填海区城市地铁浅埋暗挖隧道下穿天然浅基建筑物
摘要：结合深圳地铁2号线蛇口港站～海上世界站暗挖区间下穿天然浅基建筑物超前预支护的工程实例，研究和阐述了长管棚超前注浆预加固技术的工作机理、施工工艺及技术，为管棚工法在城市地铁工程中应用提供参考。
关键词：城市地铁，深圳地铁2号线，浅埋暗挖隧道，管棚，超前注浆。
1引言
管棚法首先用于山岭隧道施工中，并在穿越破碎带、松散带、软弱地层、涌水、涌砂层等软弱围岩隧道施工中发挥了重要作用，已发展成为隧道洞口及通过断层或软弱破碎带的主要辅助工法。近些年，管棚法也被推广于地铁的暗挖施工中。管棚支护是采用浅埋暗挖法施工的地铁车站、区间隧道、附属结构等进洞施工前，由于地层条件和结构形式等因素限制，而采取的一种重要辅助支护手段，起到防塌、限沉，保证施工和结构安全的有效作用。在目前的地铁施工中，通常采取管棚间施做超前小导管注浆来配合管棚加固隧道拱顶地层，提高进洞开挖的安全性。
在建的深圳地铁2号线蛇口港站～海上世界站暗挖区间左线下穿天然浅基建筑物施工采用长管棚＋超前小导管注浆预支护方案。该管棚设计参数虽然不是最长，管径也不是最大，但施工遇到的挑战是严格的限制条件：⑴管棚洞内施工，隧道上半断面工作室环状方向仅有0.6m的有限空间，周边已施作初期支护所限制；⑵不允许管棚本身施工引起上部天然浅基建筑物沉降和隆起；⑶管棚穿越冲洪积圆砾、砾砂、砾质粘性土地层以及不均匀的填海地层。本文就针对该区间工程的工法选择、施工关键技术进行分析、总结。
2工程概况与特点
深圳地铁2号线蛇口港站～海上世界站暗挖区间隧道为盾构空推的圆形断面，开挖直径7300mm，隧道拱顶至地面覆土层厚度9m，距太子宾馆基础7m。场地原始地貌为滨海沙堤、海冲积潮间带，现已堆填整平，距离现状海岸线约300m。隧道覆土层主要是人工填土（石、砂）、冲洪积圆砾、砾砂、砾质粘性土，稳定性差，遇水易产生涌砂。该地层中地下水丰富，与海水有较好的水力联系。其左线隧道正下穿1栋5层天然浅基建筑物——太子宾馆，穿越长度35m。
在下穿建筑物段暗挖隧道拱顶施作密排管棚作为超前支护措施，管棚采用螺旋钢管，直径80mm、壁厚6mm。为避免在建筑物下设管棚工作室，采用39m长管棚一次通过，管材每节长度为6.0m，管棚长钢管采用6节6.0m、1节3.0m长的钢管套接形成。如图1所示。
3长管棚施工工法的分析与比选
管棚常用的施工方法有水平钻机顶进法、水平钻机回拖法、夯管法、导向钻机成孔管锤夯进法等。
对浅埋暗挖隧道来说，由于成孔时的应力释放和成孔过程中的水土流失，总要引起地表沉降。单根管棚产生的沉降非常小，随着管棚数量增加，成孔应力释放造成沉降量累加，将引起较大的总沉降量，有的管棚施工引起的沉降甚至大于隧道开挖所产生的沉降。管棚施工引起的地表沉降原因可以归纳为3类：成孔时的应力释放；成孔过程中的水土流失；成孔施工精度误差引起的超挖。
从地面沉降要求严，施工空间有限、地层不均匀等限制条件出发，考虑的主要因素有：采取措施弥补或改善成孔过程中的水土流失；严格控制施工误差；尽量避免成孔时因应力释放所产生的变形。
通过对管棚施工工法的综合比较，确定采用水平钻机顶进法。水平钻机顶进法采用水平钻机顶进法施工，钻孔机具常采用水平旋转钻、套管钻、注浆钻、水冲钻等。钻孔循环介质一般为风、水、泥浆。最常用的钻机钻头直径0.108m，成孔直径0.110～0.113m，钻杆长度2.0m；钻进时水从钻杆中心注入，从钻头口喷出；钻孔完成后立即退出钻杆，利用人工配合钻机安装管棚钢管。这种工法主要用于小直径管棚的施工。
4管棚施工艺及技术要求
考虑到该段隧道的地质、周边环境、隧道开挖断面、埋深以及开挖方法等，管棚一次钻进长度为42m，依照设计断面布设施管棚，管棚分布宽度为拱顶120°范围内，要求钢管中心间距为0.3m。
4.1施工工艺
管棚施工工艺流程如图2所示。
4.2施工技术要求
