管幕支护在南水北调朔黄线箱涵顶进施工中的应用

管幕支护在南水北调下穿朔黄线箱涵顶进施工中的应用摘要：管幕法作为暗挖施工工艺的一种，在国外已有近30年的发展历程，在穿越道路、铁路、结构物、机场等工程中取得了很好的效果。本文以河北省南水北调配套工程安国市输水管线下穿朔黄铁路管幕支护工程实例为背景，对高填土地层下管幕结合箱涵顶进的关键技术如管幕施工精确控制、施工监控量测技术等进行了分析总结，对管幕箱涵顶进技术的推广具有一定指导意义。关键词：管幕箱涵顶进前言1工程概况河北省南水北调配套工程安国市输水管线下穿朔黄铁路1-3m框架涵，共有7节组成，全长102.24米，其中顶进段33米，预制段69.18米，涵顶距轨面距离为7.0米，设计管幕钢管为ø325mm、δ14mm无缝钢管，共设钢管31根，每根钢管长度为12米，（其中顶部钢管10根，两侧钢管分别为8根，底部钢管5根）管幕工作坑设在朔黄铁路南侧，钢管由南向北顶进，全部钢管顶进完成后，制作固定管幕钢管的环框梁。1.1结构参数1.2工程地质和水文0.0~3.3m为细砂层，灰白色，稍密~中密，稍湿，主要成分为石英、长石，含少量云母及暗色矿物，砂质纯净，1.7~2m为壤土夹层。0.3m以上为耕植土，以轻粉质壤土为主，稍密，稍湿，含植物根系；（2）3.1~10.3m为壤土，灰褐色，可塑，具氧化铁染色，局部含云母片，含少量小姜石，3.3~4.7土体程褐黄色；（3）10.3~13.3m为细砂，灰白色，稍密，稍湿，主要成分为石英、长石，含少量云母及暗色矿物，砂质纯净；（4）13.3~20m为壤土，褐灰~褐黄色，中密~密实，稍湿，土质不均匀，含姜石。钻探范围内未见地下水。1.3总体施工流程支撑桩施工线路加固管幕施工浇筑滑板铺设润滑层顶进段预制（底板、边墙、顶板）施做防水浇筑保护层钢板桩、旋喷桩施工浇筑砼后背梁框架桥顶进后背开挖开挖基坑基础处理安装顶进设备施工准备2管幕法的特点及应用2.1管幕的特点2.2管幕的发展及应用3关键施工技术3.1管幕施工3.1.1管幕设计下穿路基段采用管幕支护顶进框架涵的施工方法。为控制地表沉降，超前支护采用管幕法，在框架涵外侧，采用连续顶进的施工方法，按45cm间距沿框架涵轴线方向将Φ325*14mm的钢管水平铺设在土体中。钢管帷幕采用外径325mmQ345b无缝钢管，环向布置间距450mm。Φ325管幕与顶进段框架涵顶板及竖墙的净距分别为25cm和20cm。并在Φ325钢管远离箱体侧开设笛孔，通过Φ30钢花管及笛孔进行管幕外回填注浆，对土体进行注浆加固并使管幕成为一个整体。笛孔直径为8mm，间距为50cm，笛孔沿管壁在一条直线上。采用600*200H型钢和Ｉ22b型钢组成管幕定位钢支撑用于管幕施做的精确定位。底层管幕作为框架涵顶进过程中的导轨，顶进过程中框架涵底板紧贴底层管幕。两侧现浇段施工拆除框架桥刃角线路恢复路基注浆加固其他附属工程图3.1-1管幕洞门断面图图3.1-2钢管帷幕大样图3.1.2管幕施工方法利用顶进段明挖基坑作工作坑，采用连续顶进施工方法进行管幕施工，将所顶进的ø325钢管管壁上打设8mm底孔，底孔间距500mm底孔应打在一条线上。2.将打好孔的ø325钢管安放在顶进工作平台上，顶进机械的卡头卡死钢管后端。3.按设计图纸将每根钢管进行测量定位，待检查无误后开始顶进施工。4.当第一根钢管顶进完毕后，将顶进机械退回原位，焊接第二节钢管，钢管焊接要确保顺直，焊缝要饱满达到一级焊缝要求。5.钢管连续顶进完成后管内注入C40微膨胀细石混凝土。3.1.3管幕施工工艺流程工艺流程：施工准备----测量放线----后背制作----设备安装----安放Φ325钢管----管头安装传感器----钢管顶进----管内注微膨胀细石混凝土----下一根钢管施工（下一循环）………全部完成后对钢管端头施做环框梁形成一整体。3.1.4管幕施工技术要点1、Φ325钢管必须间隔打设。