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管棚施工技术哈尔滨地铁教化广场站施工中的应用
摘 要：简要介绍在哈尔滨轨道交通一号线教化广场站施工过程中,在车站1、2 号风道施工中采用Φ108 大管棚对车站暗挖结构施工进行超前支护的施工情况,并对该项技术进行了评价.地面沉降监测表明,其最终沉降值都在事先预定的沉降范围内,为暗挖施工提供了安全保障.
关键词：非开挖; 管棚技术; 地下定位系统
一、概述
管棚法施工技术,是一种水平定向钻进技术,属于非开挖技术的一种,衍生自原始钻探技术并逐渐发展起来的一种新兴技术,最早是作为隧道施工的一种辅助方法, 是在不破坏地表的情况下铺设各种地下管线的技术,因此,广泛应用在城市地铁、市政管线等地下工程施工中.
管棚钻机是管棚法施工技术中最关键的设备,它的作用是沿着隧道断面外轮廓超前钻进并安设管棚.最早的管棚法施工采用的是普通水平钻机,随着管棚法大量应用,专用管棚钻机应运而生,水平定向钻进技术特点是利用钻杆固有的刚度和柔性,在导向系统的监测下沿设计线路轨迹钻进,到达目的地,卸下钻头换上扩孔器进行回扩孔拖管或直接在管头安装扩孔器,一次完成管的安装.哈尔滨轨道交通一号线教化广场站工程成功的应用了这一技术,在车站1、2 号风道施工了Φ108大管棚,对地层进行超前支护,为后续采用暗挖工法施工风道提供了安全保障并加快了施工进度.
二、工程概况
教化广场站位于西大直街与上夹树街、春明街交叉口,沿西大直街布置.西大直街路面车流量大,两侧建筑物较多,主要建筑为哈特商务酒店、工大集团大厦、名人俱乐部、哈尔滨铁路局工程总公司及物资公司、哈铁五中、中国农行黑龙江分行等.1、2 号竖井分别为1、2 号风道明挖结构.其中1 号竖井位于车站的西北侧的哈铁五中后院内；2 号竖井位于车站的东北侧.该站位于哈尔滨市市区内繁华路段,是哈尔滨市的交通干道,地面交通繁忙,车站主体设计为地下两层三跨框架结构,地下一层为站厅层,地下二层为站台层.车站外包长度为142.2 米,标准段净宽度24 米,中跨最大净高14.23 米,标准段顶拱最小覆土厚度9.5 米,风道顶拱最小覆土厚度4.5 米.在结构范围内,埋设有通信光缆（最大埋设深度1.9 米）和上水管线（最大埋设深度3.4 米）.车站主体结构和风道采用暗挖法进行施工,因此为了保证安全和进度,教化广场站1、2、风道在进行施工设计时,设计采用了Φ108 大管棚作为超前支护,管棚沿初期支护拱部环向布置,环向间距0.3m,比初期支护开挖轮廓面抬高15cm.
三、大管棚施工过程
(一)施工前准备情况
1. 技术准备
熟悉设计图纸,针对设计参数,选择Φ108 大管棚施工的钻孔机械和注浆设备,参考类似工程应用该技术的情况和所取得的经济效益,初步拟定先在2 号风道35 米长的管棚进行实地试验,为大规模施工进行相关工艺和技术参数验证.通过考察选择了两个管棚施工单位,编制了施工方案,经与甲方代表、监理、管棚施工单位共同对方案进行了研究讨论,决定在2号风道采用北京中海恒通公司生产的水平钻机进行施工.其主要工作原理是：在作业面设置导向管,采用预拌制膨润土泥浆做护壁,利用导向系统进行定向并进行纠偏,钻进成孔一次完成并成孔安管；本次实地试验导向系统采用美国DCI 公司生产的ECLIPSE 无线地下定位系统,该系统包括地面接受器及遥控显示,地面接受器通过接收钻头内无线探棒发射的信号,探测钻头的具体位置,遥显上显示钻头钟面值及温度和接受器探测的钻头深度；钻机操作人员根据接收器探测结果,在导向人员指挥下,对钻头偏离设计轨迹时及时进行调整,确保钻头沿设计轨迹钻进.
2. 设备准备
本次施工1 号风道大管棚施工采用北京中海恒通公司生产的水平钻机,一次成孔工艺,因此在首节Φ108 管内即安装无线探棒,便于地面探测接收仪器跟踪成孔情况,以便于在钻进过程中采用纠偏措施,管端头加工成45o 的斜角,斜面上焊接一块比Φ159 管直径大20mm 的20mm 厚的钢板作为钻头.
3. 材料准备
Φ108 大管棚主体材料以及水泥、膨润土等辅助材料进场,经监理验收并复试合格后,方可对进场的Φ108 管进行加工.由于受竖井场地的限制,将整根Φ108 管加工成3 米一节,每节在施工过程中采用焊接连接.本次施工经过粉质粘土地层,考虑地质条件较差,为防止因钻机施工而导致泥浆护壁失稳造成地面出现大的沉降,造成阻断交通的险情发生,特别制定在108 管管身不钻孔,采取在第一节管端加工成斜角的封端处钻一个直径10mm 的出浆孔,由此处在钻进过程中提供泥浆,经过机器旋转形成泥膜进而形成泥浆护壁.泥浆池在竖井内部不妨碍施工的位置设置.
4. 施工现场准备
在即将施工的位置,按照图纸设计位置,在外放10cm 后,使用白色自动喷漆,在围护桩桩体上喷涂标记出管棚位置,并使用水钻进行开孔作业,搭设管棚施工工作平台,在工作面上按已施测的管棚位置点安装Φ200,600mm 长导向管,砌筑泥浆池,制备膨润土泥浆.钻机就位调试.
