下穿既有盾构区间长大管幕施工精度控制技术

银 波

（中铁十九局集团轨道交通工程有限公司，北京 101312）

1 工程概况

北京市某地铁木樨园桥南站—大红门站区间线路沿南苑路南北铺设，区间正线长564.485 m，采用矿山法施工。区间分左右线，向南下穿凉水河后下穿既有10 号线盾构区间，区间初支外轮廓距离既有线隧道底部仅2.5 m。

隧道通过地段为第四纪冲洪积层，地层主要以粉细砂层、卵石层为主，中间夹粉质黏土层。穿越地段临近凉水河，距离河岸约20 m，凉水河下地质为砂卵石、粉细砂透水层，中间夹杂粉质黏土隔水层，既有10 号线盾构区间穿透黏土层，凉水河渗漏水可能通过盾构区间外壁渗透至粉细砂层，形成流沙。

隧道近距离下穿既有线，会对周围地层以及既有线产生一定影响。为了确保隧道施工安全及开挖过程中上部地铁10 号线运营安全，隧道施工采用了超前预支护。超前支护采用锁扣管幕支护结合袖阀管注浆的方案，管幕为Φ299×12 mm 钢管，长度达36 m。锁扣管幕通过子母扣使钢管之间连接形成一个整体，传递和扩散上部荷载，是整个体系的关键。本工程地质条件复杂，如何控制管幕钢管顶进精度是锁扣管幕成型的关键所在。

2 管幕顶进精度控制存在的问题

（1）既有10 号线盾构区间穿透黏土层，凉水河渗漏水可能通过盾构区间外壁渗透至粉细砂、卵石层。卵石层一般分布粒径2～6 cm 的粗砾，中粗砂填充50%，施工过程中钢管在卵石层顶进，钻头扰动下前端极易产生上扬。

（2）开挖过程中卵石层出现大粒径卵石组，顶进极易受阻，前端容易发生偏斜。

（3）暗挖区间近距离下穿既有在运营盾构区间，此种结构型式尚属地铁施工首例，沉降控制要求极高（-3 mm～+2 mm），稍微的事故就会产生极大的社会影响，因此管幕施工阶段不能产生过大沉降。

（4）管幕锁扣施工难度大。

3 锁扣管幕顶进施工工艺原理

锁扣管幕采用“外管保护顶进为主，管内螺旋出土为辅”方法，利用两套液压系统，由后背墙提供反推力，抵消外套管及螺旋钻头所受阻力顶入地层；通过观测导向光源及精密角度探测仪，调节螺旋钻头及与外套管位置关系，精确控制套管顶进方向；精确计算出土量，通过控制顶进速度及出土量，减小管幕施工对地层的扰动；基准管施工完成后，沿基准管依次施工两侧钢管，通过子母扣使钢管之间连接形成一个整体；钢管顶进过程中自制袖阀管跟进，通过袖阀管注浆润滑减小土体对管壁阻力，浆液采用膨润土；顶进完成后，通过袖阀管对管外地层注浆加固，既有线下地层重点加固；钢管内灌注水泥浆，增加钢管刚度提高承载力。

4 管幕顶进施工精度控制

4.1 管幕钢管前端改造加设坡口

管幕采用Φ299×12 mm 热轧无缝钢管侧面焊接锁扣，锁扣材料为40×63×5 mm 角钢，通过锁扣将施工钢管连接在一起，形成整体支护；管头下端加设帽檐并设置坡口，防止顶进过程中管头上浮，距离端头3 cm 环向加固钢板，加强端部刚度防止顶进过程中变形（图1）。

4.2 机械设备控制措施

管幕施工作业场地必须平整密实，一般可利用初支临时仰拱直接形成作业场地，仰拱表面进行喷混抹平厚5 cm，场地宽度在大于设计管幕总宽度1.2 m。搭设管幕作业平台架，平台架必须稳固并且牢固的固定在作业场地的基础上。施工过程中通过水平竖向升降装置挪移支架平台，使钢管与液压系统装置精确就位。

图1 锁扣管幕及端部细部构造

作业平台架就位后，利用经纬仪调整平台架中线，与线路中心线平行，并于孔位中线重合；利用水准仪检测平台高程及坡度。为避免钢管顶进时下垂侵入初支结构，作业平台端头要抬高2 cm，并设置纵向坡度，一般为4‰。

4.3 端头加固

通过试验管幕数据分析，顶管开始顶进的2.5～3.0 m 对土体扰动最大，局部土体坍塌，顶管方向极易发生偏斜。为保证顶进精度，管幕孔位上下各50 cm 范围进行预注浆加固。注浆采用双液浆，压力控制在1.6～2.0 MPa，加固长度为3.0 m。

4.4 管幕施工管位精度控制

4.4.1 控制钻头位置，平衡土压

顶进过程中，以外管顶进为主，管内螺旋出土为辅。钢管顶进依靠大油缸液压系统，行程80 cm，每顶进80 cm 增加垫块，顶进6 m 后进行接管施工。螺旋钻头出土依靠小油缸液压系统，行程30 cm，螺旋出土与钢管顶进同时进行。顶进过程中，钻头位置通过小油缸的行程来控制，钻头与钢管前端的相对位置允许范围为-15 cm～+15 cm。

施工时计算理论出土量，根据顶进压力情况，调节钻头在管内位置（-15，15）cm。当顶进80 cm 计算理论出土量大于实际出土量，钻头要外探至钢管外，露出部分不得超过15 cm，依靠钻头旋转增加出土量减小钢管端部阻力；当顶进80 cm 计算理论出土量小于实际出土量，钻头要回缩至钢管内，回缩至钢管前端15 cm 范围内，不得回撤至15 cm 以外，否则容易造成管口被土体填满增大钢管前端阻力。

通过调节钻头位置，始终保持钢管前端阻力的平衡性，使顶进过程平顺，为精度的控制提供基础保障。

4.4.2 定向钻进，精确控制方向

定向钻进方法是非开挖管线施工的一种方法，它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与设计轨迹的差异，利用能调节方向的钻头（采用楔型钻头）调整钻头的钻进方向，使顶进方向与设计轨迹重合。

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 点方向，如同钟面）。打设角度如偏下，可以把钻头调到12 点方向，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 点方向纠偏可以使钻头轨迹朝下，9 点方向、3 点方向分别是为左、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。

4.4.3 控制钻进速度

严格控制钻进速度，采用低速钻进。每打设一缸即钻进80 cm 就检测一次是否偏斜，如有偏斜立即校正，通过不断校正平衡累计误差。

4.4.4 顶进过程辅助措施

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。如果仍然不能清除，可撤回钻杆，用气动潜孔锤清除，然后继续钻进。如果顶推力过大，可通过袖阀管注入膨润土类润滑剂减小阻力。如果出土量过大，可以通过袖阀管注入水泥膨润土浆液来补偿地层损失。

5 结语

木樨园桥南站—大红门站区间近距离下穿既有10 号线盾构区间工程，该处地质条件复杂，并且临近凉水河，地层富含水，必须充分考虑地质变化对管幕施工的影响。对于长大管幕施工，改善地层的物理特性，控制土压平衡及顶进速度，对保证管幕施工精度有重要作用。同是，采用定向钻进技术，是提高管幕施工精度的关键所在；增加的袖阀管注浆系统，在顶进受阻时注入膨润土浆液减小阻力，对提高管幕施工精度起到辅助作用。