淺埋暗挖隧道超大管棚與改良袖閥管複合加固施工工法

《淺埋暗挖隧道超大管棚與改良袖閥管複合加固施工工法》是廣州市建築機械施工有限公司、裕通建設集團有限公司完成的建築類施工工法，完成人是黎丁、陳蜀東、秦健新、何炳泉、謝國華。該工法適用於淺埋暗挖法施工。

《淺埋暗挖隧道超大管棚與改良袖閥管複合加固施工工法》主要的工法特點是：使用機具簡單、便宜、操作簡單方便，施工成本低；施工速度快，支護效果好，對整個工程工期影響較小，經濟和社會效益明顯；施工過程中廢水、廢液產生很少，產生污染較小，符合施工環保要求。

2011年9月30日，《淺埋暗挖隧道超大管棚與改良袖閥管複合加固施工工法》被中華人民共和國住房和城鄉建設部評定為2009~2010年度國家二級工法。

基本介紹

• 中文名：淺埋暗挖隧道超大管棚與改良袖閥管複合加固施工工法
• 工法編號：GJEJGF221-2010
• 完成單位：廣州市建築機械施工有限公司、裕通建設集團有限公司
• 主要完成人：黎丁、陳蜀東、秦健新、何炳泉、謝國華
• 審批單位：中華人民共和國住房和城鄉建設部
• 主要榮譽：國家二級工法（2009-2010年度）

形成原因

淺埋暗挖法憑藉對既有交通、周邊環境影響小等突出的優點，廣泛套用於北京、廣州、深圳等大城市的捷運工程。然而這些隧道暗挖工程普遍採用超前支護及注漿加固（大管棚+小導管超前預注漿+掌子面加固）這種輔助工法，隨著城市捷運建設規模的逐步擴大，該種傳統的施工方法已很難滿足軌道交通建設工期與安全、質量的要求。

為此，廣州市建築機械施工有限公司與裕通建設集團有限公司通過吸取其他工程的經驗，結合廣州市軌道交通五號線【淘金站】土建工程的實際實施情況，以超前支護及注漿加固（大管棚+小導管超前預注漿+掌子面加固）的施工方法、原理、使用效果為基礎進行研究、技術改良及創新，總結施工技術經驗，針對淺埋暗挖隧道超大管棚與改良袖閥管複合加固的施工制定《淺埋暗挖隧道超大管棚與改良袖閥管複合加固施工工法》。

工法特點

《淺埋暗挖隧道超大管棚與改良袖閥管複合加固施工工法》的工法特點是：

一、超大管棚與改良袖閥管複合加固技術是利用超大管棚對隧道開挖面拱頂形成一定厚度的水泥固結體作為第一道超前支護，起到承受拱頂荷載及水壓作用，然後採用改良袖閥管進行二次加固。兩者相結合形成一道具有較高強度及良好止水效果的水泥固結體，起到防水承壓的作用。

二、超大管棚採用自行研製的自進式鑽頭進行擴孔鑽進，成孔直徑220毫米；鑽頭直徑比鋼管直徑大，使其形成泥漿護壁，防止坍孔。減小鋼管管身與孔壁接觸，減少該鑽孔成本及時間。鋼管與鑽頭直接連線，減少開孔後換下鑽頭再放置鋼管的工序，縮短時間（有利於避免因時空效應發生的坍孔想像），減少由於注漿充填不夠及時而導致坍孔。

三、了管棚設定止回閥，孔口設定定位板，分次注漿，先用雙液注漿固結孔口段，再進行管棚內注漿，注漿壓力可達到1.5~2.0兆帕（常規管棚注漿壓力0.5兆帕），漿液可完全填充管棚處的空間，保證注漿質量。

四、改良袖閥管成孔採用水泥加膨潤土混合泥漿護壁，保證過砂層的成孔質量。

五、改良袖閥管止漿系統採用橡膠止漿塞止漿，不但可以保證漿液通過壓力注入地層，同時，也可避免地層中的砂粒湧入注漿管，減免地下水滲流入注漿管中，起到注漿管的單向袖閥作用。

