核定钻机位置，确保钻杆与孔位方向平行，开孔孔位偏差不大于2cm后方可进行开孔。3）混凝土面开孔前需要事先开泵，待冲洗液流通正常后，方可进行破除。4）为考虑到施工安全及降低施工造成的沉降，开孔时以先破拱部再破两边以及跳孔开孔的原则进行管棚施工。

图1 初支混凝土面开孔图

4.5 导向跟管钻进

初支混凝土面开孔后，随即进行管棚钢管的打设。直接采用钢管做钻杆，采用泥浆护壁，随钻杆进尺将管棚钢管依次打入，成孔与钢管安装一次完成。管棚钻进作业时应符合下列规定。1）因导洞内场地限制的影响，管棚钢管将加工成2m一段的管节，管节之间采用丝扣连接，管节两头公母丝头长度均为5cm，丝扣加工形式为矩形螺纹丝扣，同时为防止反转脱扣，并保持钢管连接密封，丝扣拧紧后，接缝处进行满焊。2）为保证相邻管棚处接缝错开1m，将首节钢管加工成1m和2m两种类型。3）管棚打设顺序为先拱部，后两边，跳孔打设。4）首节钢管前端加工成带有切削板的钻头，利于管棚钢管顶进及打设位置纠偏；同时钢管前端留有出浆孔，便于管棚打设时泥浆喷射以及注浆过程中浆液填充管棚周边孔隙。5）钻进时应及时检查钻机各部位是否正常工作，对不正常工作的部位进行更换维修，检查循环泥浆是否正常流通。6）钻机钻进时，应保持低压匀速钻进，严格控制钻进压力，压力控制值分别为顶进压力3 MPa～5 MPa，旋转扭力5 MPa～7 MPa。在钻进过程中，如果穿越粉细砂层发现压力异常升高，立即停止钻进，对泥浆循环浆液进行改良，在缓慢钻进。7）钻进过程中，粗碎屑易在钻孔底部沉淀，造成钻头上仰或左右偏斜。因此在钻进中应检查循环泥浆的质量；合理控制泵压、泵量，以保证钻进碎屑在泥浆悬浮力的作用下带出孔外。8）为确保管棚成孔精度满足设计要求，通过使用高精度导向仪器及钻头前端切削板控制管棚钻进方向，时刻监测钻进方向，如有偏差及时纠偏。

4.6 泥浆循环系统

泥浆循环系统如下：循环液制备→储浆箱（第一层横通道）→泥浆泵→管棚钻杆→管外环状间隙→孔口回水→储浆箱（第二层横通道）→沉淀池（竖井内）→储浆箱（第一层横通道）。

管棚施工中采用泥浆循环液。为了合理利用泥浆循环液，施工现场设置泥浆循环系统，具体施工方法如下：1）第一层横通道内设置储浆箱，制备泥浆浆液。2）通过泥浆泵将制备的泥浆沿水管送入钻杆钢管内，进而从钻头前端射出，冲刷前方土体，同时向推前进，泥浆从钢管与土体间的间隙回流，最后从孔口流出。3）流出的泥浆通过预先做好的泥浆槽下漏至第二层横通道内储浆箱，再由第二层横通道内储浆箱通过泥浆泵抽入竖井内。4）当管棚施工时，将竖井内泥浆通过水泵抽入第一层横通道内储浆箱中，经过合理配制及充分搅拌后即可使用，形成泥浆循环液。同时，为防止地表下沉，须严格控制出浆量，始终保持进浆量大于回浆量。

4.7 管棚注浆

管棚孔口密封及后续注浆必须符合下列要求。1）采用水泥（加少量速凝剂）将孔口钢管与孔壁间缝隙填充密实，同时安装排气阀门。2）钢管末端采用法兰盘焊接封口，法兰盘上预留注浆阀门。3）注浆前应进行现场注浆试验，根据试验情况及时调整注浆参数。4）严格按照试验配合比（水∶水泥∶膨胀剂=1.2∶1∶0.08）要求配制微膨胀水泥浆液。5）注浆过程中严格控制注浆压力（0.4MPa～0.6MPa），压力值不得超过要求范围。6）注浆结束标准如下。注浆压力逐步上升，当达到设计终压并稳定3 min～5 min；注浆量不小于总注浆量的80%，注浆量一般为钻孔圆柱体的1.5倍。如果注浆量超限，未达到压力标准，应调整浆液浓度二次注浆，保证管及周围空隙填充密实。

