鐵路隧道施工預(yù)支護(hù)新技術(shù)

1、5 大剛度咬合管幕預(yù)支護(hù)技術(shù)5.1 傳統(tǒng)的超前預(yù)支護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀超前預(yù)支護(hù)技術(shù)在破碎或松散地層、自穩(wěn)能力差的隧道施工中被廣泛采用。所謂的超前預(yù)支護(hù)體系就是 在隧道開(kāi)挖之前，在掌子面前方的自然地層里，沿隧道橫斷面設(shè)置一個(gè)像拱殼的連續(xù)體，使其既加固掌子面前方的自然地層，同時(shí)利用初期支護(hù)又保持自然地層的特性，從而保證掌子面及地層的穩(wěn)定，減少地表沉降量。早期的隧道施工，預(yù)支護(hù)的形式主要為打插鋼板、木板或型鋼，即所謂的插板法?，F(xiàn)代常用的超前預(yù)支護(hù)方法有超前錨桿、超前小導(dǎo)管、水平旋噴注漿、機(jī)械預(yù)切槽法和超前管棚法。 鐵路隧道施工預(yù)支護(hù)新技術(shù)(1)超前錨桿超前錨桿是沿隧道開(kāi)挖面外輪廓鉆孔，插入鋼筋桿體并用水泥砂

2、漿使桿體與圍巖固結(jié)成整體。隧道開(kāi)挖后，桿體及周邊固結(jié)的部分圍巖支承上覆巖土體，防止圍巖坍塌，減少洞室變形。在破碎巖石地層中，該方法工藝簡(jiǎn)單，造價(jià)低，應(yīng)用十分廣泛。在砂土質(zhì)松軟地層中，因砂漿與粘土體粘結(jié)力較低，限制了應(yīng)用；同時(shí)因?yàn)橐淮问┳骶嚯x短，預(yù)支護(hù)剛度小，在地應(yīng)力較大、地層位移控制嚴(yán)時(shí)，也限制了它的使用。 (2)超前小導(dǎo)管超前小導(dǎo)管與超前錨桿所不同的是將鋼筋桿體改為空心鋼管，通常管徑3650mm，管壁預(yù)留注漿孔，管口止?jié){封面后，注入水泥漿。壓力注漿滲透擴(kuò)散管周較大的砂土體。管周注漿固結(jié)體形成一定厚度的隧道加固圈后，實(shí)現(xiàn)超前支護(hù)的目的。該方法工藝簡(jiǎn)單，造價(jià)低，特別是砂、土質(zhì)松軟地層中，應(yīng)用十分

3、廣泛。但因其一次施作距離短，預(yù)支護(hù)剛度小，在地層壓力大，地層位移控制要求嚴(yán)時(shí)，也限制了它的應(yīng)用。 (3)水平旋噴注漿噴射注漿法，又稱旋噴法，分為垂直和水平旋噴注漿兩種方法。水平旋噴注漿的施工原理類(lèi)似于垂直旋噴注漿，只是一個(gè)為水平一個(gè)為垂直。其施工方法為，首先使用旋噴注漿機(jī)，沿著隧道掌子面周邊的設(shè)計(jì)位置旋噴注漿形成旋噴柱體，通過(guò)固結(jié)體的相互咬合形成預(yù)支護(hù)拱棚。一般每根旋噴體，首先通過(guò)水平鉆機(jī)成孔，鉆到設(shè)計(jì)位置以后，隨著鉆桿的退出，用水泥漿或水泥水玻璃雙漿液旋噴注入鉆成的孔腔，通過(guò)高壓射流切割腔壁土體，被切割下的土體與漿液攪拌混合、固結(jié)形成直徑600mm左右的固結(jié)體，同時(shí)周?chē)貙邮艿綁嚎s和固結(jié)，其