六、注漿管管身採用鑽床鑽溢漿孔，注漿管打入前使用鋁片貼上注漿孔將注漿孔封蓋，並用透明膠布粘牢，防止注漿管在打入時泥土進行管內注漿芯管無法進入。

七、採用後退式分段注漿，注漿壓力達到0.5~1.0兆帕，提高漿液擴散充填質量。

八、使用機具簡單、便宜、操作簡單方便，施工成本低。

九、施工速度快，支護效果好，對整個工程工期影響較小，經濟和社會效益明顯。

十、施工過程中廢水、廢液產生很少，產生污染較小，符合施工環保要求。

操作原理

適用範圍

《淺埋暗挖隧道超大管棚與改良袖閥管複合加固施工工法》適用於淺埋暗挖法施工，尤其適用於埋置深度較淺、鬆散不穩定的上層和軟弱破碎岩層施工，以及對地面沉降變形等有嚴格要求的地下工程，具有較好的圍岩預加固效果，經濟和社會效益顯著。

工藝原理

《淺埋暗挖隧道超大管棚與改良袖閥管複合加固施工工法》的工藝原理敘述如下：

所謂淺埋暗挖隧道超大管棚與改良袖閥管複合加固技術，就是在隧道拱部打設長管棚和改良袖閥管注漿，對拱部進行加固和超前支護，並對隧道掌子面的地層進行注漿改良，然後在管棚和加固拱圈的保護下進行開挖、支護與襯砌。主要使用地質鑽機在隧道掘進前於其拱頂區域，按設計孔數、間距和深度鑽探水平孔，埋設管壁頂鑽有孔眼的管棚和改良的袖閥管，並注入水泥漿以提高鋼管的剛度和加固土體，使隧道拱頂預先形成一扇狀管棚及改良撐子面土質。該結構本身具抗彎、抗剪性能，可有效承載上覆局部鬆軟土體的荷載，且使被加固土體的抗剪強度有提高，從而在隧道掘進而拱頂永久支護結構未及施工或發揮作用時，提供上覆土體所需的支撐力，起到一定支護作用，減小或消除因隧道掘進引起的地面沉降和臨近管線的變形，確保隧道安全掘進。

施工工藝

• 工藝流程

《淺埋暗挖隧道超大管棚與改良袖閥管複合加固施工工法》的施工工藝流程：

一、管棚施工工藝流程參見下圖。

管棚施工工藝流程

二、改良袖閥管施工工藝流程參見下圖。

改良袖閥管施工工藝流程

操作要點

《淺埋暗挖隧道超大管棚與改良袖閥管複合加固施工工法》的操作要點如下：

一、管棚施工工藝

1.安裝孔口管

洞口設混凝土套拱作為管棚的固定端，孔口管預埋在混凝土圍護樁內；孔口管採用Φ150×5毫米熱軋鋼管，每節長1.0米，環距30厘米布置，孔口管與混凝土套拱鋼筋焊為整體，注意焊接前檢查和校正角度，鋼管沿隧道周邊以1度外插角打入圍岩。

2.鑽機安裝就位和對中

鑽機安裝前，先行測量布置管棚各個方向的後視點，可在後方的側牆上作標記。鑽機安裝底座水平，機身穩固可靠。調整鑽機高度，立軸對正孔位，將鑽具放入孔口管內，使孔口管、立軸和鑽桿在一條直線上，用羅盤、水平尺和輔助線檢測方向和外插角。

