淺談地鐵施工中的管棚技術

王強

【摘 要】管棚技術又在暗挖施工中對于在軟巖隧道施工中穿越破碎帶、松散帶、軟弱地層，涌水、涌砂層發揮了重要作用。由于預埋超前管棚做頂板及側壁支撐作用.為后續的隧道開挖奠定了堅實的基礎，

【關鍵詞】管棚施工；管棚技術；水平鉆機；應用前景；風道；地下工程施工；地下管線

自1863年倫敦建成世界上第一條地鐵以來，到1990年世界上已有30多個國家和地區的100余座城市建成地鐵并投入了使用。幾乎世界著名的城市如倫敦、紐約、柏林、巴黎、莫斯科、東京、新加坡、香港等都先后建成并形成地鐵網絡，促進了經濟的發展。隨著改革開放形勢的發展和經濟實力的增強，地鐵在我國有著美好的發展前景。我國地鐵建設起步較晚，但隨著改革開放和國民經濟的發展也日益得到重視。

地鐵暗挖車站施工技術是一項新發展的技術，地下鐵道車站常用方法多為明挖法、蓋挖法，受特殊環境限制方采用暗挖法施作，暗挖車站施工技術更為復雜而管棚技術又在暗挖施工中對于在軟巖隧道施工中穿越破碎帶、松散帶、軟弱地層，涌水、涌砂層發揮了重要作用。由于預埋超前管棚做頂板及側壁支撐作用.為后續的隧道開挖奠定了堅實的基礎，且施工快、安全性高、工期短.被認為是隧道施工中解決冒項的最有效最合理的施工方法。下面就從以下幾個方面來闡述具體地鐵施工中的管棚技術。

管棚法被用于城市地下鐵道的暗挖施工，在建筑物密集、交通繁忙的城市中心地區.采用明挖法施工地下工程必須拆遷大量的地層管網和地面建筑物，隨著人們對環境保護的呼聲越來越高及政府對環保的日益重視，承包商們不得不放棄既影響交通又不利于環境保護的明挖法而改用暗挖施工法，管棚法作為一種重要的暗挖施工法在日本、美國及歐洲各國被廣泛采用。

管棚鉆機是管棚法施工技術中最關鍵的設備，它的作用是沿著隧道斷面外輪廓超前鉆進并安設管棚。最早的管棚法施工采用的是普通水平鉆機.隨著管棚法大量應用.專用管棚鉆機應運而生。世界上最早推出管棚鉆機的是意大力RODIO公司的管棚鉆機。隨著一些著名的制造商也相繼推出了專用的管棚鉆機.如意大利的CASAGRANDE公司、SOILMEC公司、PUNTEL公司、美國INGERSOLL.RAND公司等。目前用于管棚施工的鉆機分為坑道鉆機、定（導）向鉆機、水平鉆機、夯管錘及專用管棚鉆機 長隧道最好選用專用管棚鉆機.短隧道如地下立交、地下過街道可考慮用其它類型的鉆機。世界上雖長的大口徑長管棚是日本八戶市一段公路隧道施工采用的管棚，全長180m，全部采用長管棚施工， 從隧道兩端設立了管棚推進基地各推進90m，水平鉆機安設管棚。 中國地質裝備總公司1987年開始研制開發專用管棚鉆機，1989年北京西單地鐵車站的承建商鐵道部第十六工程局在采購管棚法施工設備時，中國地質裝各總公司開發研制的土星鉆機以鉆孔精度高及價格低而中標，并在舉世矚目的北京西單地鐵車站暗挖工程中獲得成功的應用，鐵道部第十六工程局先后購買了8臺士星管柵鉆機 在工程實踐中，中國地質裝備公司先后開發了5個品種的鉆機并形成系列產品。管棚鉆機廣泛適用于水電、冶金、公路、建材、國防等施工單位，適用于中硬及硬巖中的鑿巖工作，更適用于穿鑿預裂爆破及水平、階梯式爆破深孔，尤其對開邊坡預裂孔及預應力錨索鉆機更有其獨到之處。

