淺析長(zhǎng)大管棚（幕）穿越高速鐵路路基沉降控制技術(shù)

陳寬鑫（中鐵二十四局集團(tuán)福建鐵路建設(shè)有限公司，福建 福州 350013）

淺析長(zhǎng)大管棚（幕）穿越高速鐵路路基沉降控制技術(shù)

陳寬鑫
（中鐵二十四局集團(tuán)福建鐵路建設(shè)有限公司，福建 福州 350013）

客運(yùn)專線鐵路標(biāo)準(zhǔn)高、運(yùn)營(yíng)速度快，任何構(gòu)筑物在穿越既有鐵路的工程施工中，如何控制既有鐵路線路的幾何狀態(tài)變化，維護(hù)既有鐵路的運(yùn)營(yíng)安全是穿越施工的重點(diǎn)，也是最終目標(biāo)。非開挖鉆機(jī)水平定向鉆孔回拉法進(jìn)行長(zhǎng)大管棚（幕）穿越施工，通過泥漿循環(huán)成孔、環(huán)狀間隙置換注漿、孔內(nèi)泥漿保壓、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)、地下定位系統(tǒng)精度控制等技術(shù)措施能有效控制被穿越區(qū)域的路基沉降變形。

長(zhǎng)大管棚（幕）；水平定向鉆；回拉法；路基沉降；施工技術(shù)

1 工程簡(jiǎn)介

南昌某框架通道下穿向莆鐵路，向莆鐵路為國(guó)家一級(jí)快速鐵路干線，設(shè)計(jì)時(shí)速250km/h，下穿施工區(qū)域位于南昌西站出站端咽喉區(qū)，穿越既有高速道岔2組以及10股道。框架橋順線路長(zhǎng)度為50.6m，軸向長(zhǎng)度為104.9m，框架橋中心線與向莆鐵路正交，全橋由北至南頂進(jìn)，最大頂程為115m。采用橋式盾構(gòu)+管棚（幕）超前支護(hù)中繼間法頂進(jìn)施工。

向莆鐵路新建不久，路基本體工后沉降尚未完全穩(wěn)定，框架橋頂板頂至路基面土層厚度僅為1.5m～2.5m，為保證框架橋頂進(jìn)過程中既有線的行車運(yùn)營(yíng)安全，于橋址位置頂部及側(cè)面設(shè)置管棚（幕）進(jìn)行超前支護(hù)，管棚（幕）采用φ299*10mm的無(wú)縫鋼管按間距0.32m/根布置，共243根，每根打設(shè)長(zhǎng)度為110m，兩側(cè)管棚至框架橋邊墻外緣距離為15cm，頂面管棚至框架橋頂板頂距離為20cm。管棚采用坡口焊接，管棚內(nèi)注M30水泥砂漿。

場(chǎng)址為一般站場(chǎng)路堤地段，填高為2m～5m。從上至下填料分別是：基床表層正線為級(jí)配碎石，站線為A組填料；基床底層為A、B組填料；路基本體采用改良土進(jìn)行填筑。

2 施工工法簡(jiǎn)述

根據(jù)管棚（幕）長(zhǎng)距離（距離長(zhǎng)達(dá)110m），大直徑（直徑為φ299mm），路基變形控制要求高（穿越地段為250km/h客運(yùn)專線，股道10股，其中有2 組18號(hào)道岔）以及工法的實(shí)用性原則，選用非開挖鉆機(jī)水平定向鉆孔回拉工藝進(jìn)行施工。水平定向鉆機(jī)是可控鉆孔軌跡，在不同地層和深度進(jìn)行鉆進(jìn)，通過導(dǎo)向系統(tǒng)使鉆頭沿著設(shè)計(jì)方向（軌跡）鉆進(jìn)并到達(dá)設(shè)計(jì)位置的施工機(jī)械。