3.鋼管制作

該工程大管棚採用自進式，不預先成孔，鋼管要事先在地面加工場加工成型再運至工作面。要按設計對每個鑽孔的鋼管進行配管和編號，保證相鄰鋼管的搭接錯開1.5米以上。

4.成孔作業

採用XY100型鑽機，Φ220毫米鑽頭，按水平方向鑽進成孔。開鑽前應調整好鑽機的方向和1度~2度的外插角。開孔時採用低壓慢轉控制進尺速度，逐步加大給進壓力和轉速加快進尺速度，每5檢測一次方向和角度。

5.安裝注漿管及清孔

注漿管採用Φ25毫米鍍鋅管，加工成3米每節，採用絲扣連線，由鋼管內安放至底端。注漿前先注入清水進行洗孔，把孔內濃泥漿和殘留岩屑置換出後。清孔時間不得超過15分鐘，清孔後立即進行注漿。

6.管棚充填注漿

管棚充填注漿採用強度等級為42.5的水泥，按水灰比1:0.5~1:0.8配製水泥砂漿（或純水泥漿）。注漿前應預先做好配合比試驗。充填注漿至孔滿後，採用棉布和木塞封堵孔口進行壓漿。注漿壓力為0.5兆帕。採用高速拌漿機拌漿，並注意控制原材料用量及水灰比，使漿液既滿足強度要求又有良好的泵送性能，注漿泵採用砂漿泵KUBJ型或UB-3型注漿泵。管棚注漿技術參數詳見下表。

管棚注漿技術參數表

項目	參數名稱	參數	備註
漿液攪拌	原材料	42.5普矽水泥	/
	純水泥漿水灰比	1:0.5~1:0.8	/
漿液固結體	抗壓強度	20兆帕	/
注漿	泵量	150升/分鐘	/
	注漿壓力終值	0.5~1.0兆帕	/

二、改良袖閥管施工工藝

1.改良袖閥管的製作

採用Φ42（外）×3.25毫米（壁厚）鋼管作為注漿管，將注漿管一端切割成尖形，便於打入，並把切縫焊嚴密，使其密閉性良好，用水試驗，水不得由焊接處滲出。改良袖閥管可以保證漿液通過壓力注入地層，同時，可以避免地層中的砂粒湧入注漿管，減免地下水滲流入注漿管中，起到注漿管的單向袖閥作用。注漿管管身採用鑽床鑽孔，注漿管身施鑽內徑Φ3~5毫米，外徑Φ6~8毫米的溢漿孔，溢漿孔呈螺旋型布置，相鄰兩孔中心間距50毫米。為保證注漿過程不反漿，在注漿管的尾端宜留800毫米不布孔，埋設時外露200毫米。在注漿管打人前用直徑為6~8毫米小鋁片粘“哥倆好”膠將注漿孔封蓋，並用透明膠布粘牢，防止注漿管在打入時泥土進行管內注漿芯管無法進入。注漿管加工示意圖如下圖1~下圖3所示。

2.改良袖閥管施工方法

對於較軟弱的地層，採用風鎬直接頂注漿管打入地層中；對於較硬的地層，可採用YT-28型手持式風動鑿岩機進行鑽孔（鑽頭稍大於注漿管外徑），並確保成孔順直，並及時清理孔內的殘積渣土，然後將注漿管埋設進去。所有的注漿管外露10~20厘米，注漿管布設後，採用棉紗+速凝水泥砂漿將注漿管周圍封填，以避免注漿施工中產生返漿。每環注漿管全部安設完成後，初噴50毫米厚的噴射混凝土土封閉開挖面。

注漿工藝施工採用後退式分段注漿，將帶有止漿塞的芯管和頂管連線後插入到注漿管孔底，順時針旋轉芯管上的法蘭盤，使止漿塞膨脹，以達到止漿效果。接上注漿管路向孔內注漿，每次注漿段長選擇為0.6米，即第一段注漿完成後，反時針旋轉芯管上的法蘭盤，使止漿塞恢復到原狀，將芯管後退0.6米，進行第二段注漿，如此下去，直到將整個注漿段完成。分段後退式注漿要特別注意止漿塞損壞程度，施工過程中若發現止漿塞出現破損失效，應立即更換，以免引起注漿管堵塞，造成芯管無法拔出。