4、土體的物理力學(xué)性能得到一定程度的改善。旋噴柱體沿隧道拱部形成環(huán)向咬合、縱向搭接的預(yù)支護(hù)拱棚，在松散不穩(wěn)定地層隧道中，可有效控制坍塌和地層變形。水平旋噴注漿樁的應(yīng)用在我國(guó)還不是很廣，旋噴樁抗彎性能不強(qiáng)，施工控制的難度較大，特別是目前我國(guó)的水平旋噴鉆機(jī)性能尚未過(guò)關(guān)，制約了水平旋噴預(yù)支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。 (4)械預(yù)切槽法機(jī)械預(yù)切槽法首次應(yīng)用于20世紀(jì)70年代法國(guó)巴黎快速軌道運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)車(chē)站的建造工程中。它是利用專業(yè)的切槽機(jī)械，沿隧道外輪廓切割一定深度的切槽。切槽方式有帶鋸式和排鉆式兩種。在硬巖地層中，利用該切槽，作為爆破振動(dòng)的隔振層，主要起隔振或減振的目的。在軟石或砂質(zhì)地層中，在切槽內(nèi)填筑混凝土

5、，形成預(yù)支護(hù)拱，提高隧道穩(wěn)定性。機(jī)械切槽預(yù)支護(hù)，在國(guó)外已有多次成功應(yīng)用的實(shí)例，取得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。在國(guó)內(nèi)，軟巖鋸式切槽機(jī)尚在研制當(dāng)中。(5)超前管棚法大管棚(一般管徑75118mm，長(zhǎng)度1020m)是指開(kāi)挖掘進(jìn)前在隧道開(kāi)挖工作面的上半斷面(呈扇形)或全部沿隧道斷面周邊間隔一定距離用大型水平鉆機(jī)鉆孔，鋼管跟入或向孔內(nèi)壓入鋼管而形成鋼管群體。為提高鋼管剛度常向管內(nèi)灌注混凝土或鋼筋籠混凝土。由于一次施作距離大，支護(hù)剛度大，它能有效控制土質(zhì)圍巖的下沉松馳和坍塌，好地控制地表沉降量，在城市地鐵施工中廣泛應(yīng)用。 在流砂、含水質(zhì)淤泥地層中，管棚鋼管間流泥、流水問(wèn)題難以解決，也阻礙了大管棚在該領(lǐng)域的應(yīng)

6、用。 5.2 管幕施工技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r國(guó)外管幕技術(shù)發(fā)展較先進(jìn)的國(guó)家主要有美國(guó)、日本、英國(guó)和德國(guó)等。美國(guó)是最早采用管幕技術(shù)的國(guó)家，在19221947年間，美國(guó)采用管幕法累計(jì)完成鋪管工程830項(xiàng)，鋪管總長(zhǎng)度16800m。20世紀(jì)50年代開(kāi)始長(zhǎng)距離管幕，20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了小口徑管幕，以19771984年下水道敷設(shè)看，短距離、手挖式的一次頂進(jìn)方法占半數(shù)以上，長(zhǎng)距離的管幕施工方法、半盾構(gòu)方法則逐漸增加。美國(guó)1990年以前是液壓管幕占主導(dǎo)，隨著氣動(dòng)鋼管頂打技術(shù)出現(xiàn)，迅速發(fā)展并取代液壓，液壓管幕已由1990年的80%迅速降為1994年的40%。 (1)國(guó)外管幕技術(shù)的發(fā)展日本自20世紀(jì)7080年代下水道敷設(shè)

7、中，直徑10001850mm者大部分是管幕，直徑大于2000mm的多用襯砌盾構(gòu)施工法，頂進(jìn)施工法其施工管道長(zhǎng)度占下水道總長(zhǎng)度的6.3%，另外盾構(gòu)法占2.3%，而明挖施工法占36%。各種工法如鐵鼠掘進(jìn)機(jī)施工法、水平螺旋鉆施工法、鼴鼠式掘進(jìn)機(jī)施工法、土箭施工法應(yīng)運(yùn)而生。微型機(jī)械施工法能使原先不可能的小口徑管幕進(jìn)行長(zhǎng)距離轉(zhuǎn)彎施工，且比較經(jīng)濟(jì)。施工機(jī)具主要分為壓入式、水平螺旋鉆機(jī)、水平鉆孔、泥漿加壓式施工，其中前兩種使用較多且可修正方向。20世紀(jì)90年代日本super-mini施工法協(xié)會(huì)開(kāi)發(fā)的適于大、中口徑16003000mm的長(zhǎng)距離管幕施工法，即覆膜管幕法又一次飛躍地提高了管幕一次頂進(jìn)的最大距離。日