施工工藝流程：

施工準(zhǔn)備→地板軌道鋪設(shè)→設(shè)備安裝調(diào)試→調(diào)試鉆機(jī)方位及傾角→安裝鉆頭、探頭（標(biāo)定）→循環(huán)液循環(huán)→導(dǎo)向鉆進(jìn)→回次打尺→導(dǎo)向鉆進(jìn)→穿越→清孔→擴(kuò)孔→……→鋪設(shè)管棚管（回拉）→管外環(huán)狀間隙漿液置換→ 安裝灌漿裝置→混凝土灌注（管內(nèi)注漿）→管頭封堵。

3 沉降控制技術(shù)

3.1 泥漿循環(huán)液系統(tǒng)

導(dǎo)向鉆進(jìn)以及清孔、擴(kuò)孔的成孔質(zhì)量與孔內(nèi)泥沙殘留量是路基沉降變形的影響因素之一。泥漿的作用是確保整個(gè)施工過程孔壁穩(wěn)定以及攜帶鉆屑出來(lái)的重要措施。泥漿粘度不足容易產(chǎn)生塌孔現(xiàn)象，嚴(yán)重則可能發(fā)生地表沉陷；攜帶鉆屑能力不強(qiáng)孔底淤積鉆屑導(dǎo)致桿管連接部在回拉時(shí)大量鉆屑堆積，增加回拉拉力，可能導(dǎo)致地表隆起。泥漿的具體配比必須根據(jù)具體地層及成孔狀況確定，正式施工前通過試驗(yàn)及試驗(yàn)管試配確定。循環(huán)液由水、膨潤(rùn)土和聚合物組成，水是鉆液的主要成份，膨潤(rùn)土和聚合物通常稱為鉆液添加劑。泥漿需充分?jǐn)嚢瑁鶆蚺渲疲瑖?yán)格執(zhí)行配比，泥漿循環(huán)液供應(yīng)泥漿能力必須滿足連續(xù)施工要求。本項(xiàng)目泥漿粘度設(shè)置值為37s，循環(huán)液流速需與鉆孔速度、粘度相匹配。

泥漿循環(huán)系統(tǒng)：循環(huán)液制備→儲(chǔ)漿池→泥漿泵→鉆具→鉆孔→孔口回水閥門→高吊管→排水地溝→沉淀池→儲(chǔ)漿池。鉆進(jìn)過程中必須保持上述各流通環(huán)節(jié)的暢通。

3.2 孔內(nèi)泥漿保壓

成孔時(shí)引起的地表沉降主要為成孔產(chǎn)生的應(yīng)力釋放，單根管棚（幕）產(chǎn)生的沉降非常小，隨著管棚（幕）數(shù)量的增加，成孔應(yīng)力釋放所引起沉降量的累加，將影響到總沉降量。孔內(nèi)泥漿壓力能夠平衡上部土體土壓力，維持水平應(yīng)力基本不變時(shí)，施工對(duì)臨近土體的擾動(dòng)則最小，同時(shí)孔內(nèi)保壓也能在施工中減小列車行駛震動(dòng)對(duì)孔壁的穩(wěn)定性影響起到很大的作用。

為減小成孔產(chǎn)生的應(yīng)力釋放，在管棚（幕）施工前，需要在進(jìn)出洞口安裝預(yù)埋保壓止水裝置。止水裝置是采用比管棚大10cm的固定尺寸鋼管做為外套管制作，鋼管一頭焊接法蘭盤，法蘭盤在焊管端與鉆機(jī)端按不同直徑預(yù)留空心孔徑，橡膠止水圈用一整塊橡膠板制作，采用螺栓固定在端頭鋼板上，橡膠材料必須具有足夠的彈性、耐磨性要求。頂部設(shè)置高吊管出漿口，具體構(gòu)造如圖1所示。

圖1 洞口止水裝置構(gòu)造圖

3.3 環(huán)狀間隙置換注漿

為確保回拉的順利進(jìn)行以及回拉過程中控制對(duì)路基擠壓變形，二次擴(kuò)孔后成孔徑需大于管徑3cm～4cm，鋼管回拉完成后管壁四周間隙存在大量的泥水混合物，若不對(duì)此泥水混合物進(jìn)行置換處理，管棚大量施工后路基將產(chǎn)生較大沉降。