一、技術準備

（一）測量放線

施工前熟悉設計圖紙并按設計進行管棚輪廓線位置放樣，測量人員對孔位進行布置，孔口管的埋設，其方位角、仰角，外留長度、埋設長度須嚴格按設計執行。架立鉆機時用羅盤、掛線相結合的方法，確保鉆機軸線與管棚設計軸線相吻合，管棚中心定位經質檢工程師和監理工程師檢查合格后方可進行鉆孔。

（二）鉆孔導向

為了保證管棚鉆進精度，擬采用高精度導向儀，用有線和無線相結合的導向方法，隨時監控鉆進方向，隨時監控鉆進方向，保證有效控制偏斜，其鋪設精度為70米±30cm，即70米長度上下左右偏差不超過30cm。

（三）機具準備

進場場機具主要有水平鉆機、空壓機、風鎬、泥漿泵、砂漿泵、泥漿攪拌機、水平導向系統、電焊機等

二、主要施工方法和措施

本工程設計管棚長度為70m，管棚選用φ159的熱軋無縫鋼管，t=8mm，環向間距400mm，鋼管間采用絲扣連接，每段長度3-6m。根據本工程的工程地質、水文地質條件、施工場區環境等具體情況，為防止鉆進中地下水及泥沙涌出，確保管棚打設工程質量，并依據我單位在非開挖定向鋪管方面的施工經驗，決定選用孔口設密封裝置，“一次性導向跟管鉆進法”，即成孔和打設支護管一次完成。采用ф159×8mm管做鉆具，楔形導向鉆頭，焊在管棚前端，一次性使用。鉆頭內放置導向探頭（含回取裝置）、固定單向閥的導向專用鉆頭，采用泥漿護壁，利用有線導向儀監控，隨鉆進加尺（方位、角度發生變化時，隨時進行修正），將支護管依次打入。同時將支護管接口焊接嚴密，直至達到設計長度（施工工藝流程見圖2）。主要施工程序如下：

（一）操作平臺搭設

平臺搭設前須夯實地基，以保證鉆進過程中操作系統的穩定及鉆進精度。鉆機平臺采用枕木搭建，平臺滿鋪松木板，根據管棚孔的位置，分層調整鉆機平臺。鉆機平臺搭設好以后進行鉆孔，鉆孔順序由高孔位向低孔位進行， 可縮短移動鉆機與搭設平臺時間，便于鉆機定位、定向。見圖3操作平臺布置圖。

（二）管位鑿孔

在設計管棚孔位放線定位后，人工鑿除基坑圍巖孔位，遇圍護樁位管棚采用樁身鉆孔取芯，芯孔直徑約200mm。根據管棚設計長度及該段地質情況，管棚打設外插角為0.30-0.50，并按設計初支外弧線外放30cm（即管棚中心點距初支外弧線距離）。孔位鑿除要準確，打設時與圍巖封閉密實。

（三）鉆機就位

1.準備工作

（1）檢查設備是否有缺件，好壞程度。電機、鉆機、泵等測試運轉是否正常，所有部件是否完好；液壓系統是否通暢，密封完好度，液壓油泄漏狀況。

（2）檢查所有焊接部位是否有開焊，各種部件是否有變形，有則進行更換。

（3）鉆具組裝

①鉆頭楔掌板旋轉直徑Φ≤115mm，楔型面與鉆具（鉆桿）交角≤20°；

②水眼直徑Φ為8-10mm；

③鉆具前部的導向鉆頭，探棒必須經檢驗，保證質量合格，性能可靠，安裝齊全；

④探頭盒后部加裝燈光以備隨時測斜之用。

（四）鉆機設備組裝

設備組裝順序為：鋼墊板固定→H型鋼軌擺正找平→下行車組裝→軌道焊接→下節立柱安裝→第一層角鋼→第二層槽鋼→鎖緊斜拉筋→4柱對角找方→擺放工作臺板→水平鉆機安裝→電器安裝→前后絲杠、頂杠安裝→試運轉。

（五）鉆機定位

進鉆前，用經緯儀以坐標法在掌子面標定管棚孔位。鉆孔方位要求與線路中線平行，必須精確核定鉆機位置。架立鉆機時用精密陀螺儀檢測、經緯儀、掛線相結合的方法，確保鉆機軸線與管棚設計線相吻合。鉆機定位時，根據鉆孔深度鉆桿軸線與管棚軸線有一定數值的仰角，以抵消鉆深后鉆桿自重增加所產生的下垂。

