大跨度地铁暗挖管棚超前支护技术的应用
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摘要：本文介绍了北京地铁14号线朝阳公园暗挖车站在进车站洞门时采用的超前管棚支护技术，并取得了良好的效果，可以为类似工程提供参考。
关键词：管棚 超前支护 地铁车站 洞门
1 工程概况
北京地铁14号线朝阳公园站为两端明挖，中间盖挖车站，车站位于甜水园街（南北向）与朝阳公园南路（东西向）交叉丁字路口的下方偏东侧，呈南北走向车站北端伸入朝阳公园内。朝阳公园站为北京地铁14号线与3号线的换乘站，3号线朝阳公园站为远期实施车站，本次施工预留换乘节点。车站起讫里程为K34+626.700～K34+891.700（951.300右线）。有效站台中心里程为K34+752.200。包括4个出入口，1个紧急疏散口及2个风道。结构标准段为两层三跨框架结构，换乘节点为三层三跨结构。标准段车站底板埋深约为18m，换乘节点底板埋深约为26.85m，车站中心里程处覆土约3.8m。其中标准段底板埋深约为18m，换乘节点底板埋深约为26.85m，车站中心里程处覆土约3.8m。车站主体最北端离朝阳公园南湖边约46m，西侧离南湖最近处约38m，车站东侧离南湖最近处约9.6m。车站主体基坑南端东侧靠近棕榈泉国际公寓，基坑外皮离其范围墙约2m，离棕榈泉国际公寓1号楼（30层，2层地下室，筏板基础）约11.3m。棕榈泉国际公寓围墙内地面标高比甜水园街地面高约2m。
2 车站进洞开挖管棚施工布置
为确保车站安全进入洞口，在K34+655～K34+832洞口段采用长25 m的φ108大管棚加φ32超前小导管进行超前预支护，沿车站衬砌拱顶外缘按环向间距40cm布置1排φ108钢管，管棚外插角为1°～3°，与路线中线平行，再往管内注浆以固结软弱围岩，充填钢管与岩壁之间的空隙，使管棚与围岩固结紧密，提高钢管的强度。其布置详见图1“超前管棚布置示意图”和图2“管棚套拱大样示意图”。管棚施工前在洞口架设2榀I22a工字钢，间距50cm，然后采用C25模喷混凝土作为套拱和长管棚的导向墙，套拱在车站外轮廓线以外施作。详图见图3“管棚纵向布置示意图”和图4“管棚套拱纵向大样图”，开挖后架设拱形钢架支撑，形成牢固的棚状支撑结构。
3 超前管棚施工工艺
3.1 管棚施工技术参数
①采用φ108热轧无缝钢管，壁厚6mm，钢管布设在车站整个拱部范围，环向间距为40cm，总计67根。
②管芯与衬砌设计外廓线间距为45cm。
③倾角：仰角1°～3°（不包括路线纵坡），方向：与路线中线平行。
④钢管施工误差：径向不大于10cm。
⑤管棚施工前在洞口架设2榀I22a工字钢，两工字钢间距50cm，前后间距各25cm，并在第1榀工字钢上焊接长度为60cm的φ12固定筋和φ127孔口套管，然后采用C25模喷混凝土作为套拱和长管棚的导向墙。
⑥车站纵向同一横断面内的接头数不大于50%，相邻钢管的接头至少须错开1m。
⑦管棚施工先打有孔钢花管（奇数编号），注浆后再打无孔钢管（偶数编号），无孔钢管可以作为检查管，检查注浆质量。
⑧管棚注浆结束后及时清除管内浆液并用M30水泥砂浆紧密充填，增强管棚的刚度和强度。
⑨管棚的施作应保证2次衬砌厚度。
3.2 管棚施工工艺流程
管棚的施工工艺流程图见图5“管棚的施工工艺流程图”
3.3 管棚施工方法
3.3.1 管棚造孔的准备
管棚施工前需要进行脚手架的搭设工作，作为管棚的施工平台，其他所需准备的机械设备见表1。
3.3.2 孔位测量钻机就位
钻孔前需要按设计孔位布置要求采用全站仪坐标法在开挖面上依次定出孔口平面位置，钻机就位后用水准尺配合坡度板确定钻机钻杆倾角，钻机要求与已设定好的方位点方向平行，并精确核定钻机位置。采用全站仪、挂线、坡度板相结合的方法反复调整，确保钻机钻杆轴线与孔口轴线相吻合。
3.3.3 钻孔
①钻机就位后，根据导向墙中预埋的导向钢管进行钻孔，钻孔从高孔位由中间向两侧方向进行钻孔。钻机开孔时宜低速低压，等成孔2m～3m以后再加压转入正常钻速。掌子面必须按要求先喷1层素混凝土作为止浆墙，以确保掌子面在进行压力注浆时不出现漏浆、坍塌。
②钻机立轴方向必须准确控制，以保证孔口的孔向正确，钻进中应经常采用测斜仪量测钢管钻进的偏斜度，发现偏斜超过设计要求，及时纠正。
③第1节钻杆钻入岩层尾部剩30cm～50cm时钻进停止，用两把管钳人工卡紧钻杆，钻进低速反转，脱开钻杆，钻机延导轨退回原位，人工装入第2节钻杆，并在钻杆前端安装好连接套，钻机低速送至第1根钻孔尾部，方向对准后连接成一体，每次接长按上述方法进行。