在拉管完成后使用預(yù)留于管內(nèi)分置于兩管口的注漿管帶壓注入水泥漿，注漿口在施工現(xiàn)場(chǎng)加工，注漿管在拉管前預(yù)先布置至管棚鋼管內(nèi)，與管棚鋼管同時(shí)拖進(jìn)，管壁上方預(yù)留注漿口間距按10m/個(gè)進(jìn)行布置。注漿順序?yàn)閺闹行耐鶅啥艘来螌?duì)稱注漿施工，直至兩端孔口間隙流出勻質(zhì)水泥漿液，然后采用快硬性水玻璃封堵端口環(huán)狀間隙，最后對(duì)全部注漿孔同時(shí)進(jìn)行補(bǔ)注。注漿控制以壓力控制為主，注漿量控制為輔。管外環(huán)狀注漿采用PO42.5普通硅酸鹽水泥漿，水灰比1：1。環(huán)狀間隙泥漿置換工藝如圖2所示。

圖2 環(huán)狀間隙泥漿置換示意圖

圖3 靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)儀

3.4 導(dǎo)向精度控制

管棚用材是剛性材料（鋼管），設(shè)計(jì)軌跡線是水平直線鋪設(shè)，若導(dǎo)向孔軌跡線不能達(dá)到水平直線的精度要求而表現(xiàn)出有折角形狀，回拉過程中直線的鋼管管體會(huì)對(duì)鉆孔周邊土體形成擠壓，這種情況會(huì)導(dǎo)致回拉過程中出現(xiàn)路基擠壓變形、環(huán)狀間隙堵塞導(dǎo)致不能置換注漿、回拉不能順利進(jìn)行而形成廢孔。這三個(gè)方面都是路基變形控制的關(guān)鍵所在。

（1）導(dǎo)向系統(tǒng)配置應(yīng)根據(jù)機(jī)型、穿越障礙物類型、探測(cè)深度及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量條件等選用。本工程采用采用美國(guó)月蝕地下定位系統(tǒng)全程監(jiān)控，整套月蝕地下定位系統(tǒng)包括主機(jī)、鉆機(jī)上的遙顯器和裝入鉆頭的信號(hào)棒。

（2）操作方法是：要向上糾偏時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)鉆桿至12 點(diǎn)鐘方向叫停轉(zhuǎn)動(dòng)，命令推進(jìn)鉆桿則鉆頭作向上運(yùn)動(dòng)，同理向左（9 點(diǎn)鐘方向）、向右（3 點(diǎn)鐘方向）和向下（6 點(diǎn)鐘方向）作糾偏動(dòng)作，當(dāng)不需要糾偏時(shí)，鉆桿及鉆頭不停的旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)則可保持直線前進(jìn)。鉆頭及鉆桿中間都是空心的，泥漿通過漿池、鉆機(jī)、鉆桿、鉆頭噴射出來(lái)冷卻鉆頭以避免燒壞信號(hào)棒。

3.5 路基變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)

穿越施工最主要的就是不能影響列車正常運(yùn)營(yíng)，目前客運(yùn)專線均為全封閉式運(yùn)營(yíng)管理，施工人員在天窗點(diǎn)時(shí)間外嚴(yán)禁進(jìn)入線路，管棚穿越施工中，為確保能實(shí)時(shí)跟蹤路基變形及線路狀態(tài)以指導(dǎo)施工，則需采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)手段。

具體措施為：

（1）全自動(dòng)全站儀進(jìn)行水平及豎向位移監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)方法選用小角度法或極坐標(biāo)法進(jìn)行測(cè)量。本工程按15m間距布置6個(gè)線路縱向監(jiān)測(cè)斷面，線路橫向布置按每?jī)删€間各布置1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，總計(jì)66點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)的布置采用沉降樁的形式，直接布置在路基本體內(nèi)。在沉降樁上安裝觀測(cè)棱鏡，利用自動(dòng)化掃描軟件控制全站儀進(jìn)行自動(dòng)三維掃描測(cè)量。

