软土地区管幕法箱涵顶进施工技术

管幕法是利用顶管机建造大断面地下空间的施工技术，是一种新型的地下暗挖技术。其原理是以单根钢管顶进为基础，各钢管间依靠锁口相连，并在锁口处注入止水剂，形成密封的止水帏幕。采用管幕法时，由于开挖土体或者推进箱涵是在管幕的保护下进行的，因此，可以显著减少地面沉降和增加施工时开挖面的稳定性，同时，由于管幕具有隔离地下水的作用，故施工时无需降低地下水位。本文详细讨论了有关软土地区管幕法箱涵顶进施工技术以及箱涵推进施工技术。

一、管幕顶进施工技术 （一）顶管进出洞技术措施 1、土体加固

当在软弱土地区进行施工时，由于管幕段所处的土层基本为流塑状的土，含水量大，强度低，为保证管幕钢管进出洞时洞口的稳定性及防水要求，避免软弱土体及地下水涌入工作井内，造成地表沉降，同时为增加始发井后靠土体的稳定性，需要采取土体加固的措施。土体加固要求为：

（1）土体加固、改良后的土体的无侧限抗压强度需大于1.2MPa。但也不能太高，以免造成顶管顶进时顶力太大，影响顶进精度。

（2）加固范围按3米考虑。加固过程中，应对地表进行跟踪监测，地表隆起应控制在20毫米以内。

2、顶管出洞技术措施 （1）出洞施工

在出洞施工之前，需要通过开观察孔等手段，确认加固后的土体的止水性达到设计要求，防止由于加固效果不良，导致洞口泥水涌入。若土层加固未达到设计要求，则需要进行二次加固处理，直到确认安全后，才可进行顶管的出洞施工。

为防止掘进机出洞时发生磕头现象，可采取如下措施：调整后座主千斤顶的合力中心，出洞时加密对掘进机偏差的测量，一旦发现有下磕的趋势，立即用后座千斤顶进行纠偏。 （2）洞口止水装置

在软粘土及淤泥质粘土地区，地下水也是管幕施工的一大影响因素。对于高地下水位地区，为避免推进过程中的涌水及涌砂现象，应尽可能选用具有水密性的推进机头，或在推进进行的过程中进行止水灌浆。为有效地防止地下水、润滑泥浆流入工作井内，需要设置有效的洞口止水构造。

3、顶管进洞技术措施 在机头将要达到接收井时，要精确测出机头姿态位置，尽量满足橡胶法兰与机头同心的要求。在顶管结束后，顶管首节与尾节和井壁预埋钢环连接，并作密封处理。 （二）管幕渗漏的防治 虽然在开挖前，管幕接口间压注过高分子浆液，但随着开挖的进行，管幕接口仍然可能渗漏。此时，根据渗漏点的部位应分别采取措施：

（1）渗漏点在已开挖的部位：此时用电钻在连接口部位穿孔，直接压注油溶性聚氨酯。也可以采用钢板封堵后压注聚氨酯。

（2）渗漏点在开挖部位前方：派人乘小车进入钢管，在预定部位压注聚氨酯浆液。如果发生在侧壁且深度较大，视情况可以在地面振管注浆。值得指出的是，为保护地面绿化，管幕以上土体不容许注任何浆液。 （三）触变泥浆减阻

顶进施工中，触变泥浆的应用是减少顶进阻力的重要措施。顶进时，通过顶管机铰接处及管节上预留的注浆孔，向管道外壁压入一定量的减阻泥浆，在管道四周外围形成一个泥浆套，

减少管节外壁压入一定量的减阻泥浆，从而减少顶进时的顶力。泥浆套形成的好坏，直接关系到减阻的效果。 （四）钢管焊接

为提高焊接质量与焊接速度，可以采用管道自动焊接技术，以人工焊接为辅，自动焊接为主。 由于管幕钢管的厚度较厚，管节头部设单面坡口，尾部不设坡口，这样管节顶进时不会减少受力面积，坡口采用45°。

管节吊下井后，先进行拼接。拼接时，在前一节管节尾部烧焊几个“搭子”，通过在搭子中打入铁楔，可将后一节管节头部整形，使之与前一节尾部能相连接。拼接时，前后管节间应留1～2毫米的空隙，利于烧焊牢固。 （五）管幕顶进后的处理措施 （1）置换触变泥浆

当相邻两根钢管顶进结束后，进行触变泥浆的置换。置换材料选用纯水泥浆，以便有足够的连接强度。置换过程按顺序进行，通过回流孔将触变泥浆完全排入钢管内。置换时，需要严格控制水泥浆的注浆压力和注浆量。 （2）钢管锁口止水处理

