北京地鐵四號(hào)線(xiàn)管幕泥水平衡頂管施工技術(shù)探討

亢超剛

(北京中鐵誠(chéng)業(yè)工程建設(shè)監(jiān)理有限公司,北京100055)

北京地鐵四號(hào)線(xiàn)宣武門(mén)站與既有環(huán)線(xiàn)宣武門(mén)站成“十”字交叉,車(chē)站施工中,在車(chē)站K7+828.65～K7+856.05(長(zhǎng)27.4 m)范圍內(nèi),車(chē)站單層斷面結(jié)構(gòu)從環(huán)線(xiàn)地鐵車(chē)站的下方穿過(guò),環(huán)線(xiàn)車(chē)站結(jié)構(gòu)底板與車(chē)站拱頂之間凈距離為1.9 m。既有車(chē)站有1條變形縫位于雙洞之間土體中央上方,土體寬4.1 m,變形縫處如產(chǎn)生較大的不均勻沉降,將危及行車(chē)安全。同時(shí),既有車(chē)站結(jié)構(gòu)及無(wú)縫鋼軌的變形限制非常嚴(yán)格(結(jié)構(gòu)變形≤30 mm,軌距增寬≤6 mm,軌距減窄≤2 mm,單線(xiàn)兩軌高差≤4 mm)。暗挖車(chē)站在既有地鐵站近距離下穿過(guò)的施工在國(guó)內(nèi)尚無(wú)成功先例,在施工過(guò)程中以及施工完成后,保證既有結(jié)構(gòu)的變形控制在限制標(biāo)準(zhǔn)內(nèi),保證既有線(xiàn)的正常行車(chē),是本工程的難點(diǎn)。

管幕法是在始發(fā)井與接收井之間,利用小型頂管機(jī)頂進(jìn)鋼管到土體中,各單管間依靠鎖口在鋼管側(cè)面相接形成管排,并在鎖口空隙注入止水劑以達(dá)到止水要求,形成超前支護(hù),然后再采用開(kāi)挖方案或箱涵頂進(jìn)方案進(jìn)行地下構(gòu)筑物施工的一種新型暗挖法施工技術(shù)[1-4]。由于管幕法在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用實(shí)例極少,為之,論文結(jié)合北京地鐵四號(hào)線(xiàn)的施工,詳細(xì)介紹了宣武門(mén)車(chē)站穿越既有環(huán)線(xiàn)管幕泥水平衡頂管施工技術(shù),從而為管幕法在北京地區(qū)的應(yīng)用提供借鑒。

1 北京4號(hào)線(xiàn)宣武門(mén)車(chē)站工程概況

1.1 車(chē)站設(shè)計(jì)概況

北京地鐵四號(hào)線(xiàn)宣武門(mén)站位于宣武門(mén)內(nèi)、外大街與宣武門(mén)東、西大街交叉路口下,車(chē)站為兩端雙層中間單層島式站臺(tái)暗挖站,車(chē)站埋深覆土厚度有效站臺(tái)中心里程為K7+842.35,車(chē)站總長(zhǎng)度187.9 m,總寬度22.9 m,站臺(tái)寬度14 m。過(guò)既有車(chē)站為單層斷面,長(zhǎng)27 m;既有線(xiàn)兩側(cè)為雙層斷面,其中南側(cè)長(zhǎng)92 m,北側(cè)長(zhǎng)68 m。車(chē)站附屬結(jié)構(gòu)共設(shè)置四個(gè)出入口,四條換乘通道,兩座風(fēng)道,一條殘疾人通道,一條安全出口,一個(gè)緊急出口及四條換乘通道。西南風(fēng)道長(zhǎng)65 m。宣武門(mén)車(chē)站主體結(jié)構(gòu)全長(zhǎng)187.9 m,寬22.9 m,車(chē)站主體建筑面積8 930 m2,建筑總面積14 238 m2。車(chē)站及附屬結(jié)構(gòu)除出入口門(mén)廳與風(fēng)井部分采用明挖外,其余全部采用暗挖法施工,暗挖土方量達(dá)100 443 m3,噴混凝土達(dá)28 290 m3。車(chē)站附屬結(jié)構(gòu)含4條出入口通道,2條風(fēng)道,4條換乘通道、1條殘疾人通道、1條安全出口及一個(gè)緊急出口。車(chē)站主體兩端為三跨雙層連拱斷面,中間為平頂直墻單層雙洞斷面;風(fēng)道暗挖斷面為單拱單跨雙層斷面;出入口、換乘通道暗挖斷面為單拱單跨單層斷面。環(huán)線(xiàn)與四號(hào)線(xiàn)車(chē)站之間采用“十”字“站廳-站臺(tái)”換乘的換乘方式,即從四號(hào)線(xiàn)車(chē)站兩端站廳付費(fèi)區(qū)兩側(cè)墻接出四條換乘通道,到達(dá)環(huán)線(xiàn)車(chē)站底板下,通過(guò)換乘樓梯到達(dá)環(huán)線(xiàn)宣武門(mén)站站臺(tái)。環(huán)線(xiàn)車(chē)站未預(yù)留換乘通道接口,需破除部分車(chē)站底板與站臺(tái)板。