④钻进过程中根据钻机钻进的状态判断成孔质量，并及时处理钻进过程中出现的问题。避免钻杆在推力和振动力双重作用下，钻杆上下颤动，确保动力器、扶正器、钻头按同心圆钻进。
⑤认真做好钻孔原始记录，及时对孔口岩屑进行地质判断、描述，作为管棚注浆和洞身开挖的地质预探预报。
3.3.4 清孔验孔
①钻机钻至设计深度退钻之前，利用钻杆配合钻头进行来回扫孔，清除浮渣至孔底，确保孔径、孔深符合要求，防止堵孔，每钻完1个孔便顶进1根钢管。
②管棚安装前用高压管从孔底向孔口清理钻渣，并检测孔深、倾角、外插角。
3.3.5 管棚管制作及安装
①管棚采用φ108钢管制作，管壁四周打15mm注浆孔，间距15cm交错钻孔成梅花形布置，管头焊成15cm长圆锥形，便于入孔，钢管尾留3m不钻孔的止浆段。详图见图6“管棚钢花管大样图”。钢管接头采用丝扣连接，丝扣长15cm。为使钢管接头错开，编号为奇数的第1节管采用3m钢管，编号为偶数的第1节钢管采用6m钢管，以后每节均采用6m长钢管。
②管棚在安装前逐孔逐根进行编号，按编号顺序接管推进，不得混接，管棚钢管由人工配合机械顶进，管棚顶到位后，钢管与孔口岩壁间隙用M30水泥砂浆堵塞严密，以防浆液冒出，堵塞时设置进浆孔和排气孔。
③管棚顶进先由人工将第1根管棚钢管送至孔口，再由挖掘机协助推进，当前1根钢管距孔口剩余1m左右时接第2根钢管依次推进，直至孔底。
④管棚施工完毕后对每根管棚进浆管、排气管进行检查，防止杂物堵塞在管内造成后续管棚注浆工作无法进展。
3.3.6 注浆
①管棚注浆采用纯水泥浆，水泥浆水灰比1：1-1：1.5，注浆压力：0.7-1.0MPa，水泥选用超细水泥。注浆机械选用ZY28双液注浆泵，采用HD21CN自动记录仪记录。
②在进行注浆前，掌子面与管棚间的空隙利用砂浆或锚固剂封闭，防止漏浆。开始注浆时将浆液压入到双液注浆泵，双液注浆泵连接到钢管的注浆阀门上，另1个阀门打开，通过搅拌机配制水泥浆，把搅拌好的水泥浆注入到预先砌好的容器中，搅拌机继续配制水泥浆，启动液压双液注浆泵，把超细水泥浆液注入到钢管中，当发现排水阀门有水泥浆排出时，关闭此阀。注浆时，注浆顺序遵循“先两侧后中间”、“跳孔注浆”、“由稀到浓”的原则。采取低压力，中流量注入，注浆过程中压力逐步上升，流量逐渐减少，当压力升至注浆终压时，继续压注15min或单孔注浆量达到设计注浆量时结束注浆。
③注浆过程中随时检查孔口、邻孔、外侧岩层较薄部位有无串浆现象，如发生串浆，应立即停止注浆或采用间歇式注浆封堵串浆口。若注浆过程中压力突然升高，可能发生堵管，应停机检查。
④注浆结束后及时清除管内浆液，用M30水泥砂浆充填管口，以增强管棚的刚度和强度。
⑤长管棚注浆按劈裂注浆进行设计，注浆采用分段注浆。
4 质量控制
4.1 安排注浆工艺操作熟练的工人进场作业，开工前严格执行交底技术，使每个工人明确工艺流程，操作方法及技术要求。
4.2 加强现场检测，自检合格后报现场监理工程师进行复检，监理工程师验收合格，方可进行下道工序施工。如不合格，任何人不得放行施工，必须按照监理工程师要求进行整改，直至符合要求。严格控制钻孔平面位置，管棚不得侵入车站开挖线内，相邻的钢管不得相撞和立交。
4.3 根据需要，施工中可适当增加导向墙锚固钢筋，以保证导向墙施工质量。预埋钢管要与导向墙钢筋焊接牢固，确保浇砼过程中位置不发生变化。
4.4 管棚注浆应严格控制配合比，注浆压力必须达到设计要求，管中浆液要饱满，以提高钢管强度，同时保证浆液扩散到地层中。
4.5 做好注浆记录：包括钻孔位置、编号、水泥品种及标号、水灰比、注浆开始、结束时间、注浆压力及注浆量。
5 结束语
5.1 通过对地铁车站进出口浅埋段采用大管棚超前注浆预支护加固技术，并采用分部开挖方法，工字钢拱架加强支护，为隧道洞身安全顺利施工创造了良好条件，并有效的控制了掌子面的稳定和地表沉降，取得了良好的效果。
5.2 采用大管棚超前注浆预支护的方法能有效的加固岩层，提高岩体的整体性，提前发挥超前支护作用，防止围岩松弛、坍塌，并可提高车站的长期稳定性。
5.3 有时管棚注浆加固范围有限，很难达到规定的加固范围，为此在开挖过程中需经常施作小导管注浆补强，即在每1个开挖循环前用小导管超前注浆加固支护。
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作者简介：
于琛琛，女，2009年毕业于武汉工业学院电气自动化，现任中铁十九局集团轨道公司助理工程师。