打设时必须控制地表沉降，终孔跟踪注浆，注浆必须保证管内外间隙注满填充实，在打设时必须按照设计要求进行施作；2、施工中先施作导向孔，再进行扩孔拉管，最后进行管外回填注浆、管内注微膨胀细石混凝土；3、管外注浆不能对导向及扩孔产生影响，因此要错开时间和空间位置；4、导向孔偏差不能大干10cm，拉管偏差不能大干5cm，需严格控制导向精度；5、为避免相邻管幕施做后引起的地层松动，确保地面无沉降，管幕施工过程中需适时在管幕外侧进行回填注浆以补偿地层的松散变形，更有效地控制地层的扰动变形；6、管幕施工要严格控制外插脚及注浆压力，注浆压力不能太大，避免因注浆压力过大造成地面隆起影响铁路。注浆控制以注浆量控制为主，注浆压力控制为辅；7、施工时需查清铁路管线，同时在管线位置挖观察坑以确知浆液是否扩散至铁路管线；8、管幕钢管内需带测斜管，以监控整个施工过程中管幕位置及变形情况；9、管幕由一端施做，施工倾角严格控制，严禁侵入顶进段框架涵外轮廓线；10、Φ325钢管管节长度不得小于12m，管节之间必须等强焊接。各根钢管对接焊缝须前后错开2m以上，不得在管幕同一段面内进行焊接。11、底层管幕作为框架涵顶进施工过程的导轨，焊缝必须顺钢管方向打磨，不得突出管壁；12、熔透焊缝均须达到Ⅰ级焊缝。在拉管前管幕钢管必须提前一次焊接接长至设计长度，并确保焊接质量和顺直度，严禁出现折角。13、临时精确定位安装钢支撑(用于管幕定位和支撑)，管幕精确就位后再完成环框梁承台与定位钢支撑的永久固结及环框梁施工。环框梁承台与相邻钻孔防护桩间必须留10cm间隙，严禁连成整体。14、水平导向钻机应从箱涵出口侧（左侧）打设小直径水平孔。左侧工作坑为拉管侧，右侧工作坑（顶进施工工作坑）为辅助夯管侧，以拉管为主夯管为辅。先施工底层管幕，再施工两侧管幕，最后施工顶层管幕。15、顶进段1号箱体下的滑板须延伸至底层管幕，滑板顶高程必须与底层管幕顶齐平顺滑。整个混凝土滑板及底层管幕均是箱涵顶进过程中的滑道，滑道顶面高程必须一致，整个滑道面必须顺滑。3.1.5管位精确控制技术3.1.5.1钻机及准备工作钻机采用全液压水平钻机一台，型号HTG-350，钻机推进回拖力50t，扭矩13500Nm，可打设Φ108〜Φ350的钢管。钻机设有轨道，安装后利用油缸沿轨道可以自由平移和升降，对位方便。钻机平台用钢轨、型钢和钢管脚手架等搭设，平台在出口侧搭设，且确保安装牢固、稳定。3.1.5.2导向孔钻进定向钻进方法是非开挖管线施工的一种方法。该方法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同设计轨迹的差异，利用能调节方向的钻头(一般为楔型钻头)改变钻头的钻进方向，从而完成铺设工作。钻头钻进示意如下图3.1.4.2-1所示。图3.1.5.2-1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，如同钟面)。打设角度如偏下，可以把钻头调到12点，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点纠偏可以使钻头轨迹朝下，9点、3点分别是为左、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。导向钻进中，导向管是随钻打入的，导向管就是护壁管，起到套管护壁作用。钻机开动时，通过显示屏监测钻头的倾角和导向板的方向，手持移动定向仪随钻头移动，监测钻头的高度和偏位情况；根据监测情况，进行过程纠偏，调整钻进的方向，使钻杆轨迹保持平直，到达土层另一侧的掌子面预定位置，在土层两侧的掌子面之间形成一个导向孔。钻进时泵压控制在0.6〜l.OMPa，泵量为10〜30L/min为宜，保持中低压力，勻速中速前进；为防止水土流失，控制沉降，必要时采用孔内保压措施。要始终注意出土量不能超过设计孔的理论出土量，要始终保持回水量小于或等于进水量；要密切注意扭力及顶进力的变化，如出现突然增大，要停止钻进，分析原因再试钻，防止抱钻；冲洗液不正常时，立即停止钻进，注意观察冲洗液变化情况，进行调整。