（2）靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行實(shí)時(shí)、精確的豎向位移監(jiān)測(cè)。靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)儀對(duì)高差的觀測(cè)精度可達(dá)到20μm甚至更高，成果輸出頻次可達(dá)到秒的級(jí)別，可通過計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)輸出成果（其原理如圖3所示）。

本工程因道岔的線性控制尤為關(guān)鍵，故沿道岔設(shè)置6個(gè)線路縱向監(jiān)測(cè)斷面，道岔兩側(cè)橫向布置4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，共24個(gè)自動(dòng)測(cè)點(diǎn)。靜力水準(zhǔn)儀安裝在沉降觀測(cè)方樁（長(zhǎng)×寬×高位25cm×25cm×80cm）上，基樁設(shè)置在線路外穩(wěn)定位置。

（3）電水平尺（EL BEAM）進(jìn)行線路不均勻沉降的變形監(jiān)測(cè)

電水平尺用錨栓安裝在道床（結(jié)構(gòu)物）上，接著將傾角傳感器調(diào)零，并鎖定在該位置，道床（結(jié)構(gòu)物）的沉降會(huì)改變梁的傾角。將一系列電水平尺首尾相接地安裝在道床上，形成上述的所謂“尺鏈”，就可得出“尺鏈"范圍內(nèi)的沉降曲線。本工程因道岔的精度要求高在兩處道岔軌道中心各布設(shè)1條69m電水平尺，共計(jì)46個(gè)。

3.6 其它控制措施

（1）焊管端需設(shè)置水平焊管托架或平臺(tái)，鋼管連接必須確保中心線為直線，可采取水平靠尺進(jìn)行管周四個(gè)方向進(jìn)行控制，鋼管方向調(diào)整符合要求后方能進(jìn)行坡口焊接，焊口需光滑無(wú)毛刺。

（2）擴(kuò)孔孔徑大于管徑3cm～4cm即可，太大則對(duì)路基變形影響不利，太小則影響回拉的順利進(jìn)行。擴(kuò)孔及清孔次數(shù)為2～3次即可，鉆頭從小至大依次替換，嚴(yán)禁大直徑鉆頭直接擴(kuò)孔。擴(kuò)孔時(shí)需確保循環(huán)液的暢通，不得干擴(kuò)，要始終注意出土量不能超過設(shè)計(jì)孔的理論出土量。

（3）鉆孔、擴(kuò)孔進(jìn)程需采用速度與頂拉力雙指標(biāo)進(jìn)行控制，鉆擴(kuò)孔速度需低速勻速進(jìn)行操作，以0.8m/min控制為宜。清孔時(shí)可適當(dāng)提高速度進(jìn)行快速清孔。

（4）嚴(yán)格執(zhí)行跳孔施打要求，跳孔間隔至少為3根以上。確保不串孔以及相鄰區(qū)域短時(shí)間內(nèi)累計(jì)沉降不超標(biāo)。

（5）加強(qiáng)施工組織，快進(jìn)快出，縮短輔助工序間隔時(shí)間，盡快完成回拉工作進(jìn)行環(huán)狀間隙置換注漿，填塞孔洞。

結(jié)語(yǔ)

目前城市化進(jìn)程的加快，加速了城市市政道路路網(wǎng)的功能完善，與既有鐵路交叉穿越將會(huì)越來(lái)越多，管棚（幕）超前支護(hù)下進(jìn)行大跨度地下工程施工是確保鐵路運(yùn)營(yíng)安全特別是客運(yùn)專線運(yùn)營(yíng)安全的有效手段之一。穿越施工中沉降變形控制是施工的關(guān)鍵也是目標(biāo)所在。本文所在項(xiàng)目長(zhǎng)大管棚穿越向莆鐵路施工通過采用以上幾項(xiàng)控制技術(shù)，確保了穿越施工的順利進(jìn)行，路基沉降變形最大日變化速率為0.78 mm·d-1，累計(jì)下沉最大量為13.4mm，滿足客運(yùn)專線正常運(yùn)營(yíng)的技術(shù)要求。

[1]張維承.長(zhǎng)距離大管棚（幕）施工沉降規(guī)律和控制措施研究[J].福建建筑，2010（03）.

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