小口徑鎖扣管幕超前支護施工技術創新應用

譚堅釗

中交四航局珠海工程有限公司

1 工程概況

珠機城際鐵路橫琴站位于珠海市橫琴新區橫琴口岸西側，共設置12個主出入口。車站出入口主要采用明挖順作法施工，基坑標準段開挖深度約11m，結構形式為單層矩形框架結構。其中，1號、3號、4號出入口因下穿重要結構市政綜合管廊，下穿段采用暗挖法施工，下穿段兩端仍采用明挖法施工，明挖基坑同時作為暗挖工作井，暗挖段與明挖段間設置鉆孔灌注樁隔斷，形成相對獨立施工空間。與出入口正交的市政綜合管廊結構斷面寬9.9m、高3.95m，管廊外頂覆土為2.0m～3.0m，管廊內含電力、給水等多種正在使用的重要管線，出入口結構頂部與管廊底部最小凈距只有0.85m。

場區位于海積平原區，出入口暗挖段在軟土地層內，主要為淤泥。暗挖段施工困難，必須采取有效的超前支護方式，確保出入口順利貫通。

2 工法選擇

隧道施工當中常見的其它主要預支護方法主要有管棚、超前小導管、水平旋噴樁等。

本項目暗挖超前支護工法選擇主要考慮以下方面：（1）橫琴站1 號、3 號、4 號出入口位于市區主干道下，施工期間占用市政道路，出入口中段更是與市政綜合管廊正交下穿，不具備大范圍開挖條件，管廊底部需設計較大剛度暗挖支護結構。（2）綜合管廊多種管線已投入使用，對于綜合管廊的保護方案是采用鋼結構反吊，而出入口暗挖段結構基本緊貼管廊底部反吊型鋼，因此結構頂部至管廊底部約0.85m的薄層土體直接考慮穿反吊型鋼時挖除，拱頂不進行超前支護，僅做側面支護。（3）暗挖段施工地層為淤泥質軟土，且臨近海域，含水量豐富，要求超前支護具備止水功能。

圖1 鎖扣管幕超前支護示意圖

綜合評價，本項目適用小口徑鎖扣管幕+鋼架內撐結合進行暗挖超前支護，核心土采用水平旋噴樁加固止水。管幕法施工時不必降低地下水位和大范圍開挖，不影響市政綜合管廊正常運行，適用于淤泥質軟土地層；可以有效控制地面沉降以及對周圍環境的影響。其中小口徑鎖扣管幕占用空間小，有利于減少工作基坑開挖范圍，減少占用城市公共用地。

主要做法，在下穿管廊段主體結構兩側施打鎖扣鋼管形成垂直鋼管幕墻，在鋼管內注滿水泥漿，增加管幕剛度。開挖前施做鎖口梁，開挖時隨挖隨撐。

此處所講的管幕法屬于大剛度管棚，是管棚中的特例。普通管幕不帶鎖扣，小口徑鎖扣工法以單根鋼管鋪設為基礎，多根鋼管平行咬合，密布在隧道或通道周圍形成穩定的支護結構。該管幕結構縱向成梁、橫向成拱，為開挖作業提供了可靠的保護。

3 鎖扣管幕創新應用

3.1 雙用數控切割焊接設備加工鎖扣鋼管

在每根鋼管的兩側均焊接有提供下一孔位鋼管滑行并卡位的軌道（角鋼）即鎖扣。后續孔位鋼管與相鄰鋼管的鎖扣角鋼咬合頂進，在鎖扣的作用下管與管橫向扣接，在開挖線外形成縱向成梁、橫向成拱的鋼管帷幕。鎖扣焊接質量的好壞關系到后續鋼管頂進精度控制，若鎖扣未焊接牢固，頂進過程中在公扣與母扣、鎖扣與土體摩擦作用下，鎖扣容易脫焊造成鋼管頂進偏斜，侵入結構限界。為確保鋼管鎖扣加工焊接質量，同時加快加工效率，本項目設計了一種簡易的雙用數控切割焊接設備應用于管幕鎖扣焊接加工。

其組成主要包括數控切割機、二氧化碳氣體保護焊機、加工臺座、導軌、鋼管限位板，所述數控切割機包括主機、控制面板、大齒條、左右移動座、上下移動總成；所述二氧化碳氣體保護焊機，焊接電源、送絲機構、焊槍、氣路系統和控制系統。

該焊接設備利用數控切割機的自動化功能，將氣體保護焊焊槍安裝固定在切割機的主機上，通過數控控制面板調節機身沿導軌行走速度，使焊槍保持平穩，提高鋼管鎖扣焊接工效和質量。主要工藝在于：將鋼管和鎖扣角鋼安放在加工臺座上通過鋼管限位板限位；因為鋼管鎖扣分為公鎖扣和母鎖扣，分別焊接在鋼管的上下，可在數控機身大齒條的上下移動總成上安裝兩把焊槍，調節焊槍上下移動就位，分別焊接公鎖扣和母鎖扣。數控主機行走速度等參數調節完畢，可沿安裝在加工臺座兩側的導軌縱移，逐一焊接鎖扣型鋼，焊接質量穩定。