为了防止箱涵顶进时，不发生渗漏泥水的现象，在触变泥浆置换完成后，要利用预留的注浆孔向锁口部位压注聚胺脂浆。同时，要预留足够的跟踪注浆孔，以便在箱涵顶进过程中对局部渗漏点进行二次注浆。 （3）钢管混凝土填充 在箱涵顶进前，在管幕部分钢管内进行无收缩、免振捣混凝土填充，以加大管幕纵向的刚度，和避免管幕局部出现应力集中而屈服。 （4）钢管端部与工作井的连接

浇注混凝土后，将钢管的口部焊接封闭，再用钢板与连续墙预留钢板焊接，连为一体。 二、箱涵推进施工技术

在软弱粘土中进行大断面的箱涵顶进施工，由于施工难度很大，可结合工程具体情况，采用管幕法箱涵顶进的施工方案。 目前，国外应用较多的大断面箱涵顶进施工工法主要有FJ工法和ESA工法。FJ工法通过钢绞线把两侧箱涵连接在一起，通过后面的串芯油缸或者中继间千斤顶交替牵引两侧的箱涵，或者设置反力壁安装钢绞线，箱涵一侧牵引推进；ESA工法则完全依靠箱涵自身的反力推进。

以上两种工法的主要特点都是先挖土后推进，因此，前方土体必须加固以保持工作面的稳定，同时，箱涵推进时需要开挖导坑，布设轨道；还需要很大的场地来制作箱涵；但无需反力后背及反力架；箱涵分节推进，总的推进力较小，减少千斤顶和钢绞线的数量，可靠性较高。 国内应用较多的是箱涵顶进工法，该工法工艺简单，技术相对成熟，但是后靠土体需要加固，而且后靠结构容易失稳。当由于道路的限制，不可能提供很大的预制场所；同时限于工程造价，管幕内的土体也不加固，所以导洞也无法施工。此时，箱涵有四种方案可供选择：推进工法、牵引工法、推拉结合工法和有中继间的推进工法。

隧道下穿既有铁路管幕施工技术

摘 要：110m长的管幕下穿铁路施工在国内尚属首次，如何控制长管幕施工精度及控制地表沉降是施工中的两个关键性技术难题，结合厦门市高崎互通连接线下穿鹰厦铁路隧道长管幕施工工程实例，对该问题进行了深入分析探讨，其中精度控制主要依靠较先进的导向仪器；沉降控制则主要通过出土量、及时对管内管外进行回填注浆以及现场同步施工监测等综合措施来实现，研究成果对国内外同类工程的施工具有重要的指导意义。 关键词：下穿铁路；长管幕；施工；技术

1 工程概况

厦门市高崎互通连接线同既有鹰厦铁路杏林大桥成小角度斜交，互通连接线采用下穿隧道方式通过，隧道分左右两线，其中左线78m，右线110m。隧道通过地段地表为第四系全新统人工填筑土，结构松散、厚度4m左右，其下为第四系全新统长乐组海相沉积层，第四系更新统龙海组冲、洪积层以及燕山期花岗岩。隧道场区内地表水主要为海水，临近厦门西海域有大片养殖池，其水位受潮汐影响：地下水不发育，主要受大气降水补给，地下水位受季节性控制明显。

隧道拱顶距地表的最小深度仅为2.5m，因此隧道施工不可避免的会对周边地层以及上部立交桥产生一定的影响。为了隧道施工安全并确保隧道开挖过程中上部的铁路安全，隧道施工过程中进行了超前支护，超前支护采用管幕支护，其长度达110m。

2 管幕施工工艺流程及技术要求

2．1 管幕施工方法及工艺流程

管幕法施工即在隧道的开挖线外侧，按400mm间距，沿隧道轴线方向将φ299×12mm的钢钢管水平铺设在土体里，钢管之间采用锁扣连接，并在φ299钢管连接处打入φ60钢花管，通过φ60钢花管对土体进行注浆加固并使φ299钢管成为一个整体。

根据本工程的具体地质情况及工程特点，采用“前拉后夯”施工方法进行夯管施工，即首先利用水平导向钻机打设φ127的水平孔。根据水平孔的精度，分析是否进行扩孔作业，然后采用前拉后夯的方法：在前部用拉管钻机通过钻杆及连接头拉住φ299钢管，将φ299钢管拉入设计位置。在拉入过程中，如果出现回填卡钻现象时，局部用夯锤夯击通过。具体施工方法是：采用φ127钻杆在上部中间位置打设一个导向孔，要求此类导向孔的导向精度控制在20cm以内。导向孔完成后，根据具体地层情况判断是否进行扩孔作业，并提高钻孔精度。扩孔作业要采用挤扩的方法，不能采用通常水循环大扩孔方法，防止引起地层扰动，导致地面沉降。扩孔完成后采用前拉后夯法，将φ299钢管拉入，C型钢取消，在拉入时，可能会遇到回填及不均匀的硬地层引起卡钻现象，局部用夯锤夯法，在钢管后部施以夯力使钢管顺利通过，直至将钢管拉出对面掌子面。然后进行第二根施工，以上钢管铺设完成后，在两根钢管之间进行注浆加固，直至全部钢管铺设完成。φ299钢管全部布设完成后，采用

