轨道交通区间隧道工作中的长管棚施工工艺

陈刚

（贵阳市公共交通投资运营集团有限公司，贵州贵阳 550000）

0 引言

长管棚施工工艺可以在恶劣的施工环境中应用，保证开挖作业的安全性，避免地层出现沉降现象，对结构物的加固效果较好。为确保轨道交通正常运行，施工单位必须将基础沉降控制在合理范围以内。围绕实际隧道施工项目，对长管棚施工工艺进行分析，以此验证该工艺的可行性。

1 工程概况

以黄河南路站—锦江路站区间隧道建设项目为案例。该项目位于贵阳市花溪区，项目的建设起点位于黄河南路站，途经南明河黄河路段，与锦江路站连接。该隧道的长度约为760m，设计为双洞单线+单洞双线结构形式，隧道拱顶部位的埋设深度保持在18～22m，左线与右线之间的距离设计为14～28m。

2 长管棚支护原理及施工方案

2.1 长管棚支护原理

长管棚预支护是指在开挖隧道之前，沿着隧道的开挖断面，将钢管埋设在指定的孔中。向钢管注入水泥浆液，填充至岩体裂缝中，保证管棚与附近的岩体形成一个固结的整体。长管棚安装能够形成加固圈，从而发挥承载拱的作用，对上部岩体起到支护作用，促使围岩与支护体系转变为一种不受外部作用力的状态。在这种情况下，隧道拱顶以内的围岩与支护体系只需承载在隧道方向上产生的变形压力。长管棚预支护体系示意图如图1 所示。

图1 长管棚预支护体系示意图

长管棚预支护体系的支护原理为：

2.1.1 梁式效应

如设计图纸对长管棚的进口部位无特别要求，可设置套拱基础，远端应该设置在岩层的内侧，构成简易化的简支梁结构，可以承载上部土体松动产生的压力及直接由上部传递而来的荷载，提高开挖断面区域内围岩的稳定性，避免坍塌事故出现。

2.1.2 拱效应

如隧道内部未设置长管棚支护，应该沿着隧道的横断面地层设置拱脚，保证隧道两侧的边墙始终处于平衡状态。当长管棚支护体系施工完成以后，施工人员按照标准间距设置注浆孔，并向孔内注浆，有效缩短每跨的跨距，保证隧道内的围岩迅速转变为一种平衡状态。

2.1.3 加固效应

在长管棚注浆作业中，水泥浆液会由注浆孔逐渐向周围的岩体缝隙流动，待水泥浆液胶结以后，提高围岩的稳定性和加固效果。

2.2 施工方案

隧道的进出口施工方案如下：使用小导管支护+复合衬砌钢结构支撑，使用台阶法开挖土方。结合施工现场的实际情况，因出口部位的山体存在偏压现象，区域内的围堰破碎，节理发育，岩体软弱且受风化影响比较大。若按照原设计方案进行施工，则有很大的可能性导致洞口发生坍塌事故。为了保证施工的安全性，需对隧道的拱顶进行注浆支护，管棚选择使用89mm×6mm 热轧无缝钢管，管棚的长度设计为32m，管棚的环向间距设置为40cm[1]。

3 长管棚施工工艺

结合实践状况来看，长管棚支护在以下场景中具备显著的应用效果：地质条件比较差、岩体存在破碎现象、围岩的自稳能力较差、隧道出现塌方路段、裂隙发育路段、人工回填土路段、浅埋路段等。结合施工现场的隧道地质条件、长管棚的实际支护效果等因素，确定合适的管棚配置形式。

3.1 长管棚钻孔工艺

3.1.1 长管棚钻孔施工工艺流程

长管棚钻孔施工工艺的具体流程如图2 所示。

图2 长管棚钻孔工艺流程图

3.1.2 钻孔施工

（1）钻孔作业时，可以选择使用XY-28-300 钻机，钻头的直径为120mm。该设备可以有效解决送管难的问题。

（2）在管棚施工过程中，打孔的角度控制在1°～2°，管棚的安装间距设置为40cm，单根管棚的长度设计为32m。管棚由多节组成，每节段管棚的长度控制在4～6m，使用丝扣将短管棚连接为1 根长管棚。管棚的接头部位使用套管进行焊接，套管的搭接长度设置为35cm。相邻的2 根管棚的接头应该相互错开。在管棚表面设置注浆孔，注浆孔的孔径设置为10mm，将注浆孔布设为梅花状，保证水泥浆液顺利灌注至管棚内。