8、本還自行研制開(kāi)發(fā)了閉水性、耐酸性好的鋼筋混凝土管、聚乙烯塑料管、鑄鐵管、增強(qiáng)塑料管等專用規(guī)范管材。 英國(guó)管幕技術(shù)發(fā)展也較快，1980年從日本引進(jìn)泥水平衡式管幕機(jī)械與當(dāng)時(shí)西德合作施工的一條內(nèi)徑為2489mm，長(zhǎng)度為3.2km的管道已獲成功，且曾達(dá)到不用中繼間最大頂距178m的記錄。德國(guó)在大口徑管頂進(jìn)方面技術(shù)比較先進(jìn)，一次頂進(jìn)最長(zhǎng)2.2km，最大直徑4.4m，如VS864掘進(jìn)系統(tǒng)，用感應(yīng)式激光屏幕顯示頂進(jìn)位置，采用快速運(yùn)行的液壓千斤頂推頂，每天進(jìn)尺達(dá)4050m。1970年的德國(guó)漢堡下水道管幕工程是世界上首次一次頂進(jìn)超千米的混凝土管幕工程，1987年完成的西柏林供熱水鋼筋混凝土管道，內(nèi)徑4.1m，一

9、次頂進(jìn)1088m，工程總長(zhǎng)3607m。在小口徑管幕方面：施密特克朗茨有限公司開(kāi)發(fā)了一種新的PBA38型頂壓鉆進(jìn)設(shè)備可有效控制敷設(shè)接戶支管以及最大內(nèi)徑DN300mm的管道且目標(biāo)精度高，管接口為雙層密封。(2)國(guó)內(nèi)管幕技術(shù)的發(fā)展管幕施工法是中國(guó)最早使用的非開(kāi)挖施工方法，1953年首次用于北京西郊行政區(qū)污水管工程，采用人工挖掘頂進(jìn)直徑900mm管徑的鑄鐵管。隨后，上海等城市也相繼采用這一技術(shù)，但都是手掘式管幕，設(shè)備也較簡(jiǎn)陋。20世紀(jì)70年代，為適應(yīng)大口徑管道穿越江河的需要，我國(guó)開(kāi)始發(fā)展長(zhǎng)距離頂進(jìn)技術(shù)。1978年研制成功的三段雙鉸型工具管解決了百米管幕技術(shù)，同年，上海又成功開(kāi)發(fā)適于軟粘土和淤泥質(zhì)粘土的

10、擠壓法管幕，比普通手掘式管幕效率提高一倍以上。從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，管幕技術(shù)在中國(guó)有了很大發(fā)展。1981年在穿越甬江的管道工程中，第一次應(yīng)用中繼間獲得成功，頂進(jìn)長(zhǎng)度達(dá)581m，成為當(dāng)時(shí)繼美國(guó)依里諾斯州一次頂進(jìn)585m之后，世界一次頂進(jìn)最長(zhǎng)的管幕工程。20世紀(jì)90年代我國(guó)的管幕技術(shù)已處于世界先進(jìn)水平。1992年上海研制成功國(guó)內(nèi)第一臺(tái)加泥式1440mm土壓平衡掘進(jìn)機(jī)，在奉賢排污工程中，直徑DN1600mm鋼筋混凝土管一次頂進(jìn)1511m，創(chuàng)單向一次頂進(jìn)混凝土管的世界記錄。1996年底又設(shè)計(jì)成功可調(diào)換止水帶的中繼間在上海黃浦江上游引水工程中，將內(nèi)徑3500mm的鋼管，單向一次頂進(jìn)1743m，再創(chuàng)世界

11、之最，該工程地面用微機(jī)監(jiān)控，采用無(wú)線電通訊手段傳達(dá)到地下，可隨時(shí)調(diào)整其偏差，減輕人工負(fù)擔(dān)且確保施工精度，目前我國(guó)管幕工程的管幕直徑之大、頂進(jìn)長(zhǎng)度之長(zhǎng)均屬世界領(lǐng)先水平，已具備一次頂進(jìn)3000m管道的能力。 管幕技術(shù)顯著的優(yōu)越性使它得到了廣泛的應(yīng)用，在給排水工程、煤氣熱力工程、通信電纜和發(fā)電廠循環(huán)水冷卻系統(tǒng)中采用管幕施工法的愈來(lái)愈多，從經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益、環(huán)境效益，及三者綜合比較來(lái)看，管幕施工明顯具有實(shí)際的可用性。 5.3 管幕預(yù)支護(hù)技術(shù)考慮到流塑狀淤泥質(zhì)含水地層，淺埋和城市環(huán)境(周邊建筑物和地下管線)等因素，把隧道暗挖施工對(duì)環(huán)境安全、對(duì)地面交通和既有建筑物的干擾減少到最低程度，超前預(yù)支護(hù)是一項(xiàng)重