φ20mm钢筋上下两排焊接将两端的管头连接起来，使端头部位形成一个整体。 管幕法施工工艺流程可总结如下：

施工准备→测量放线→设备安装→有线导向钻进→扩孔拉管→单孔下管完成→管内注浆→管外注浆→下一根钢管施工(下一循环)„„全部完成后对钢管端头进行连接形成一整体。

2．2 管幕施工技术要求

2．2．1 打设时必须控制地表沉降，终孔跟踪注浆，注浆必须保证管内外间隙注满填充实，在打设时必须按照设计要求进行施作；

2．2．2 施工中先施作导向孔，再进行扩孔拉管，最后进行管内、管外注浆： 2．2．3 管外注浆不能对导向及扩孔产生影响，因此要错开时间和空间位置。

2．3 管幕施工技术难点

2．3．1 管幕施工中要求导向孔偏差不能大干25cm，拉管偏差不能大干15cm，本工程导向距离长，且地层条件复杂，极不均勻，导向孔打设及其精度控制难度大；

2．3．2 管幕离地表距离仅为3m，处于特殊地段，管幕打设过程中对地面沉降的控制难度大。

3 管幕施了管位精度控制技术

3．1 定向钻进施工工作原理

定向钻进方法是非开挖管线施工的一种方法。该方法要求在钻进过程中能准确测定钻头在地下的位置和方向。根据钻头在钻进过程中的位置和方向同设计轨迹的差异，利用能调节方向的钻头(一般为楔型钻头)改变钻头的钻进方向，从而完成铺设工作。钻头钻进示意如图1所示。

钻头内装有特制的传感器，传感器由信号线连接显示屏。显示屏显示钻头的倾角和面向角(导向板的方向：导向板朝上即为12点，如同钟面)。打设角度如偏下，可以把钻头调到12点，即导向板朝上，直接顶进，此时由于导向板底板斜面面积大，受到一个向上的力，钻头轨迹就会朝上运动。同理在6点纠偏可以使钻头轨迹朝下，9点、3点分别是为左、右纠偏方向。如果角度合适，钻机会匀速旋转钻进，此时钻杆轨迹一般是平直的，所以导向钻头是上下纠偏的关键。

导向钻进中，导向管是随钻打入的，导向管就是护壁管，起到套管护壁作用。

3．2 钻具要求

钻孔采用水平钻机完成。水平钻机设有轨道，能平移、升降钻机平台。全液压水平钻机回拖力50t，扭矩23000Nm，打设最大导向孔φ325mm,一次性最大扩孔直径在此类地层中可达400mm，打设时采用泥浆护壁，一次性成孔，然后前面用拉管机通过钻杆拉动扩孔头扩孔，

并由万向节同φ299钢管连接保证方向，并拉动钢管，将钢管拉入，如遇障碍物不能拉动时，后面用夯管锤锤击，直至设计深度。

钻杆为φ159mm×5钢管，两端为φ159mm×12mm接手，加工成每根6m，钻头为楔型钻头，斜板加安硬质圆柱合金，可破除一般回填砖石。φ299管幕钢管采用厚度为10mm无缝钢管，钢管之间加内接管箍，管箍长400mm，采用直接对焊连接。

3．3 水平定向钻进控制技术

水平定向钻进能长距离打设，而且能保证质量，因为打设采用楔掌斜板钻头，钻头后面200mm处装有有线或无线导向探棒，操作台上有显示屏，如有偏斜随时可以调整角度，终孔偏差可以控制在25cm以内，能够达到设计要求。

3．3．1 利用φ159的钢管作钻杆，使用回旋钻进，并利用有线和无线两种导向方法，严格控制导向精度。利用高精度有线导向仪及管内光学测量系统能控制精度为3％，利用无线导向仪器在地表进行测量定位，能控制偏差在20cm以内。导向孔偏差如大于20cm，可以采用扩孔方法将孔径扩大到φ250-φ300再利用前拉后夯法下管。拉入时φ299钢管的管头是敞口的，并且钻 杆同φ299连接处不在φ299钢管的中心位置以部分调节导向孔打设后形成的偏差；