3.施工參數

拱頂注漿管沿拱頂按環向間距設計為300毫米，縱向間距1.0米，外插角15度；拱肩改良袖閥管環向設計間距300毫米，設於拱肩部，縱向間距1.0米，外插角30~45度。注漿管採用Φ42，壁厚t=3.5毫米，拱頂改良袖閥管單根長度3.5米，拱肩單根長度4米。注漿管身施鑽內徑Φ3~5毫米，外徑Φ6~8毫米的溢漿孔，溢漿孔呈螺旋型布置，相鄰兩孔中心間距50毫米。設計開挖初支格柵鋼拱架縱向間距為500毫米一榀，按注漿管的搭接長度，即每開挖1.5米或立三榀格柵鋼拱架就打設一環注漿管進行注漿超前加固地層。

（1）注漿壓力

注漿壓力應根據地層緻密程度決定，一般為0.5~1.0兆帕；對路面有供水管、煤氣管等管線範圍隧道，採取注漿壓力0.2~0.5兆帕。

（2）注漿材料及漿液配比

①水泥-水玻璃雙液漿：水泥採用42.5R普通矽酸鹽水泥，水玻璃為30~35Be'。水泥漿液水灰比為1:1，水泥漿液與水玻璃體積比為1:1。

②根據預配製水泥漿的體積，按水灰比計算出所需要的超細水泥和水的用量。

③根據用量，在攪拌機中加人水和超細水泥，強力攪拌，混合均勻。

④水玻璃漿的配製，在濃水玻璃中加入水，邊加水邊攪拌，邊用玻美計測試其濃度，到達所需要的稀濃度35Be'時為止。

• 勞動力組織

《淺埋暗挖隧道超大管棚與改良袖閥管複合加固施工工法》的勞動力組織見下表。

勞動力組織

序號	工人	人數	主要工作內容
1	技術員	1人	方案編制
2	安全員	1人	質量及安全檢查
3	試驗員	1人	注漿試驗
4	機長	2人	指揮操作管棚鑽機
5	班長	4人	注漿作業
6	電工	1人	現場施工用電
7	鑽工	20人	操作管棚鑽機
8	雜工	2人	現場廢料、雜物清理

材料設備

《淺埋暗挖隧道超大管棚與改良袖閥管複合加固施工工法》無需特別說明的材料，採用的機具設備見下表。

機具設備表

機具名稱	數量
移動作業平台	4套
氣焊切割機具	2套
電焊機	2台
套絲機	3台
抽芯鑽機	10台
XY100型鑽	4台
150型注漿設備	4台
注漿管	250米
攪拌機	3台

質量控制

《淺埋暗挖隧道超大管棚與改良袖閥管複合加固施工工法》的質量控制要求如下：

一、超大管棚施工質量控制

1、安裝孔口管

必須測量準確及安裝穩固，保證孔口管的方向、角度符合設計要求。因為孔口管具有開孔階段的導向作用，所以孔口管安裝的好壞，對成孔質量有直接的影響。孔口管安裝位置偏差不大於1厘米，方向偏差≤1%。

2、成孔偏斜修正

鑽孔每隔5米測定孔斜，若鑽孔偏斜過大時，用特殊鑽頭修正；若鑽孔向下偏斜，可在偏斜部位充填水泥砂漿，待其凝固後再作導向鑽進。

3、防偏措施

（1）鑽機安裝要牢固、平穩；精確測量，準確對中，瞄準方向.

