管棚夯管法施工对周边环境影响分析

杨会军，孔 恒

(1.中铁六局集团有限公司，北京 100036;2.北京市政建设集团有限责任公司，北京 100045)

0 引言

管棚法作为隧道施工常用的一种辅助工法，在地质条件差、周边环境复杂、变形控制严格等情况下发挥了重要作用，尤其是浅埋暗挖法隧道穿越既有建(构)筑物时，对控制塌方和抑制地表沉降具有明显的效果［1－4］。其常用的施工方法有钻孔法、顶管法、夯管法等。当通过松软地层时，可采用夯管法施工，其工艺原理是通过切削地层，减小了对地层的直接挤压，因此采用夯管法控制沉降效果较好。但是夯管法施工对周边环境造成的影响也不容忽视，诸如管棚施打和注浆时，所引起的噪音、振动、既有结构变形等，对周围环境及既有线也带来了不利影响。为此不少学者对其进行了研究，如文献［5］对浅埋暗挖黄土隧道管棚受力机制进行了研究分析;文献［6－10］介绍了浅埋暗挖法下穿既有运营车站管棚施工方法及关键技术。但在管棚夯打、注浆过程中对地层、既有车站变形、轨道沉降等造成的影响均未进行监测及分析。本文通过管棚施工过程中对周边环境的实际监测，分析了管棚施工对周边环境的影响程度，以期对类似工程施工提供参考。

1 工程概况

新建车站位于北京地铁4号线宣武门车站与2号环线宣武门车站垂直交叉处，并且从其下下穿而过。顶板与既有车站底板之间垂直距离只有1.9 m，下穿既有站时采用φ300 mm大管棚保护下的CRD工法施工。新建车站与既有运营车站位置关系纵断面图如图1所示。

图1 新建车站与既有运营车站位置关系纵断面图(单位:mm)Fig.1 Longitudinal profile showing relationship between Metro station under construction and existing Metro station(mm)

管棚范围内地层主要为卵石圆砾层、粉质黏土层、粉土层。地下水极为丰富，属层间水，水位标高为24.19 ～26.38 m(水位埋深为20.50 ～24.30 m)，地下层间水位比车站底板标高高4 m左右，对施工影响很大，施工中采取降水措施以降低地下水位。

2 管棚施工技术

2.1 管棚设计

下穿既有线施工采用管棚支护，上半断面布设φ 300 mm大管棚，平顶拱部上方梅花形布置双层管棚，水平间距450 mm，垂直间距331 mm，共98根;侧墙两侧设置单排管棚，间距450 mm，共40根。具体布置见图2和图3。钢管按设计要求采用DN299钢管，壁厚12 mm。

图2 管棚布置图(单位:mm)Fig.2 Layout of roof pipes(mm)

2.2 施工流程

夯管施工工艺流程如图4所示。

图3 管棚布置纵断面图(单位:m)Fig.3 Longitudinal profile showing layout of roof pipes(m)

图4 夯管施工工艺流程图Fig.4 Technical flowchart of roof pipe ramming

2.3 施工关键技术

2.3.1 堵头墙破除

由测量组画出管棚施作范围轮廓线，根据夯管进度及顺序，分次用风镐破除管棚范围的堵头墙初期支护(2～3根范围)，对影响夯管的工钢及连接筋夯进前割除。每夯进2～3根钢管后，将钢管与堵头墙初期支护用短工钢及连接筋焊接牢固，并对堵头墙空隙喷混凝土充填密实。

2.3.2 地质及障碍物探查

在单层段两端画出管棚孔位，采取隔两孔探一孔的方法进行地质及障碍物探查，探孔深度3.5 m。未发现障碍物的探孔及时回填密实，并用混凝土封堵牢固。

2.3.3 试夯

1)确定夯击频率:试夯夯击频率初步按180次/min进行。

2)确定上仰角:初步设定上仰角为1.5%。

3)确定夯进顺序:采取由中间向两侧间隔跳打的顺序。

2.3.4 跳孔施工

夯管施工采取“间隔跳打，先中间、后两侧，先下排、后上排”的顺序进行。

2.3.5 夯管施工

在管棚的位置留设套孔固定孔位，以确保管棚进口施工位置准确。根据每根管棚的中心线及高程，铺设夯管锤轨道。

1)管壁润滑。为减小管壁内外摩擦力，钢管就位好后，在夯进前均匀涂抹润滑油脂(采用黄油)，以充分润滑内外管壁。

2)夯进。第1根钢管夯进较为重要，并会影响后续管节的夯进精度，所以采用低气压缓慢夯进，待夯入完毕恢复正常气压后再继续夯进。夯击施工中须严格控制孔位轴线，若有不利偏向要及时进行纠正，纠偏遵循“勤纠少纠”的原则。

3)钢管满焊连接。管节间采用坡口满焊对接，焊缝要求饱满、焊高达到规范要求，对接完成后，保证接口处平顺，再在接口处帮焊10 cm长钢管。

4)出土。采用高压风吹土，根据夯进情况选择分段出土或是一次性出土。若夯进困难，则每夯进1节则出1次土，以减小夯进阻力;若夯进较顺利，则夯通后采取由两端对吹的方式出土。

