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摘要:文章介绍北京地铁十号线黄庄站施工过程中,在车站主体结构和1#、2#风道施工中采用φ159mm大管棚对车站暗挖结构进行超前支护的施工情况,并对该项技术进行了评价。地面沉降监测表明,其最终沉降值都在事先预定允许的沉降范围内,为暗挖施工提供了安全保障。
关键词:管棚技术 地下定位系统 监测分析
管棚技术,即水平定向钻进技术,属非开挖技术,是从原始的钻探技术衍生并逐渐发展起来的一种新兴技术,是在不破坏地表的情况下铺设各种地下管线的技术。在城市地铁、市政管线等地下工程施工中有着广泛的应用前景。水平定向钻进技术特点是利用钻杆固有的刚度和柔性,在导向系统的监测下沿设计线路轨迹钻进,到达目的地,卸下钻头换上扩孔器进行回扩孔拖管或直接在管头安装扩孔器,一次完成管的安装。北京地铁十号线黄庄站成功地利用了这一技术,在车站主体结构和1#、2#、4#风道施工中采用了φ159mm大管棚,对地层进行超前支护,为暗挖施工提供了安全保障。
1 工程概况
北京地铁十号线黄庄车站是地铁四、十号线的一个交叉换乘站,地铁十号线是北京奥运工程之一,工期极为紧迫,该站地处中关村大街和海淀南路的交叉口,中关村大街双向6车道,海淀南路双向4车道,地面交通繁忙。车站主体位于中关村大街和海淀南路主路下,结构形式为单层双跨三联拱,交叉处为双层双跨三联拱形式,结构跨度大。结构顶最大覆土厚度为14m,最小覆土厚度为8m,且在结构顶以上土层内有φ800、φ1400mm自来水管及电力、电信管线等,距暗挖结构顶最小距离只有80cm。车站主体和部分风道主要采用暗挖法施工,暗挖隧道穿越砂卵石层、粉砂层、粉质黏土层,施工难度大。因此,为了确保施工的安全和进度,黄庄站车站主体和1#、2#、4#风道在进行施工设计时,采用了φ159mm大管棚作为超前支护,管棚沿初期支护拱部环向布置,环向间距0.4m,比初期支护开挖轮廓面抬高25cm。
2 大管棚施工过程
2.1 施工前准备情况
2.1.1 技术准备
选择φ159mm大管棚施工的钻孔机械和注浆设备,参考北京市在施工程(如北京地铁蒲黄榆站、国贸站等)应用该技术的情况和所取得的经济效益,初步拟定先在1#、2#风道采用42、45m长各40根的管棚进行实地试验,为车站主体φ159mm大管棚施工进行技术储备。决定在1#风道采用FW-100水平钻机,在工作面埋设导向管,采用膨润土泥浆做护壁,利用导向系统,一次成孔安管;在2#风道选用FDP-15A型水平导向钻机,沿工作面埋设的导向管,利用导向系统先成50mm的导向孔后,再气夯安装φ159mm管。本次实地试验导向系统采用ECLIPSE无线地下定位系统,该系统包括地面接受器及遥控显示,地面接受器通过接收钻头内无线探棒发射的信号,探测钻头的具体位置,遥显上显示钻头钟面值及温度和接受器探测的钻头深度;钻机操作人员根据接受器探测结果,在导向人员指挥下,对钻头偏离设计轨迹时及时进行调整,确保钻头沿设计轨迹钻进。
2.1.2 设备准备
本次1#风道大管棚施工采用FW-100水平钻机,由于是一次成孔安管,所以,第一节φ159mm管内安装无线探棒,便于地面探测接受仪器跟踪成孔情况,以便于在钻进过程中采用纠偏措施,管端头加工成45°的斜角,斜面上焊接一块比φ159mm管直径大20mm的厚20mm的钢板作为钻头。
2.1.3 材料准备
159mm大管棚材料、水泥、膨润土进场,经监理验收并复检合格后,对进场的φ159mm管进行加工,由于受操作空间的限制, φ159mm管加工成3m一节,主要采用丝扣连接,长度80mm,并辅以焊接(主要防止反钻接管时管节松脱)。本次施工经过粉质黏土地层和粉细砂层,为了防止因钻孔泥浆护壁失稳造成地面出现大的沉降, φ159mm管管身不钻孔,在第一节管端加工成斜角的封端处钻一个10mm的出浆孔,为钻进提供泥浆,形成泥浆护壁。
2.1.4 施工现场准备
搭设管棚施工工作平台,在工作面上按已施测的管棚位置点安装φ200mm、长600mm的导向管,砌筑泥浆池,制备膨润土泥浆。钻机就位调试。
2.2 施工实施过程(以1#风道管棚为例)
施工准备就绪后,开动钻机,安装第一节φ159mm管,并在管内安装无线探棒,初步设定上倾角为1°,开动泥浆泵和钻机开始钻进,地面探测仪器跟踪钻进进度进行监测,根据监测数据及时反馈到钻机操作人员进行纠偏处理。为了探测钻进过程中所穿越地层的地质情况,第一节管钻进速度较慢; φ159mm管管节之间采用丝扣连接后,并进行了点焊连接,防止反转时管节脱落。钻孔采用跳孔法施工,每隔两个孔施作一个,防止泥浆护壁坍塌造成相邻孔位处地层扰动、贯通引起大面积地面沉降。在施工到第15号管时,在钻进过程中,由于施工人员吊运钢管操作失误,撞击工作平台造成工作平台移位,未引起钻机操作人员的注意、地面导向系统跟进不及时,造成15号管偏差过大,已有的纠偏措施已不能处理,因此,造成15号管棚废弃,移位后在旁边增加1根。在后续φ159mm管施工中,对工作平台进行了加固,地面导向人员随管棚施工同步在地面采用导向系统监测,随时提供导向数据,使钻机在钻进过程中及时纠偏,保证了后续管棚的施工质量。1#风道φ159mm管长42m,第一根管钻进用时约20h,其它管钻进平均用时约16h,为了保证施工的进度,后采用2台FW-100水平钻机,满足了施工的需要。2.3 φ159mm管填充注浆www.tmgc8.com