（3）为保证管棚顺利被顶入设计要求的部位，需保证钻杆的接头具有足够的强度、刚度，同时钻杆与连接套的材质保持一致。钻杆的两端使用螺纹钢进行加工，连接套的壁厚不得小于10mm。为保证在钻杆钻进的过程中，不会出现钻孔倾斜等现象，将扶直器安装在钻杆上。钻进时，扶直器随钻杆移动。

（4）当台车准备就位以后，利用台车引测钻孔的具体部位。

（5）在钻进过程中，施工人员要严格控制钻进设备的立轴方向，确保台车与掌子面紧密连接，避免因振幅过大，导致钻进的精准度受到影响[2]。

（6）在钻进过程中，一开始采用低转速作业，当钻进至20cm 以后，恢复正常转速。

（7）首节钻杆顶入岩层中以后，可以预留20～30cm 的长度裸露在岩层外部。使用管钳将钻杆卡死，并操作钻机反向转动，钻机沿着导轨向后移动，开始进行第二根钻杆顶入作业。

（8）更换钻杆时，施工人员需检查钻杆是否存在弯曲、损伤等。若不合格，应该立即更换，以保证施工任务顺利完成。

（9）引导孔的孔径应大于管棚外径15～20mm，深度大于管棚长度50cm。

3.2 长管棚顶管工艺

3.2.1 顶管方式

结合施工项目的管理要求，该项目的施工工期比较紧张，所以使用引导孔+管棚钻的方式进行施工。先钻出引导孔，然后利用钻进设备将管棚顶入引导孔，逐节对管棚进行接长处理，直至管棚深入至设计部位。

3.2.2 管件制作

选择使用热轧无缝钢管，单节钢管的长度为4～6m，使用丝扣将钢管连接为管棚，丝扣的长度为15cm；在对管棚进行接长作业时，需将前一根钢管插入引导孔，然后进行接长作业。

3.2.3 清孔检查

成孔以后，及时进行清孔作业，将孔内的碎石、土体等杂物清理干净，然后安装钢管。

3.2.4 顶管作业

将待安装的钢管放置在台车上，施工人员将凿岩机与引导孔对齐，以低转速将钢管顶入引导孔内，设备的顶入压力保持在4.0～6.0MPa。

3.2.5 接管

首根钢管被顶入引导孔后，在孔外预留30～40cm的长度。此时，启动凿岩机，促使凿岩机反向转动。施工人员手动安装第二节钢管，并使用电焊机进行加固，保证2 节钢管连接为一个整体。然后，将2 根钢管对齐，凿岩机缓慢地向前移动，并以低转速将首根钢管向内顶进。结合管棚的长度，将剩余的钢管按照此流程顶入岩层。

3.2.6 封闭钢管尾部

管棚顶进作业完成后，可使用抹布条对管棚内的缝隙做封堵处理，最后使用楔形环顶紧。顶紧后，使用电焊将楔形环加固在管棚上。

3.2.7 管棚补强

3.3 配制水泥浆液

3.3.1 配制设备和材料

施工单位在施工现场配备高速搅拌机，可以使用高速搅拌机配置水泥浆液。配制时，要严格按照施工配合比掺加原材料。向钢管内注入水泥浆液，水灰比设计为1∶1。在注浆开始阶段，压力控制在0.5～1.0MPa，在注浆结束阶段，压力控制为2.0MPa。必须保证管棚的强度与刚度符合设计图纸要求。

3.3.2 配制过程

向搅拌设备内掺加清水，然后将缓凝剂、外加剂按照既定的比例掺加在水中。通过反复搅拌，使外加剂彻底溶解在水中，而后掺加水泥，持续搅拌2～3min[3]。

3.3.3 外加剂的掺加量

外加剂的掺加量控制在水泥质量的5%～10%。缓凝剂的掺加量控制在水泥质量的2%～3%。

3.3.4 避免堵塞

在确定好研究假设后，采取问卷调查法来研究。工作绩效量表分为任务绩效、人际关系和工作奉献3个维度，直接采用Motowidlo和Scotter绩效模型的量表[4]，结合王雁飞和张淑熙等人的研究[5]，并进行了一些修订。工作满意度量表分为报酬满意度等7个维度，采用Hackman和Oldham编制的工作诊断调查(job Diagnostic Survey,JDS)中的部分项目，结合Spector编制的工作满意度调查量表[6]，并作了一些修正。经过文献研究和访谈得出，人格特质量表分为成就需要维度、控制源维度和自我效能感3个维度。