如因故停钻时须将管内土清除干净防止抱钻。钻导向孔是管幕施工的关键环节，钻进过程中准确的测定钻头的位置和方向，过程纠偏时利用楔形钻头调整钻进的方向，保证钻孔精度和成孔质量。3.1.5.3清孔钢管安装好后，拆除扩孔器和万向结，用水平钻机钻杆配合专用钻头在已安装好的超大直径钢管内来回扫孔，清除管内浮渣及泥浆。3.1.5.4管幕注浆填充跟进回填注浆采用Φ30mm钢花管注浆，浆液为超细水泥浆，水灰比为1：0.8。笛孔为确保环向注浆质量的备用措施，可采用套管法通过笛孔向外补充注浆。管外环形注浆必须确保钢管周围全部充满浆液，使钢管与周围土体粘结牢固。环状注浆范围严禁侵入混凝土箱体与管幕之间土体的接触面，不得阻碍顶进作业。管内注浆采用C40微膨胀细石混凝土，注浆由一端进行，出浆口设在另一端钢管顶部，当出浆口流出浆液后关上阀门加压至0.8MP，待浆液初凝不再流动时封闭幕管出口进行二次注浆，补浆可选用素水泥浆。管内充填的目的一是增强管幕强度，二是防止钢管锈蚀造成地面沉降3.2监控量测为保证朔黄铁路的运营安全，施工前需提前进场进行观测，施工期间进行实时监控，如变形值或沉降值大于允许值时应立即停止施工，并查找原因，待制定相应措施后方可继续施工。序号项目名称量测类别测量方法测点布置测量频率基坑开挖前线路加固及基坑开挖施工阶段管幕支护施工阶段顶进箱涵施工阶段施工后2个月1路基沉降观测必测精密水准仪、钢尺共7个断面，每个断面设置11个测点5次1次/天2次/天2次/天1次/周表3.2-1监控量测项目一览表3.2.1路基沉降监测本工程共设7处地表沉降监测断面，每个断面布置11个沉降测点，共计77个沉降测点。沉降测点编号为CJ01-CJ77。在箱涵出入口两侧，远离施工影响范围之外，选取四个通视条件良好、地质稳定的地点布设基点。沉降测点布设方法为在测点外预埋直径5mm，长度50mm的沉降观测标，应在开工前一个月布设完成。2钢管帷幕变形监测必测应变仪、应变片监测9根钢管，每10m一个测点//2次/天每顶进20cm监测一次/3框架涵姿态控制必测全站仪、棱镜每节箱涵前部、尾部各2个测点///每顶进20cm监测一次/4轨面监测必测根据轨面监测相关规范及实际情况布置测点5次线路加固阶段随时监测基坑开挖阶段2次/天2次/天2次/天1次/周图3.2.1-1地表沉降测点总体布置图图3.2.1-2CJ3断面测点布置图3.2.2钢管帷幕变形及应变监测水平测斜管共布设在5根钢管帷幕内，顶部布设两根，两侧各布设一根，底部布设一根。编号为SCX01-SCX05。每根钢管帷幕布置5个应变片（图中三角形），共需在九根钢管上布置应变片，其中顶面三根，两侧每侧各两根，地面两根，共布设45个应变片。钢管帷幕应变片布设在钢管内壁、笛孔的另一侧，下侧帷幕应变片设在底部。为保证水平测斜管不受灌入混凝土的扰动，在水平测斜管外，钢管帷幕底部内侧焊接1根外径100mm，壁厚6mm的Q345b保护钢管。熔透焊接必须达到Ⅰ级焊接要求。图3.2.2-1图3.2.2-2水平测斜管与应变片布置示意图水平测斜管布置大样图3.2.3线路几何尺寸监测为了保证施工期间线路的几何尺寸的稳定，派专职线路工配合工务养护车间对线路几何尺寸进行联合监测，双方分别独立监测，并形成相关记录，每次测量完毕，双方碰头核对监测数据，发现问题及时上报，确保施工期间线路的行车安全。4管幕箱涵顶进施工控制效果分析河北省南水北调配套工程安国市输水管线下穿朔黄铁路管幕箱涵顶进施工进展顺利，在施工过程中各钢管安装方向控制较好，最大偏差在5cm以内。由于施工过程中注浆等施工措施及时到位，地表沉降较小，最大沉降在5mm以内。这说明本工程各种施工技术措施对管幕施工的控制效果较好，可以在其它类似工程中推广应用。图4-1Φ325钢管就位图图4-2箱涵顶进就位图5结语如何控制管幕施工精度及控制沉降是施工中的两个关键性技术难题，其中精度控制主要依靠较先进的导向仪器；沉降控制则主要通过出土量、及时对管内管外进行回填注浆以及现