(二)施工实施过程（以1 号风道管棚施工为例）
施工准备工作完成后,启动钻机,安装首节Φ108 管,同时,在管内安装探测系统,设定上倾角设为1o,启动泥浆泵和钻机开始钻进,地面探测仪器跟踪进尺情况进行监测,经测得的数据及时反馈到钻机操作人员进行纠偏处理.第一节管钻进速度不宜过快,主要是为了在钻进过程中所穿越地层的地质情况；随着管节输入,Φ108 管管节之间进行了点焊连接.为了防止泥浆护壁坍塌造成相邻孔位处地层扰动、贯通引起大面积地面沉降钻孔采用跳孔法施工,每隔两个施工一个.1 ＃风道Φ108 管长35 米,第一根管钻进用时约1小时,其它管平均用时约50 分钟.
(三)Φ108 管填充注浆
管棚施工约10 根后开始注浆,主要为了减小地面因管棚施工造成的沉降.每根管棚注浆一般分4 次完成注浆.Φ108 管内填充注浆采用水泥砂浆混合浆液,同时为改善水泥砂浆的和易性,按照质量比掺入了粉煤灰,初次配合比设计为水泥：粉煤灰：砂等于1：0.5：1.5.为了验证配合比的合理性,将第一根管棚作为试验管,在管内泥浆水流干后,采用高强快凝砂浆对管周围空隙进行了封堵,并使用钢板焊接封闭管口,在此之前将安装有阀门的注浆管焊接在钢板之上,同时预留了排气孔作为排气之用.连接好注浆管,配置好水泥砂浆后开始注浆,根据导管的流量计算实际注浆量,与理论注浆量0.4m3 对比后发现,实际注浆量远远小于理论注浆量,而且注浆的压力达到了1.0Mpa 以上,注浆管爆裂,针对此情况,现场立即停止注浆,组织技术人员和施工人员与监理一道进行分析产生此问题的原因,一致认为是管内排气不畅、水泥砂浆粘度大、流动性差等原因所致,并采取了对策,反复调整水泥砂浆的配比,最终配合比水泥：粉煤灰：砂等于1：0.6：1.5；采用直径20mm 的PVC 管设置通长的排气管（34m）,通过采取以上措施后,后续回填注浆量都大于理论计算量,满足了设计预期要求,同时,经过不间断的监测,管棚上方的西大直街地面沉降量,完全在预期设计的沉降范围内.
四、地面沉降监测
在开始施工1、2 号风道管棚前1 周左右,按照设计图纸的要求并结合现场实际情况,在管棚施工范围地面上布设监测点,对因管棚施工可能引起地面沉降的范围进行监测,监测点布设完毕后,在管棚施工开始前,安排监测人员进行量测取得初始值,此数值将作为原始数据,与后续测得同一点位监测数据进行对比分析,以期求出此点位的沉降情况,并依据数据的回归曲线,对后续地表沉降进行预测.
1、2 号风道Φ108 管棚施工完成,风道在暗挖初支施工完成后,按照规范所规定的的监测频率进行了地面沉降监测,通过对地面沉降监测数据进行分析,在Φ108 管棚在施工过程中,很好的控制了地面沉降,都在事先预定的沉降范围内,保证了暗挖施工的施工安全.
地面沉降监测参数
五、施工总结与评价
本次管棚施工主要穿越了粉质黏土层,在现有的地面监控条件下,1 ＃风道采用北京中海恒通公司生产的水平钻机,可以在一次施工中完成成孔跟进安管,体现了工序少,施工速度快等特点.在顾及管棚施工速度的同时,Φ108 管棚的施工质量总体较好,管棚作业过程中设备维修保养少,能保证管棚连续作业,从而保证了管棚施工按计划顺利完成.
管棚的施工完成质量完全达到了设计和施工要求的效果,1 号风道开挖过程中,经过检查,施工的管棚形成的轮廓圆弧规则,形成一个完整的超前支护环,填充注浆效果通过在暗挖施工过程对Φ108 管棚的填充注浆进行检查,达到了预期效果.在对废弃的108 管切割后,发现管内填充密实,实践证实了采用配合比水泥：粉煤灰：砂等于1：0.6：1.5 是可行的,增加通长的PVC 排气管的方法是正确的.
就此项技术的应用前景看,在暗挖风道过程中以及施工风道全部初支完成以后,通过对Φ108 管棚施工总体质量进行总结分析后,我们可以认为：采用成孔与棚管安装一次完成的施工工法,在质量和进度方面可以很好的满足要求,因为施工机械的灵活性,可以在某些施工作业空间比较受限的地方进行施工作业.虽然有数据表明世界上最长的大口径长管棚是日本八户市一段公路隧道施工采用的管棚,全长180m,但是,成本和施工难度都是呈直线上升的,因此在成本和施工难度允许的话,Φ108 管棚长度以80 米为宜,否则,将难以保证施工质量.
六、结束语
大量的工程实例证明,作为一种有效工法用管棚技术可以对地铁暗挖施工的提供安全可靠的超前支护,对加固软弱土体、提高不良地层刚度效果明显,可以大大的的降低暗挖施工的风险程度.管棚施工质量的好坏,关系着后续暗挖施工安全,因此,此项技术非常值得进行深入研究.
教化广场站的大管棚施工技术所采取的措施,在后期的施工过程中得到了很好的验证,证明其所选用的施工机械和注浆方式是正确的,即保证了管棚的施工质量和进度,同时也为其后的暗挖施工工序安全保证,减少了事故隐患.
参考文献：
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（100041 中铁二十二局集团第一工程有限公司北京地铁6 号线西延五标项目经理部 北京）
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