在配置水泥浆液的过程中，结块的水泥不得直接倒入水泥浆液内。拌制好的水泥浆液要通过过滤网，再倒入储浆桶，避免注浆泵出现堵塞现象。

3.3.5 合理存放

拌制完成的水泥浆液要及时存放至储浆罐中，避免长时间的闲置，出现沉淀、离析等现象。

3.4 注浆

3.4.1 注浆原则

管棚注浆工作严格按照以下基本原则进行：由两侧到中间的顺序灌注，先灌注稀浆再灌注浓浆。以管棚的两端作为初始点，沿着拱顶钢管的方向依次作业。在注浆的初期阶段，尽量使用稀浆，随着注浆作业的进度不断递进，逐渐换用高浓度的水泥浆液。这种递进式的转变可以保证水泥浆液沿着拱顶钢管布设的方向向四周扩散。

3.4.2 注浆要点

注浆施工的要点：

（1）为了保证在薄弱地层注浆时不会出现跑浆现象，要先在注浆起始部位的掌子面喷射20cm 的混凝土，喷射混凝土之前挂设钢筋网。在注浆完成的部位，需预留3m 厚的围岩，将其作为止浆岩盘。

（2）施工人员必须保证注浆孔位设置的精准性，实际孔位与设计要求之间的偏差不得超过5cm，孔底的偏差控制在钻孔设计深度的1%～2%以内。

（3）在配制水泥浆液的过程中，严禁将杂物掺加至水泥浆液中。对拌制完成的浆液，需进行过滤处理，严禁将未过滤的水泥浆液直接泵送至泵管中，保证管路畅通。

（4）若在注浆过程中，施工人员发现掌子面存在漏浆现象，应立即对漏浆部位做封堵处理。

（5）注浆结束阶段，进浆量不超过20～25L/min。注浆压力持续性加大，当注浆压力达到设计值以后继续注浆，持续10min。注浆作业完成后，使用水泥浆液对管棚底部做封堵处理。当长管棚施工结束以后，施工人员则可按照标准流程进行开挖作业。

3.4.3 异常处理

在注浆过程中，要加大施工现场的管理力度，保证注浆质量符合设计及规范要求。水泥浆液的注入压力是一个关键性技术参数。根据流量计显示的孔口压力，可以判断注浆施工的具体情况。若存在异常现象，应及时采取补救措施。

各种有可能出现的异常现象的原因及处理措施如下：

（1）注浆压力持续提高，但是未能达到设计值。主要原因是水泥浆液的浓度偏低、凝胶时间过长，对岩层造成劈裂现象导致部分水泥浆液溢出。处理措施是适当提高水泥浆液的浓度或减少注浆的间隔时间。

（2）注浆压力稳定后，初始压力逐渐减小。主要原因是水泥浆液向外溢出。处理措施是降低注浆的速度，同时提高水泥浆液的浓度。若采取以上措施后情况未有明显好转，则应该暂停注浆。

（3）注浆压力提高后又骤然减小。主要原因是水泥浆液沿着注浆管向外溢出，或注浆速度过快导致岩层薄弱部位受到扰动。处理措施是降低注浆速度。除了上述3 种情况以外，如果注浆压力稳定提升，即便达到设计压力值以后，注浆速度也没有发生显著的波动，或者注浆压力提高后又降低，而后注浆压力再次提高，说明注浆作业非常成功。

4 施工效果评价

结合该项目的施工效果来看，长管棚施工工艺取得了理想的成效。长管棚施工工艺的加固效果非常显著，可以有效保证围岩的稳定性。项目开工至今，尚未发生过异常沉降现象。通过施工现场取芯可以帮助施工单位更加透彻地掌握岩层的具体情况，为隧道开挖提供真实、可靠的数据，保证施工质量。

5 结语

根据以上分析来看，使用长管棚施工工艺对岩层进行加固以后，可以为施工人员提供良好的安全保障。长管棚施工工艺比较适合应用在软弱围岩、地质破碎等隧道施工场景中。