为了减小地面因管棚施工造成的沉降,管棚施工约10根后开始注浆,分4次注浆完毕。φ159mm管内填充注浆采用水泥砂浆混合浆液,为改善水泥砂浆的和易性,考虑外掺粉煤灰,初次配合比设计为水泥∶粉煤灰∶砂=1∶0.4∶1.6。第一根作为试验管,在管内泥浆水流干后,对管周围空隙采用高强快凝砂浆进行了封堵,管口用钢板焊接封闭,钢板上焊接填充注浆管,并预留了排气孔,连接好注浆管,配置好水泥砂浆后开始注浆,根据导管的流量计算实际注浆量与理论注浆量0.84m3对比后发现,实际注浆量远远小于理论注浆量,而且注浆的压力达到了1.0MPa以上,注浆管爆裂,针对此情况,现场立即停止注浆,组织技术人员和施工人员与监理一道分析产生此问题的原因,一致认为是管内排气不畅、水泥砂浆黏度大、流动性差等原因所致,并采取了对策,反复调整水泥砂浆的配比,最终配合比为水泥∶粉煤灰∶砂=1∶0.6∶1.5;采用直径20mm的PVC管设置通长的排气管(42m),通过采取以上措施后,后续回填注浆量都大于理论计算量,满足了设计的要求,使地面沉降控制在预定的范围内。
3 地面沉降监测
在1#、2#风道管棚开始施工前,按照设计图纸的要求在地面上布设监测点,对因管棚施工可能引起地面沉降的范围进行监测,监测点布设完毕后,测得初始值,作为对后续测得监测数据进行分析的对比值。1#、2#风道φ159mm管棚开始施工后,按照设计图纸要求的监测频率进行了地面沉降监测。地面沉降监测施工第1天~第14天,每天监测2次,第15天~第28天每天监测1次,第28天后每周(月)监测1次(对地面沉降数据进行分析后确定)。地面沉降拟定值10mm。地面沉降曲线如图1所示。
通过对地面沉降监测数据进行分析,在φ159mm管施工过程中,1#风道地面沉降比2#风道的沉降大,主要原因是由于采用水钻;钻头直径大于φ159mm管的直径,成孔后孔壁与管之间有间隙;注浆不能及时进行所致。在φ159mm管棚全部施工完毕,且地面沉降稳定后,1#、2#风道的最终沉降值基本接近,都在事先预定的沉降范围内。
4 施工总结与评价
从技术方面看,本次管棚施工主要穿越了粉质黏土层,在现有的地面监控条件下,1#风道采用FW-100水平钻机,一次成孔跟进安管技术,工序少,速度快, φ159mm管棚的施工质量总体较好;2#风道采用的FDP-15A型水平导向钻机,利用地面定位系统先钻导向孔,在无纠偏措施的情况下,沿导向孔用气夯送管,送管过程中若出现导向孔坍塌或孤石,使送管难度增大,严重导致了φ159mm管的偏位。
从设备性能方面看,FW-100水平钻机的性能优于FDP-15A型水平导向钻机,管棚作业过程中设备维修保养少,能保证管棚连续作业,从而保证了管棚施工按计划顺利完成。
从施工完成质量上来看,1#风道开挖过程中管棚形成的轮廓圆弧规则,形成一个完整的超前支护环;而2#风道管棚成型质量差,部分管侵入了开挖的轮廓内,最后割掉废弃。
从填充注浆效果来看,在开挖过程中,对φ159mm管棚的填充注浆质量也得到了验证,在对废弃的φ159mm管切割后,发现管内填充密实,实践证实了采用配合比为水泥∶粉煤灰∶砂=1∶0.6∶1.5是可行的,增加通长的PVC排气管的方法是正确的。
从应用前景来看,在开挖过程中和开挖完成后,通过对φ159mm管棚施工总体质量进行总结分析后认为,采用一次成孔跟进安管的施工工法,在质量和进度方面能满足施工的需要,可以在施工工作空间受限制的情况下进行,但φ159mm管棚长度超过80m后,在现有的技术、工作环境和状态下,施工质量很难保证。
5 结束语
本次1#、2#风道管棚施工利用施工竖井搭设操作平台,由于1、2风道穿越车站主体的南北两端,故主体结构管棚施工的操作空间及地层地质情况与1#、2#风道管棚施工环境类似,从而初步确定了适宜黄庄车站主体在黏土层施工管棚的施工工艺。事实证明,用管棚作为暗挖车站施工的超前支护,对加固土体、提高地层刚度效果明显,能有效地降低暗挖施工的风险。但由于管棚施工操作工人水平所限;地面探测仪器跟进由于受路面交通的影响,使地面监测只能选择在车辆相对少的时间段进行,不能做到实时监控;管棚施工机械的性能不能满足长大管棚施工的需要;对管棚施工工艺方面研究也有待加强等原因,黄庄车站在后续车站主体结构施工φ159mm管棚时,选择了1#风道管棚施工的作业队伍,采用一次成孔跟进安管的施工工法,在车站主体结构两端对打,每端2台FW-100水平钻机,140m的管棚,两端各施工75m,在中部重合5m的施工方式,通过开挖过程进行验证,选用这种施工方式是正确的,保证了管棚的施工质量和进度,为暗挖施工,确保地面交通畅通提供了安全保证。www.tmgc8.com
参考文献
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