5)注浆。钢管端部设止浆封堵钢板，并在钢板上设注浆孔及出浆孔，压注无收缩水泥浆。水灰质量比为0.6∶1，注浆压力控制在0.5 MPa，掺加10%的防收缩增强外加剂XPM。采用注浆压力和注浆量双控标准。

6)管头封闭处理。所有管棚注浆完毕后，将多余管头割除，堵头墙处按设计封闭。

3 施工影响分析

3.1 监测内容

1)结构沉降监测采用静力水准仪，既有车站内以及新建车站中线两侧30 m范围为重点监测部位，既有结构和走行轨道沉降监测点布置如图5所示。

图5 既有结构和轨道沉降监测点布置示意图Fig.5 Layout of settlement monitoring points for existing structure and track

2)支护结构与既有站底板之间地层纵向沉降采用通长测斜管进行实时监测，测斜管布置如图6所示。

图6 支护结构与既有车站底板间测斜管布置(单位:mm)Fig.6 Layout of ground settlement monitoring inclinometers installed between supporting structure of Metro station under construction and floor of existing Metro station(mm)

3.2 监测结果分析

3.2.1 既有结构沉降

既有结构纵向沉降分布如图7所示，监测结果显示:

图7 既有结构纵向沉降分布图Fig.7 Curves of longitudinal settlement of existing structure

1)地铁4号线中心上方既有结构沉降最大值为4.32 mm(正值表示隆起)，距离地铁4号线45 m处沉降最小值为0。

2)管棚施工过程中，管棚的夯打以及注浆对土体的扰动，引起既有结构产生抬升，表现为既有结构整体隆起。

3.2.2 轨道沉降

轨道纵向沉降分布如图8所示，监测结果显示:

1)管棚施工开始:地铁4号线中心上方既有线轨道隆起最大值为0.64 mm(正值表示隆起)，距离地铁4号线40.5 m处既有线轨道沉降最小为－0.07 mm(负值表示下沉)。

2)管棚施工结束:地铁4号线中心上方既有线轨道隆起最大为4.08 mm(正值表示隆起)，距离地铁4号线40.5 m处既有线轨道沉降最小为0。

3)管棚施工开始，结构沉降主要由于既有线路正常运营振动引起，数值变化较小;管棚施工过程中，管棚夯打以及注浆对土体产生扰动，引起轨道隆起。

图8 轨道纵向沉降分布图Fig.8 Curves of longitudinal settlement of existing tracks

3.2.3 既有结构沉降与轨道沉降对比分析

轨道沉降与既有结构沉降关系曲线如图9所示，结果表明:

1)测点位于管棚施工区内，管棚的夯打和注浆直接影响既有结构和轨道的隆沉，最大隆起分别达到4.41 mm和4.52 mm，因此必须严格控制注浆压力和注浆量。

2)当测点处于施工影响区外，既有结构和轨道结构的隆起增加缓慢，且隆起值较小。

图9 轨道沉降与既有结构沉降关系曲线(2007年5月开始监测)Fig.9 Correlation between settlement of existing tracks and that of existing structure

3.2.4 既有结构沉降与地层沉降对比分析

测斜管采集的地层沉降数据，与对应于该点同一竖直监测断面的既有结构沉降测点的监测数据具有一定的可比性，监测结果如图10所示。

1)管棚施工过程中，地层沉降发生显著的振荡变化，最大振幅达到1.14 mm，最大沉降值为 －1.44 mm;相比较而言，既有结构沉降呈现缓慢隆起抬升，最大值为2.02 mm(正值表示隆起)，最小值为1.14 mm(正值表示隆起)，变化幅度为0.88 mm。

2)管棚施工过程中，地层沉降与既有结构沉降关系不明显，管棚夯打以及注浆过程中，土体应力变化以及注浆不密实，引起地层产生沉降。既有结构的沉降表现为结构整体的位移，受管棚夯打及注浆影响，既有结构表现为隆起。

图10 既有结构沉降与地层沉降关系曲线Fig.10 Correlation between existing structure settlement and ground settlement

4 结论与建议

1)管棚施工对既有车站变形影响的控制效果总体良好，所有变形值均未超出下穿既有车站施工目标控制值。

2)夯管施工按照“间隔跳打，先中间、后两侧，先下排、后上排”的顺序进行，并控制注浆参数，从而有效控制了管棚施工对地层、既有车站变形、轨道沉降的影响程度。

3)管棚的夯打和注浆直接影响既有结构和轨道的隆沉，因此必须严格控制注浆压力和注浆量。

4)管棚施工过程中，地层沉降与既有结构沉降关系不明显，管棚夯打以及注浆过程中，松散土体应力变化以及注浆不密实，引起地层产生微小沉降。既有结构的沉降表现为结构整体的位移，受管棚夯打及注浆影响，既有结构表现为抬升、隆起。

管棚施工各工序之间的关系(如管棚夯打、出土、注浆等)还有待进一步分析研究。

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