砂夹卵石地质条件下浅埋暗挖隧道超前预加固工艺的比选及应用
摘要：本文通过对南水北调中线京石段应急供水工程（北京段）总干渠下穿铁路立交工程与既有大台铁路立体交叉过水隧道的施工经验的总结。
为今后下穿既有铁路浅埋暗挖隧道，在砂卵石地层等特殊地质情况下，如何正确选择超前小导管预注浆工艺、超前深孔预注浆加固工艺、夯管帷幕工艺对拱顶进行加固等施工方法提供了可靠的参考。
通过本工程施工的实践证明：通过的可行性施工方案的必选，缺的了良好的效果，保证了整个施工过程的安全和质量。
关键词：不良地质条件超前小导管超前深孔预注浆加固工艺夯管帷幕工艺
1、引言
自本世纪初期，国内特别是北京市的市政基本建设进入了一个全面建设的阶段，特别是近几年来未缓解交通堵塞的压力，大力发展北京市的市政基本建设已成为共识。
然而，目前机械设备及技术力量相对滞后，在地下工程施工中，其主要的施工工艺依然为人工开挖，由于在施工过程中地质条件的不确定性，在土壤加固时经常发生加固效果不理想的状态，直接导致发生掌子面塌方事故，特别是近几年来，在北京市的地下工程施工中，由此发生的伤亡事故屡禁不止，由此可见，认真分析地质条件，使用有效的土壤加固工艺，在地下工程施工中极为重要。
2、工程概述
南水北调中线京石段应急供水工程（北京段）总干渠下穿铁路立交工程与大台线立体交叉，位置在西四环下穿大台线框架地道桥（五路桥）下，输水圆管左、右线分别以隧道形式下穿五路桥，输水圆管隧道采用暗挖法施工，施工时不中断桥上铁路及桥内公路行车。
五路桥为四孔闭合式框架桥，孔径为1-14.0m+2-17.5m+1-14.0m。
暗涵隧道内廓为2孔4m圆形。
左右两线隧道中心距离为19m，拱顶距框架桥底板约为3.34m，夯管工作室覆土4.0m，临时通道覆土3.7m，属超浅埋暗挖范围。
西四环为北京市重要交通干线，车流量大，保证西四环的绝对安全，是本工程的重中之重。
3、施工工艺
3.1、夯管帷幕法施工工艺
夯管帷幕法也称管棚法，是地下建筑物暗挖法中（超前小导管法、大管棚法、管棚法）最为安全可靠的施工防护方法。
夯管帷幕是指在隧道开挖之前，利用夯管锤将钢管一根挨一根地打入、并穿过路基，在地下建筑物外围形成门字形管棚，如下图所示。
利用管棚支撑铁路列车荷载、汽车荷载、维护铁路公路的稳定，同时对隧道开挖施工起到保护作用。
为保证铁路运营安全，提高路基的安全性，同时提高施工效率，减少列车慢行的影响，确定采用钢夯管的施工工艺作为穿越铁路五路居桥的方法。
该项技术与传统的液压顶管相比，其主要特点是不破坏地层
结构，使原土体始终保持封闭的结构，不会对行车安全造成影响。
此种工艺地层适应性广泛，施工周期短，适用于除岩石以外的各种土层、回填层及含小卵砾石层。
3.2、超前深孔预注浆加固工艺
本工程的超前深孔预注浆工艺即采用空压机送风，通过钻机平台带动钻杆前端合金钢钻头高频率冲击，打碎前端岩石；同时，通过液压油泵带动钻杆及钻杆前端合金钢钻头旋转并向前推进，使其达到钻机成孔的目的；成孔后，采取逐段注浆的形式，完成围岩加固的全过程。
在施工中，实施钻一段、注一段，再钻一段、再注一段的钻、注交替方式进行钻孔注浆施工。
每次钻孔注浆分段长度1～3m，孔口管法兰盘进行止浆。
前进式分段注浆钻孔注浆施工模式图解。
由于在竖井实际开挖过程中，发现地质条件发生变化，经过分析计算，隧道所在地层中砾石最大粒径为35cm，含量接近52%，与原设计中的数据产生了偏差，同时在竖井开挖过程中发现，砾石层主要分布在隧道拱顶范围，对土壤加固效果极为不利。
为保证取得第一手数据，以保证隧道开挖安全，经过对拱顶以上1m至拱顶以下2m范围进行取样分析发现，地层中没有粘粒，属松散结构，孔隙率达31%左右，土壤加固及开挖风险较大。
为保证在隧道开挖过程中的绝对安全，在竖井开挖过程中对拱顶部位进行了超前小导管注浆预加固工艺，但由于拱顶部位砾石粒径较大，且含量较高，70%的小导管打入深度在50cm以内，无法满足施工安全需要，同时在打入小导管时对周边的地层破坏极为严重，完全丧失其自稳能力。