管棚施工的设计如图3所示。
应严格按照如下步骤和要求进行施工和质量控制：
4.2.1测放孔位
根据设计要求，在喷射砼封闭后的隧道断面上，精确测定孔位，对每个孔进行编号。
4.2.2钻机就位
调节钻机至设计高度，并调节钻机主轴使其与设计角度一致。钻孔方向一般都沿隧道掘进的方向，隧道两侧钢管可以适当向外侧偏斜。在钻孔前，要严格检查调整钻机主轴、钻杆、钢管方向一致，并使每根钢管符合设计方向。特别要采取措施杜绝钢管侵入初支和破坏其它设要施。钻机就位后检查钻孔外插角，应满足设计要求。检查仪器采用平板仪，首先测量钻机主轴（导向板）的外插角度数，其次应检查首根钢管前端的外插角度数，并满足设计要求。
4.2.3钻进
管棚钻进时要根据地层具体情况，选择合适的钻进参数。地层比较松软时，管棚钻进一般采取中压钻进、中速以及中量循环液。钻孔应由高孔位向低孔位间隔进行。钻孔时应对准孔位，先使钻杆向前，钻头接触工作面，再使钻杆转动，不得晃动钻杆。在钻进前要首先给循环液。钻进过程中应经常检查钻进方向，根据钻机钻进情况及时判断成孔质量，并及时处理钻进过程出现的异常情况。加接钻杆时，均要用测量外捕角，如发生倾斜时，应立即采取有效措施进行弥补和纠正。
4.2.4注浆和封口
每完成一根钢管后，应开始进行注浆施工，注浆材料为强度等级为32.5级的水泥浆。注浆压力应根据地层情况确定。压力宜控制在0.4～3.0MPa。注浆量小于0.1m3/m，稳定10min后即可停止注浆。管棚注浆完毕要及时封堵管口。
4.2.5监控量测
该段区间隧道上方为太子宾馆、太子路，地面交通繁忙，地下管线众多。为保证地面交通的正常运行，地面建筑物和地下管线的安全，在施工全过程中，采用精密水准仪进行地表沉降测量，通过监测数据的反馈及时调整支护参数和施工方案，确定后续工序安排；同时经过量测数据的分析处理和反馈，适时调整水平钻机施工技术参数，以确保施工安全，也进一步验证施工设计的合理性。此外，在开挖过程中，还注意观察管棚支护情况，如管棚间距是否过大、注浆浆液是否充满钢管周围的空隙及地层有无漏水、流砂等现象，为下一循环改进提供参考。
5效果分析
管棚支护也成为暗挖隧道施工控制土体下沉和地面建筑物沉降的一种有效措施，起到限沉的作用。管棚作为地层预加固技术的一种有效措施，其工作机理主要在于以下几个方面：
通过管棚超前注浆，改良填海区土体，提高其物理参数，在加强自身刚度的同时，使管棚与周围土体密实，加强了管棚与土体的粘结力，起到加固土体，增大地层自稳能力的作用。
管棚注浆预加固后形成梁、拱结构效应。管棚沿隧道开挖纵向推进，一端与初支结构相联结，另一端深入前方土体中，可视作两端固定的梁结构，这种超前预加固和支护能够提供有效的竖向抗力，是典型的超前预支护体的梁效应。超前预加固后土体和管棚形成整体拱圈，大大减少了开挖后土体自稳和成拱达到平衡所需的时间，隧道很快建立起新的平衡，拱圈下的土体由随后的及时喷混凝土来约束，这便是地层预加固的成拱效应。管棚所形成的地层预加固结构的纵向梁效应以及横向的拱效应，在隧道开挖时将承载来自上方的土体荷载，对地层的稳定起促成和强化作用。
隧道开挖引起软弱荷载释放时，管棚从上一施工循环支护结构完成到下一循环进行过程中，所承受的释放荷载体系可视为由未开挖土体、管棚及已支护段三部分构成，通过对管棚内力分析，管棚内力随支护完成而降低。因此，管棚随着隧道初支的延续，将土体开挖释放的荷载传递到支护结构上，不断的起扩散和传递荷载作用。
深圳地铁2号线蛇口港站～海上世界站区间填海区浅埋暗挖隧道过建筑物施工，完成长管棚共计23根，钻进960m，工期15天。工程实践表明，管棚施工是成功的，长管棚提前发挥超前支护作用，加上管棚间超前小导管注浆的配合，增加了施工安全度，提高隧道的长期稳定性。在管棚支护下开挖，防止了隧道坍塌，有效控制了地面天然浅基建筑物下沉，该段填海区浅埋隧道已经安全通下穿了天然浅基建筑物。