3．3．2 严格控制钻进速度，采用低速钻进。必要时用拉管机将钻管拉回注浆，待固结后重打，要24h观察地面情况，发现问题立即处理：

3．3．3 水平定向钻进时，每打设一根钻杆可以检测1～2次是否偏斜，如有偏斜立即校正；

3．3．4 如果出现回填物使钻杆不按预设路径钻进，可反复旋转进退，将回填物破除。如仍不能清除，可撤回钻杆，用气动潜孔锤清除，然后继续钻进。

4 管幕施了地表及大桥沉降控制技术

4．1 出土量控制技术

为避免引起地面沉降，要保证实际出土不能大于理论出土值，要尽量减少对地层的扰动。因此扩孔直径不能大于299mm，控制出土量；导向孔打设位置要距已铺管幕或已有导向孔1m以上，不能在已拢动的位置继续钻孔；要控制水量，尽量减少夯击时间，减少对地层的扰动。

4．2 注浆施工控制技术

为了避免相临管幕施作后引起地层松动，确保地面无沉降，在管幕施工过程中须适时在管幕外侧进行回填注浆，以补偿地层的松散变形，更加有效地控制地层的扰动变形。跟进回填注浆采用φ60mm钢花管注浆。

4．2．1 注浆采用水泥浆，水灰比为1:0.8，注浆量根据钢管内和钢管外的间隙计算多少立方，然后看地层渗漏情况确定每一根钢管的注浆量。注浆要求管内管外分别加注，泵压控制在0.5-0.8mpa以内，停15-30分钟进行二次补浆，确保管内外填充质量、泵压低会影响地面下沉，泵压高会影响地面拱起。注浆必须控制好注浆量、注浆压力等每一个环节，

保证达到设计要求为标准；

4．2．2 管内注浆：管内注浆采用水泥砂浆(C25)，水灰配比为1:0.8，注浆由一端进行，注浆口设在一端，出浆口位于另一端，设在钢管顶部，当出浆口流出浆液后，关上阀门，然后加压至0.8Mp。待浆液固结后，进行二次注浆，即将一端钢管端头部位割开，使管内水流出或抽出，然后进行填充注浆，填充注浆时，可加入适量的膨胀剂，注浆效果通过割开管头部位进行检验；

4．2．3 管外注浆：管外注浆通过专门的φ60钢管进行，φ60钢管位于φ299钢管之间，φ60钢管须钻φ15注浆孔，注浆孔按海米4个孔布设。首根及尾根注浆管不设注浆孔。注浆前要先将注浆管内泥土清出，保证两端通畅，注浆压力不宜超过0.8Mp；

4．2．4 注浆前要确定注浆水泥及膨润土的比例，要做水泥不同比例膨润土试块，最终确定管内及管外注浆配比

4．3 施工同步监测技术 4．3．1 管内测量点的布置

为了第一时间发现在管幕布设及后续开挖过程中沉降数据，在左右两边各设一个空管作为测量观测管，在每个测量观测管南北两端管内设测量观测点，观测点距管端口15m。 4．3．2 地表沉降的监测

对于本项工程的施工，其主要的监测内容为地面的沉降或隆起的监测，管幕施工引起的地面沉降要控制在5mim以内。本项工程的监控内容为：

(1)在施工之前对路面进行原始数据的采集，并按照设计要求进行沉降点的布设。 (2)施工过程中按照设计要求的监测频率进行地面沉降观测。但根据各个不同的工序和异常情况的出现，实时进行监测。其监测的频率为：

1)地面观察，随时进行，包含地面的隆起、裂缝、塌陷等异常情况：

2)沉降观测：根据不同的工序选取监测频率，导向孔及拉管施工工序按12h进行一次监测；注浆工序，则24h跟踪监测。

3)在注浆过程中随时监测随时指导注浆施工，出现异常立即停止注浆。

5 管幕施工控制效果分析

厦门市高崎互通连接线下穿鹰厦铁路隧道长管幕施工工程进展顺利，在施工过程中各钢管安装方向控制较好，最大偏差在15cm以内。由于施工过程中注浆等施工措施及时到位，地表沉降较小，最大沉降在5mm以内。这说明本工程各种施工技术措施对管幕施工的控制效果较好，可以在其它类似工程中推广应用。 6 结语

厦门市高崎互通连接线和鹰厦铁路斜交，采用下穿隧道方式通过，隧道采用110m长的管幕进行预支护。110m长的管幕施工在国内尚属首次，如何控制管幕施工精度及控制铁路

沉降是施工中的两个关键性技术难题，其中精度控制主要依靠较先进的导向仪器；沉降控制则主要通过出土量、及时对管内管外进行回填注浆以及现场同步施工监测等综合措施来实现，研究成果对国内外同类工程的施工具有重要的指导意义。