（六）鉆孔、管棚跟進

（1）管棚加工及連接

管棚材料應順直，進場后報監理工程師檢驗，材質符合設計及規范要求。檢驗合格后采取在現場分節加工，每節鋼管長度為3.0-6m，鋼管間采用絲扣連接，絲扣長度為60mm，管箍長200mm，并均采用厚壁鋼管制作。鋼管每間隔30cm布置一孔眼，梅花形錯開，孔眼直徑為Φ10mm。

（2）鉆進

由于采用跟管鉆進法，鋼管安裝和鉆機進尺是同一過程。鉆頭采用與鉆管等徑的楔型鉆頭，楔板回轉半徑略大于鉆管半徑，鉆頭前端有Φ8-10mm的水眼，當鉆頭正常回轉鉆進時鉆管沿直線前進。水平鉆進中受鉆具自重影響，鉆具前部產生下垂現象，鉆具順時針旋轉，產生右旋力，造成鉆孔偏斜。因此確定開孔角度時，根據以往經驗和試驗孔成果，需要給開孔方位角與垂直角以合理的糾偏值，并根據已成孔測斜結果隨時予以調整糾偏角度。

開孔方位=線路走向+鉆孔放射角水平分量+水平糾偏角

開孔仰角=鉆孔放射角垂直分量+鉆進糾偏垂直角

注：計算中應將線路坡度考慮在內。

用Φ8mm的鋼絲繩將探頭盒取出，取出時應每10米測量一次孔斜情況；單孔打設驗收合格后，通過管內壓注水泥漿，對管內及管外環狀間隙進行充填。

在一般地層中，同徑管一次性跟管鉆進時應掌握以下原則：中小水量、低轉速、中低壓力、均勻給進。一般鉆壓800-1600kg；轉速30～60轉/min（砂層取其低值，粘性土取其高值最高≤100轉/min），泵量30-100升/min。水平鉆進，粗碎屑易在鉆具底部沉淀，造成鉆孔上仰或左右偏斜。因此鉆進中注意：

①加強沖洗液質量管理；

②合理控制泵壓、泵量，以保證鉆進碎屑在強懸浮力的作用下部分帶出孔外；

③根據不同地層，調整和控制好鉆壓、轉速，保持適度勻速給進。

④時刻掌握導向探頭返回數據，及時糾偏鉆進角度。

沖洗液循環系統工藝流程：

①沖洗液循環系統：

沖洗液制備→儲漿池（箱）→泥漿泵→高壓管→送水器→鉆具→管外環狀間隙→孔口回水閥門→回漿管（溝）→沉淀池（箱）→儲漿池（箱）。

②排放污水系統：

基坑邊污水沉淀池及排水溝管→坑底污水池挖砌→潛污泵安置→鋪設排污水管路→電路連接→試運轉。

三、質量保證及應急措施

（1）為了保證管棚鉆進質量，采取跳孔鉆進，鉆孔由高孔位向低孔位進行開孔孔位偏差≤±50mm，若須移位，應調整開孔角度進行回歸；開孔孔位距隧道開挖線設計為300mm，不允許向內偏斜。管棚的偏斜應控制在5‰以內，終端最大控制間距為300mm。

（2）施工前測量人員須校對布置好的孔位，孔口管埋設的方位角、仰角，外留長度、埋設長度須嚴格按設計執行，開鉆后鉆孔角度須復測。

（3）孔口管回水管焊接牢固，在插入孔內部分的孔口管麻片纏繞要均勻密實。厚度適度，須保證用大錘能將孔口管貫入孔內。孔口管安裝好密封盒后，檢查是否平直，必須保證角度準確。

（4）鉆機定位要穩固，鉆具安裝好后，做到與孔口密封裝置同心，保證密封效果。鉆機定位后，根據管位高度，將給進架吊至誤差50mm范圍內，用儀器精確測定其仰角和方位角，通過前后微調進行調整，給進架卡瓦固定后進行復測，以確保施工質量。