（2）測量方向後視點，在鑽進過程中多次覆核方向和角度。

（3）採用加長導向管鑽具鑽進。

（4）採用小壓力慢轉速鑽進參數，控制進尺速度。

（5）鑽頭穿過軟、硬層界面處時，應把鑽具往復多次穿越界面掃孔。

4、成孔深度：鑽孔深度應較設計孔深多0.5~1.0米。

5、管棚施工前應先進行編號，先進行奇數號管棚的施工，管棚注漿完成後再施工偶數號管棚，以檢查管棚施工質量。

6、若鑽進時出現卡鑽、湧水，需補註漿後再鑽進。

7、鑽機開鑽時，先宜低速鑽進，待鑽進10米後可加快鑽進速度，但要根據地質情況對鑽進速度進行調整，避免成孔卡鑽現象及保證成孔質量。

8、鑽進過程中經常用檢測鑽桿角度及位置。

9、注漿過程中隨時檢查孔口、鄰孔、覆蓋層較薄部位有無串漿現象，如發生串漿，應立即停止注漿或採用間歇式注漿封堵串漿口，也可採用麻紗、木楔、快硬水泥砂漿或錨固劑封堵，直至不再串漿時再繼續注漿。注漿過程中壓力如突然升高，可能發生堵管，應停機檢查。

10、認真做好鑽進過程的原始記錄，及時對孔口岩屑進行地質判斷、描述。作為開挖洞身的地質預探預報，作為指導洞身開挖的依據。

二、改良袖閥管注漿順序及注漿量控制

1、注漿時相鄰孔位應錯開，交叉進行。注漿順序由下而上，以間隔對稱注漿為宜。

2、單根結束標準：注漿過程中，壓力逐漸上升，流量逐漸減少，當壓力達到注漿終壓，注漿量達到設計注漿量的100%以上，可結束該孔注漿；注漿壓力未能達到設計終壓，注漿量已達到設計注漿量，並無漏漿現象，亦可結束該孔注漿。注漿量單孔單米≤0.5立方米。

3、本循環結束標準：所有注漿孔均達到注漿結束標準，無漏注現象，既可結束本循環注漿。

三、材料質檢

工程所用主要材料如水泥、鋼材、水玻璃等須抽樣送檢，檢測合格後才能使用。

安全措施

採用《淺埋暗挖隧道超大管棚與改良袖閥管複合加固施工工法》施工時，除應執行國家、地方的各項安全施工的規定外，尚應遵守注意下列事項：

一、對各施工、操作人員進行安全意識及操作規程教育。各施工操作人員未經安全培訓教育不得上崗。

二、嚴格遵守施工現場的有關安全規定。

三、施工前，施工人員要根據具體的工序對施工班組進行安全技術交底，班組長每天上班對全班工人要進行上崗安全交底。

四、建立安全設施檢驗制度。施工前及施工中要對各種安全設施如機械設備、起重用具、支架、用電設施、安全防護用品及勞護用品，實行檢查驗收制度，符合規定要求並辦理驗收手續後方得投入施工。

五、嚴格執行《施工現場臨時用電安全技術規範》JGJ 46一2005的有關規定，現場採用“三相五線”制供電，執行“一機一閘一漏電保護開關”制度。按規定架設電纜、電線，嚴禁拖地和亂拉、亂接。

六、管棚工作平台，施工前須經過受力驗算。作業平台應嚴格按照腳手架搭設和使用相關規範，保證作業平台的穩定性。作業平台上應注意防滑、防掉，作業平台外側應設圍欄和警示標記。