12、要的工程技術(shù)措施。傳統(tǒng)的超前預(yù)支護(hù)剛度較小、一次施作距離短，而管幕預(yù)支護(hù)中的鋼管一般直徑為2002500mm，一次施作距離長(zhǎng)，這種支護(hù)鋼管可作為整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分，因此又稱為結(jié)構(gòu)性管棚。 5.3.1 管幕用作隧道預(yù)支護(hù)應(yīng)用現(xiàn)狀北京地鐵五號(hào)線崇文門(mén)站總長(zhǎng)202.9m，兩端為兩層三拱結(jié)構(gòu)，中間下穿既有環(huán)線地鐵區(qū)間段，為單層三拱結(jié)構(gòu)，既有線區(qū)間結(jié)構(gòu)底板與車(chē)站單層斷面頂部?jī)艟?.858m。由于既有區(qū)間地鐵軌道允許沉降小，傳統(tǒng)的超前支護(hù)技術(shù)不能控制車(chē)站暗挖施工引起的過(guò)量地層位移。因此，采用了雙排600大直徑鋼管，長(zhǎng)28m一次施作；振動(dòng)錘夯入，螺旋鉆出土的施工方法，取得了工程的預(yù)期效果。(1)北京地鐵五

13、號(hào)線崇文門(mén)站穿越既有地鐵段北京地鐵五號(hào)線東四站穿越朝內(nèi)菜市場(chǎng)段，為嚴(yán)格控制暗挖施工沉降，采用159長(zhǎng)50.54m、間距0.5m拱部大管棚預(yù)支護(hù)。由于該區(qū)段管棚一次施作長(zhǎng)度大，普通鉆機(jī)無(wú)法施作，采用地質(zhì)鉆機(jī)引孔、振動(dòng)錘夯入、管內(nèi)高壓水出土的施工方法，也取得了工程的預(yù)期效果。(2)北京地鐵五號(hào)線東四站穿越地面建筑物段5.3.2 管幕預(yù)支護(hù)的特點(diǎn)因管幕鋼管頂入時(shí)，正面土體封閉形式、開(kāi)挖方法和出土方式的不同，形成了不同類(lèi)別的管幕施工方式，但均遵循一個(gè)共同的原理，即無(wú)論是否使用工具管，首節(jié)切入管均是切土頂進(jìn)，切入段的長(zhǎng)度視地層松軟和穩(wěn)定性的不同而不同，如本工程采用全長(zhǎng)切土頂入。因此，管幕施工自身對(duì)地層擾

14、動(dòng)極小，施工安全可靠。管幕作為隧道施工的預(yù)支護(hù)，管幕自身施工遵守著預(yù)支護(hù)原理。因此：(1)該工法施工時(shí)無(wú)噪音和震動(dòng)，不影響城市道路交通；(5)高精度的管幕機(jī)研制或購(gòu)置費(fèi)用較高，但作為隧道預(yù)支護(hù)一次頂進(jìn)長(zhǎng)度較短時(shí)，其精度要求相對(duì)較低，也可采用較為簡(jiǎn)單的正面土體開(kāi)挖方法和出土方式。(2)可以在不采用氣壓振動(dòng)條件下，使鋼管頂入，不擾動(dòng)砂土和淤泥地層；(3)可以在既有建筑物鄰近進(jìn)行施工，小直徑管自身頂入施工引起的地表沉降通常可控制在3mm以內(nèi)，一般不需對(duì)建筑進(jìn)行基礎(chǔ)托換和地下管線改造；(4)作為預(yù)支護(hù)的鋼管埋入土體不能再回收，成本較高；5.3.3 施工步驟(1)工作面封閉或加固處理對(duì)待預(yù)支護(hù)的隧道或?qū)?/p>