圖2 雙用數控切割焊接設備

圖3 切槽頂管形成管幕

3.2 改進掌子面隔斷樁開孔方法

為了確保鋼管頂進精度，第一根孔作為標準孔，標準孔的精度決定了整個管幕的施工精度。因此，標準孔頂進時要全程進行嚴格地光學測量偏差，如有偏差隨時糾偏。若標準孔位置基本處于正常的設計位置，后續孔位鋼管的精度就有了保證。

本項目暗挖段掌子面為Φ800隔斷樁，頂管前需先進行開孔穿透樁身鋼筋混凝土，方能進行鎖扣管幕頂管施工。也就是標準孔位置首先需要進行開孔定位。

原方案采用水鉆打孔方式，在隔斷樁上由上往下逐一鉆孔打穿樁身鋼筋混凝土，鎖扣鋼管以開孔位為基準由上往下逐一頂進形成管幕。存在以下困難。

（1）開孔數量多，工效低。隔斷樁水鉆鉆孔取芯，根據管幕鋼管尺寸、預留調整管幕偏差寬度及暗挖段高度，單側豎排鉆孔數量達到100個。

（2）鉆孔取芯難度大，費用高。暗挖段位于淤泥層，灌注樁擴孔鼓包嚴重，水鉆需要取斷鋼筋混凝土，鉆孔效率低，鉆頭磨損嚴重，更換頻率高，鉆孔費用高。

（3）灌注樁表面凹凸不平整，水平鉆孔需安裝基座（角鋼制作），以調整鉆機水平，確保鉆機垂直于隔斷樁鉆進，否則難以保證開孔精度。

初期采用水鉆開孔，按2班制6孔/天，單側完成鉆孔提供頂管條件，需17天，工效極慢。

因暗挖段核心土體已進行水平旋噴樁加固，具有一定自穩能力?？筛挠美K鋸整體切割成槽的方式取代逐個鉆孔，鎖扣管幕鋼管沿槽口由上往下施打。采用繩鋸切槽首先解決穿繩鋸鏈條的問題，隔斷樁背后土層主要為淤泥質土，流塑性土層易受水流沖刷流失?？梢岳糜倌噘|土的這一特性，在隔斷樁背后直接使用注漿機的高壓水沿豎向沖刷，溶蝕淤泥土層形成空洞與隔斷樁中、下部鉆排孔貫穿，同時可以通過觀察水、泥漿從排孔中流出判斷貫通效果。

貫通后，繩鋸鏈條即可穿進孔洞，牽引至放置在基坑底部的繩鋸切割機。隔斷樁高度（5m）方向分兩段切割，避免過高影響吊裝、降低安全風險。掌子面隔斷樁開槽較開孔，工效可提高4倍。

圖4 洗孔切割縱斷面示意

3.3 單管螺旋出土頂進改為雙管擠土頂進

原管幕法頂管施工工藝原理：采用螺旋出土套管頂進工藝，管幕鋼管作為套管，內部安裝帶有專門鉆頭的螺旋鉆桿。管幕設備提供螺旋鉆桿的旋轉動力和套管的頂推力。管幕鋼管頂進時，螺旋鉆桿向鉆頭傳遞鉆壓和扭矩切削土層，并將鉆渣由管內螺旋排到孔口管外。這樣邊頂進、邊切削、邊出渣，將管幕鋼管逐段向前頂進至該施工單元（單孔或）施工結束。反復進行后續單元施工，逐步在開挖線外形成管幕結構。

實施過程中發現，短距離暗挖段（本項目15m）采用單管螺旋出土頂進，由于所在土層為淤泥質土，粘性大，鋼管內螺旋鉆桿切削土層后無法正常出土，往往鋼管頂到位時，渣土僅進入鋼管1/2處。逐根吊裝、受基坑支撐影響，頂進施工工效不高。

螺旋出土頂管方式中螺旋桿前端起擠土效果，如果采用在首節鋼管前端增加鋼板堵頭樁尖，管內不再出土，通過樁尖減少土體阻力，擠土頂進施工管幕。由于減少了管內土體的阻力，而頂管機由兩個油缸提供頂推力，經計算在短距離頂管施工中頂推力能滿足雙管同時頂進要求。

雙管擠土頂進方法：首先要將首節鋼管前端進行封堵處理，同時增加樁尖鋼板以減少頂進阻力。然后鋼管通過公扣、母扣兩兩安裝成雙，再進行吊裝頂進，提高施工效率。雙管上下排列，下部鋼管套螺旋鉆桿，此時螺旋鉆桿僅用于頂管定位，保證精度，不做螺旋出土。上部鋼管推力通過頂管機前端加大鋼板和型鋼提供。

圖5 樁尖制作（左）和雙管擠土頂進（右）

4 結論

小口徑管幕超前支護避免了管棚“高大長”等缺點，且相比于管棚施工方法，其造價低、工期較短、地層擾動小等施工效果更突出，更能有效保證短距離下穿通道開挖安全。珠機一期項目根據項目特點，進一步對小口徑鎖扣管幕超前支護施工技術進行研究，通過技術創新、方案優化等手段，確保了鎖扣鋼管加工焊接質量和工效，解決了管幕頂管隔斷樁掌子面開孔困難的問題，根據當地地質特點提出雙管擠土頂進工藝，有效的提高了管幕施工整體工效，增加其適用性、經濟性。

對于出入口等一些重要下穿工程或超淺覆蓋、對地面沉降要求較高而地質情況較復雜的地下空間的開發，小口徑鎖扣管幕工藝可做為超前支護優選方案。