由此显示，单独的超前小导管工艺无法保证隧道开挖安全，为谨慎起见，通过对周边工程的施工进行调查分析，帷幕注浆加固工艺采用的机械设备同样无法保证土壤加固的效果。
而前进式分段深孔注浆工艺采用的合金钢钻头正是解决此类问题的关键。
最后采取此种工艺成功穿越了西四环主辅路。
3.3、超前小导管预注浆工艺
在软弱围岩地层中施工，采用小导管超前支护预加固地层技术，通过注浆，使小导管周围土体固结成一拱形承载壳，有效地控制拱顶坍塌。
超前小导管注浆施工内容主要包括封闭工作面、钻孔、安设小导管、注浆、效果检验等工序，其施工工艺流程见下图。
4、施工工艺比选
本隧道处于北京市西四环主路下，须从桥东侧施做施工竖井，往西开挖横向通道（71.3m），在到达正线位置后从北侧壁开挖夯管工作室（各10.5m），随后进行铁路五路桥下范围施工，长度根据桥体形状，左线39m，右线35m。
最后进行桥区范围外的剩余部分。
为了保证铁路桥体的稳定及铁路运营的安全，桥体范围内正洞隧道开挖前必须采用夯管管棚支护。
在施工中需要严格控制地表沉降以确保施工不会对桥体产生过大的局部应力，从而确保桥体结构安全。
按照设计文件要求隧道其余部分开挖超前预支护采用Ф32小导管注浆加固地层技术。
小导管采用Ф32热轧无缝钢管。
拱部小导管沿开挖轮廓线从格栅腹部穿过，间距每米设三根，单根长3.25m，仰角及外插角15°（角度过小影响下榀格栅的架设，极易造成侵限，角度过大，出现超挖现象严重）注浆浆液采用硫酸-水玻璃双液浆，注浆压力宜控制在0.3～0.5MPa。
本工程完成施工竖井破除廊道马头门后，每榀以50cm间距向前进行开挖。
由于地质条件与设计文件出现较大变化，卵石粒径大，含量高，传统小导管注浆工艺无法保证开挖安全，在进行通道施工时，难以保证开挖面稳定。
针对此问题，专业技术人员对北京市内施工中使用的注浆加固工艺进行分析、对比，根据现场情况，经过试验段效果验证，最终在专家分析会上确定深孔注浆加固方案，施工通道以及夯管工作室开挖按此工艺进行超前预加固，取得了良好的效果，确保了施工安全。
桥区范围外的剩余部分由于地质条件变好，沿用了超前小导管预加固工艺施工，安全地完成此段部分施工。
根据工程实际需求，经过专家多方论证，最后确定廊道以及夯管工作采用超前深孔注浆加固工艺进行地层加固，桥区范围内采用管棚帷幕施工进行防护，桥区以北采用小导管注浆加固工艺进行施工。
在施工过程中严格控制关键环节，确保了整个工程的顺利完工。
结合本工程具体施工，下面就各工艺优缺点进行比较如下：超前深孔注浆加固，适宜大粒径卵石，固化范围较均匀且强度高的地层，缺点是施工周期较长,费用较高，一般适用于工期要求相对宽松，地下结构物位置可探明情况使用的工程。
管棚帷幕防护是地下建筑物暗挖法中最为安全可靠的施工防护方法，但是存在施工周期长、费用高，不宜防护结构长度过长的缺点，一般在结构物防护要求苛刻的条件下被采用。
超前小导管注浆加固适宜小粒径砂夹卵石地层，且砂含量越高防护效果越好，投资成本最低。
缺点是地表沉降值不宜控制，后期强度较小，此工艺是目前暗挖法施工中使用最为广泛，投资最为节省的一种工法。
5、结论
本工程通过超前小导管预注浆工艺、超前深孔预注浆加固工艺、夯管帷幕工艺，有效的解决了砂卵石地层的塌方问题。
并且在工期要求和安全性要求方面都到达了预期的效果。
今后类似市政工程可以借鉴本工程的经验成果。
在本工程实施施工过程中最直接的体会就是：应随时掌握地质条件变化，特别是前掌子面情况，根据地层变化情况，作出明确判断，及时、合理的调整施工方案，选取最适合的施工工艺。
同时结合工程地质情况同时要充分考虑工程造价方面的问题，争
取做到即经济又能解决不良地质问题。
达到安全、工期、质量、工程造价多赢的结果。
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看。