（5）鉆進前須先開泵，待循環正常后方可啟動鉆機進行鉆進。為防水土流失，控制沉降，應通過回水閥門嚴格控制回水量，始終保持回水量小于或等于進水量。

（6）鉆進時泵壓控制在1.2Mpa以上，泵量為50～100L/min為宜。隨著不斷地鉆進，結合地質情況的變化，對技術參數不斷地適時調整。鉆孔出現涌水時，盡量保持泵壓，泵量不能變小，以便平衡孔內壓力。

（7）沖洗液參數的調整要結合地層變化、孔內情況進行確定。沖洗液循環不正常時，嚴禁繼續鉆進。

（8）導向技術人員隨著不斷鉆進，必須時刻觀察探頭角度變化情況， 角度偏差大于0.3°時，應及時糾偏。當糾偏無效、偏差大于0.6°時，應停止鉆進，及時報告現場值班技術員，研究對策后再施工。

（9）鉆孔合格后及時安裝鋼管，其接長時連接必須牢固。注漿漿液必須充滿鋼管，注漿量和壓力應符合設計要求。

（10）施工前應對施工影響范圍內和管線進行探測，核對管線資料，最大埋深，根據調查結果做出相應防范措施。

（11）鉆進中出現地下水泥沙涌出時：

①壓緊密封裝置的壓蘭；適當改小泵送水量；

②如發現地下水壓力太大，可迅速加固孔口管；增加漲管螺栓和爪片數量，以便加固孔口管，防止孔口管外移。

四、質量驗收和標準

（一）材料質量驗收

鋼管、水泥等材料符合設計及規范規定，并附有產品合格證、出廠檢驗報告和進場復試報告，經現場監理工程師檢驗合格后方可進行施工。

（二）質量驗收標準

（1）施工資料齊全，符合《市政基礎設施工程資料管理規程》（DBJ01-71-2003）要求。

（2）施工質量符合軌道交通《車站工程施工質量驗收標準》（QGD-006-2005）、《地下鐵道工程施工及驗收標準》（GB50299-1999）及其他相關規范的規定。

（三）施工允許偏差和檢查方法

按施工工藝程序，每道施工程序及其主控項目和一般項目的驗收結果均應符合設計及施工規范的規定。主要施工項目允許偏差及檢查方法如表1所示。

主要施工允許偏差表 表1

五、文明安全施工要求

（一）文明施工要求

（1）嚴格要求全體施工人員對文明施工的重要意義必須有充分的認知，使之成為每個人的自覺行為，施工現場符合北京市文明施工標準化要求。

（2）材料堆碼整齊，交錯疊放高度不得超過1.5米，做到橫成排、豎成行。機械設備、材料、物資的搬運、裝卸時應保證周圍施工設施。

（3）導管和管棚安裝前應將工作面封閉嚴密、牢固，清理干凈。對鉆進時產生廢漿和涌出的地下水，應及時排出，泥砂按時清理，并運卸到指定地點。

（4）沖洗液池、沉淀池、排水溝應合理布局；泥漿泵、配電柜須架空高度應大于0.60m。

（5）超過噪音限度的施工作業，必須控制，如切割機、刨木機等；加強現場防火教育，落實消防措施，配備足夠的滅火器材。

（6）加強文明施工管理，愛護施工機具和材料，減少浪費。

（二）安全措施

（1）墊高鉆機所使用的木板一定要穩固，防止產生沉降、位移及塌落。

（2）電器設備、電纜、電線必須有漏電保護、防水保護。

（3）照明設備以保證各工種正常生產、安全生產為原則，燈具布局合理，盡量減少來回拉拽電線、移動照明燈為宜。

（4）施工中使用的電力線（注意有否老化，漏電現象）、風管線、水管線要布置整齊，有條理。

（5）施鉆時，按機械操作規程操作，嚴防機械傷人。

（6）注漿前嚴格檢查機具、管路及接頭處的牢靠程度，以防壓力過大爆炸傷人。

（7）要注意及時排水，防止作業面泥濘。

（8）鋼管內注漿時，操作人員必須帶好口罩、眼鏡及膠手套。

（9）必須具備良好的照明條件。

（10）實時注意掌子面的情況，防止注漿壓力過大掌子面開裂