5 长大管棚施工精度控制工艺

采用大管棚作为超前支护措施，在初支扣拱拱部形成棚护区，承受拱部地层压力，降低地层变形，防止施工过程中洞内坍塌，减少地表建筑物沉降变形，如果管棚施工精度得不到有效控制，将削弱支护效果，管棚支护体系将出现空档或者在某一区域失效，存在较大安全隐患。因此洞内长大管棚施工中长大管棚精度的控制至关重要。根据管棚施工精度控制要求及施工工艺的限制，采用水平导向跟管钻进法能有效控制大管棚施工精度。

水平导向跟管钻进法施工时以管棚钢管为钻杆，使用水平定向钻机将钢管打入土层中，并在钻进过程中通过钢管专用导向仪器随时控制钻进角度，发现角度偏差及时进行纠偏，直至监测钻进到设计长度。该技术的导向纠偏工作原理是通过有线导向系统及钻杆前端带有切削板的钻头控制管棚钻进方向来实现。

现场施工时，采用专用开孔钻杆开孔后，进行首节钢管的钻进。钢管前端安装斜板式钻头用于调整钻进轨迹，保证管棚打设精度满足设计要求。钻进到达指定位置后，将导向仪探测棒固定于首节钢管管口用于监测管棚打设方向，首先通过将探测棒固定架焊接于首节钢管管口，再将探棒卡在预先焊接在管口的固定架上。信号线放置于次节钢管中（钻进过程中传感线与显示器断开），信号线一端与探测棒连接，一端从钻机设备钻头处预留洞口引出，信号线中间部分卷成圈，用扎丝捆好，钻进过程中信号线将随钢管一起转动，不会发生缠绕。同时信号线上缠有钢丝绳，防止钻进完成后，探测棒在拔出过程中信号线被拉断。每节钢管打设完成后，将显示器一端信号线与钢管内引出的信号线接通，此时通过信号线将探测棒与远程显示器接通，操作人员通过远程显示器监测的倾角值对钻头在3、6、9、12点钟方向的偏差进行监测，钻头倾角偏差控制在1°以内即符合要求。如果需要提高成孔精度，将监测频率增加到每钻进1米测一次。在向上纠偏时，当钻头斜面向下，小冲程顶进钻杆，钻头逐步上抬，达到向上纠偏的目的。同理，当钻头斜面向上、向左、向右，可达到向下、向右、向左纠偏的目的，保证管棚实际钻进轨迹以较小的偏差回归设计轨迹。

为加强管棚的支护效果，有效控制管棚施工对邻近建构筑物的影响，采用水平导向跟管钻进法施工大管棚时应注意以下事项。1）钻机定位过程中要求孔位对正，钻机与操作平台固定牢固，移动支架基础牢固。依照设计钻孔轴线对正钻机动力轴中心，采用测量仪器校准，确保钻进开孔位置与测量放样孔位一致。2）钻机定位时，根据钻孔深度调整钻杆轴线与管棚轴线不大于1°的外插角，以抵消管棚接长后自重增加而产生的下垂。3）在钻机钻进过程中，一定要及时监测管棚钻头走向，做好校准工作。每跟钢管钻进完成后，及时对管棚钻头的方位进行监测，并做好监测记录，如果发现钻头偏移设计轨迹，及时通过带有切削板的钻头进行钻头方位的纠偏，保证管棚钻进轨迹回归设计轨迹。4）在钻机钻进过程中，钻机应保持低压匀速钻进，严格控制钻进过程中钻机的旋转压力（5 MPa～7 MPa）和顶进压力（3 MPa～5 MPa），发现压力异常，及时停止钻进，防止压力过大造成钻杆偏移设计轨迹。

6 结语

管棚超前支护法作为隧道施工的一种辅助方法，在软岩隧道施工中发挥了重要作用。管棚支护因具有抗坍塌能力强、一次支护长度长等优点，在国内城市地下暗挖工程中得到广泛推广。该文简述了粉细砂层洞柱法暗挖地铁车站长大管棚工艺和主要作用效果，对比分析了冲洗液循环跟管钻进法和螺旋出土顶进法的工艺特征，并详细介绍了跟管钻进长大管棚施工工艺。随着我国地铁建设的蓬勃发展，管棚超前支护技术将不断革新，并为城市地下空间开发持续发挥积极作用。