15、坑工作面進(jìn)行封閉。(2)推進(jìn)基坑或反力座準(zhǔn)備根據(jù)所采用推進(jìn)設(shè)備的作業(yè)要求，鋪設(shè)推進(jìn)機(jī)作業(yè)軌道或修筑頂力后背，以及頂入管的安裝，存放場(chǎng)地。利用頂進(jìn)設(shè)備將這些鋼管通過(guò)推進(jìn)設(shè)備推入隧道輪廓線外的地層之內(nèi)。(3)推管利用推進(jìn)設(shè)備，將整長(zhǎng)或分節(jié)管推入地層，形成管幕的預(yù)支護(hù)拱。(4)隧道開(kāi)挖在管幕的超前支護(hù)下，進(jìn)行隧道開(kāi)挖。5.3.4 大剛度管幕預(yù)支護(hù)的力學(xué)作用管幕預(yù)支護(hù)因其大剛度及大長(zhǎng)度，末端支撐在已支護(hù)結(jié)構(gòu)上，前端伸入未擾動(dòng)地層很遠(yuǎn)或也支撐在托拱上，使掌子面開(kāi)挖地層由未擾動(dòng)的初始平衡直接轉(zhuǎn)換到建成隧道的最終平衡，這一點(diǎn)，使管幕預(yù)支護(hù)優(yōu)于所有傳統(tǒng)預(yù)支護(hù)技術(shù)。傳統(tǒng)預(yù)支護(hù)技術(shù)都是以掌子面的三維影響為基礎(chǔ)的，

16、這對(duì)隧道的短期穩(wěn)定有重要作用。若根據(jù)地層特征及開(kāi)挖引起的應(yīng)力分析后證實(shí)：掌子面將要發(fā)生變形，那么，在掌子面到達(dá)前產(chǎn)生于地層內(nèi)的變形必須為設(shè)計(jì)者所接受，否則，就必須借助于繁重昂貴的預(yù)加固處理。在松散地層的淺埋、大斷面暗挖隧道工程施工中，上述傳統(tǒng)的各類(lèi)超前支護(hù)因其強(qiáng)度低、剛度小，雖然可較為有效地控制坍塌，但地層變形、地面沉降值仍然較大，雖然采用很多工藝繁雜的多分部工法，也往往不能滿足地面沉降的控制要求。特別是地面存在高大、對(duì)不均勻沉降極其敏感的建筑物或地中埋設(shè)物等。隨著城市地下交通網(wǎng)，地下工程建設(shè)的發(fā)展，不可避免遇到的重要敏感地面建筑物和地中埋設(shè)物，含水砂層、淤泥質(zhì)地層等不良地質(zhì)將越來(lái)越多，暗挖施

17、工對(duì)地面沉降環(huán)境控制要求將越來(lái)越嚴(yán)，該技術(shù)勢(shì)必具有良好的應(yīng)用前景。5.4 管幕預(yù)支護(hù)的構(gòu)造形式在管幕作為隧道預(yù)支護(hù)時(shí)，根據(jù)工程需要，所頂入的鋼管之間可實(shí)現(xiàn)相互連接。 在管幕預(yù)支護(hù)施工中，第一根鋼管的中心和高程是關(guān)鍵，它必須精確地安裝，因?yàn)樗鼪Q定了隨后各管的安裝精度。相鄰兩管之間連接是通過(guò)在其外側(cè)焊接的互鎖的連接件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。連接件除了起導(dǎo)向作用外，還可以增加支護(hù)體系的剛度，并防止地下水流入開(kāi)挖工作面。 連接件可以是各種形狀，如圖5-1所示，圖中(b)(f)的連接件均處于管的外側(cè)，因而摩擦阻力較大，連接件容易變形和破壞；圖中(g)的連接件位于管的內(nèi)側(cè)，摩擦阻力相對(duì)較小。所有的鋼管安裝完畢后，可向管內(nèi)灌注混凝土，以防止管的腐蝕和變形，并向管的連接件處注入水泥漿液或化學(xué)漿液，以實(shí)現(xiàn)密封。此后，便可形成管拱整體體系。 (a)無(wú)連接件(b)導(dǎo)槽和T字形(