七、鑽機由專業機長操作，嚴格按國家有關機械作業規程操作，並使用熟練工人操作。

八、吊裝鑽機時應特別注意人員、機械安全，必須用可靠的鋼絲繩綁紮牢固，吊裝時慢提輕放，起吊物下方及起吊物前進方向上嚴禁站人。

九、鑽機正常鑽進時，嚴禁人員爬上塔頂，嚴禁人員跨越正轉動的立軸鑽桿，以避免危險事故發生。

十、注漿泵設專門場地擺設，攪拌機的皮帶輪應有護罩。

十一、注漿管路採用符合規定的多層橡膠鋼絲管，防止突然爆裂發生。

環保措施

《淺埋暗挖隧道超大管棚與改良袖閥管複合加固施工工法》的環保措施如下：

一、在施工過程中，嚴格控制廢漿的排水，及時清理施工現場。

二、在對混凝土側牆開孔時，採用濕作業以減少控制粉塵污染。

三、漿液製作採用特製的鐵桶，並控制攪拌的速度，防止漿液濺出。

四、注漿過程中，嚴格控制注漿的壓力，並經常檢查注漿管是否有損傷，以防止注漿過程中出現注漿管突然爆裂，漿液噴出污染環境。

效益分析

《淺埋暗挖隧道超大管棚與改良袖閥管複合加固施工工法》的效益分析如下：

一、該工法對軟弱地層的加固支護提供了新的途徑。

二、技術可靠，適用性強，支護效果十分明顯。

三、所使用的設備簡單、拆卸方便，鑽進速度較快。

四、實施工期短，成本費用低（下表）。

採用傳統的管棚與小導管注漿，超前預掌子面加固與淺埋暗挖隧道超大管棚與改良袖閥管複合加固技術進行對比如下（按36平方米暗挖隧道斷面，9米加固長度計算）。

施工工藝	費用	工期（天）	適用範圍	安全性
管棚+超前小導管（鋼花管）注漿	18萬	14	普通圍岩	一般
管棚+超前TSS管注漿	25萬	20	軟弱圍岩	較好
管棚+超前WSS管注漿	32萬	20	軟弱圍岩	較好
管棚+改良袖閥管注漿	20萬	15	軟弱圍岩	較好

經綜合分析比較後，在軟弱圍岩暗挖施工時，改良袖閥管具有安全係數較高，工期較短的明顯優勢，並降低了該工程總體造價。該工法具有突出的經濟效果。

註：施工費用以2009-2010年施工材料價格計算

套用實例

《淺埋暗挖隧道超大管棚與改良袖閥管複合加固施工工法》的套用實例如下：

該工法在廣州市軌道交通五號線【淘金站】實施，該工程路面交通繁忙，周圍是酒店商貿區，地下管線分布密集，淘金站附屬結構號出入口橫通道、Ⅰ號出入口橫通道、A端風道、B端風道採用暗挖施工。其中Ⅱ號出入口處通道暗挖長度17.05米、Ⅰ號出入口處通道暗挖14.35米、A端風道暗挖16.385米、B端風道暗挖17.05米，暗挖隧道總長64.8米。

暗挖隧道埋深7.2~8.35米，隧道上覆地層為<1>人工填土層、<3-1>粉細砂層、<3-2>中粗砂層、<4-1>沖一洪積黏性土層、<5-1>可塑狀殘積土粉質黏土層、<5-2>硬塑~堅硬狀風化殘積粉質黏土層。隧道開挖斷面通過的地層主要為<3-2>中粗砂層、<4-1>沖一洪積黏性土層、<5-1>可塑狀殘積土粉質黏土層、<5-2>硬塑~堅硬狀風化殘積粉質黏土層和<6>岩石全風化帶，Ⅱ號出入口通道局部進入<7>岩石強風化帶。岩層的岩性主要為泥質粉砂岩、粉砂質泥岩，以泥、鈣質膠結為主，遇水浸泡易軟化失穩。

本暗挖工程拱部採用Φ220大管棚超前注漿加固，在施工過程中，通過預先編制的施工方案及工藝要求，管棚在進洞前一次施工完成。有效地控制好管棚及袖閥管的施工質量，保證了暗挖隧道施工安全。質量、進度、技術的先進性等。

榮譽表彰

2011年9月30日，中華人民共和國住房和城鄉建設部審定《2009-2010年度國家二級工法名單》，以建質[2011]154號檔案公布，《淺埋暗挖隧道超大管棚與改良袖閥管複合加固施工工法》被評定為中國國家二級工法。