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)概況

北京地鐵4號(hào)線(xiàn)宣武門(mén)車(chē)站位于永定河沖洪積扇,車(chē)站頂部位于粉細(xì)砂層,中部位于卵石圓礫層、砂層,底部位于卵石圓礫層。采用暗挖法施工時(shí)要注意防止突發(fā)性的涌砂、坍塌等不良地質(zhì)問(wèn)題。該段地下水屬層間水,含水層為卵石圓礫⑦層,中粗砂充填,滲透系數(shù)大,為強(qiáng)透水層,水位標(biāo)高為24.19 m～26.38 m,(水位埋深為20.50m～24.30 m),地下層間水進(jìn)入車(chē)站4 m左右,對(duì)車(chē)站施工影響很大。

1.3 穿越既有環(huán)線(xiàn)施工方案

既有線(xiàn)車(chē)站底板距離車(chē)站主體單層斷面拱頂1.9 m,換乘通道緊貼既有線(xiàn)車(chē)站底板,施工不當(dāng)易引起既有線(xiàn)車(chē)站的過(guò)量沉降與不均勻沉降,影響既有線(xiàn)的運(yùn)營(yíng)安全。車(chē)站主體結(jié)構(gòu)在穿越既有環(huán)線(xiàn)地鐵施工時(shí),如何保證既有環(huán)線(xiàn)地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與行車(chē)安全是本工程施工的一大難點(diǎn)。為確保施工安全,采用如下施工方案:

(1)預(yù)支護(hù),在既有地鐵車(chē)站下方,新建車(chē)站頂部全寬及部分邊墻范圍內(nèi),采用新型支護(hù)形式,既有車(chē)站軌道扣件改用特殊新型扣件。將直徑為600 mm、壁厚為14 mm鋼管用頂管掘進(jìn)機(jī)頂入土中,并在管內(nèi)灌注混凝土,管幕兩端施做托梁將管幕固定,使車(chē)站開(kāi)挖支護(hù)在管幕保護(hù)下作業(yè),控制拱頂下沉量與不均勻沉降。

(2)地層加固。在施工單層斷面前,對(duì)雙層結(jié)構(gòu)與既有車(chē)站之間地層進(jìn)行超前小導(dǎo)管注漿預(yù)加固;管幕施工完畢,單層斷面開(kāi)挖前,對(duì)單層斷面雙洞間土體及洞周土體進(jìn)行注漿加固,擬采用“WSS”工法注入水泥-水玻璃無(wú)收縮漿液。

(3)控制開(kāi)挖支護(hù)及襯砌施工時(shí)的拱頂沉降。在開(kāi)挖中采取適宜的輔助措施控制車(chē)站拱部的下沉量,開(kāi)挖支護(hù)采用“CRD”工法施工;二次襯砌采用縱向分段、豎向分層的方法施工;單層斷面東側(cè)洞施工完畢后,再施工西側(cè)洞,避免雙洞同時(shí)施工互相干擾,增大下沉量。

(4)監(jiān)控量測(cè)。施工全過(guò)程的跟蹤監(jiān)控量測(cè)及進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析是安全施工的保證手段。除對(duì)車(chē)站結(jié)構(gòu)進(jìn)行A項(xiàng)、B項(xiàng)項(xiàng)目的量測(cè),更重要的是對(duì)既有結(jié)構(gòu)及軌道的監(jiān)控量測(cè),并將每次的量測(cè)結(jié)果及時(shí)反饋給技術(shù)部門(mén)、項(xiàng)目總工、項(xiàng)目經(jīng)理、駐地監(jiān)理,發(fā)現(xiàn)異常情況,及時(shí)向設(shè)計(jì)、業(yè)主反映,研究對(duì)策。對(duì)既有車(chē)站的監(jiān)控量測(cè)擬采用遠(yuǎn)程無(wú)尺量測(cè)技術(shù)。

以上方案中,重點(diǎn)是管幕的施工,論文就宣武門(mén)車(chē)站管幕泥水平衡頂管施工技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

2 管幕泥水平衡頂管施工技術(shù)

2.1 φ 600管幕施工技術(shù)

本車(chē)站主體過(guò)既有環(huán)線(xiàn)車(chē)站時(shí),采用φ 600密排管幕施工工藝。為保證安全,根據(jù)不同地質(zhì)情況采用泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)施工或采用水平螺旋鉆機(jī)施工工藝。

2.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

鋼管管徑φ 600,管壁厚14 mm,布置在單層雙洞斷面拱頂及拱頂下6.9 m范圍的墻部密排,鋼管內(nèi)灌C30混凝土,施做長(zhǎng)度35 m。根據(jù)洞內(nèi)作業(yè)條件和施工機(jī)具性能,管幕采用6 m的管節(jié),管節(jié)與管節(jié)間采用焊接,管幕咬合采用“鉈”連接。

根據(jù)地質(zhì)資料情況,車(chē)站主體過(guò)既有環(huán)線(xiàn)時(shí)地質(zhì)可能遇到圓礫卵石、粘土層、卵石圓礫層或粉細(xì)砂層。水平螺旋鉆機(jī)施工工藝施工用于粘土層和砂層;如果遇到圓礫卵石或卵石圓礫層則使用泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行施工。

2.3 施工工藝

泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)施工管幕施工工藝流程見(jiàn)圖1所示[5-6]。頂管掘進(jìn)機(jī)采用泥水平衡掘進(jìn)頭,偏離式破碎,最大破碎礫石直徑19 cm,直徑φ 600,掘進(jìn)頭總長(zhǎng)2.5 m,泥水泵出土;頂管掘進(jìn)機(jī)千斤頂系統(tǒng)長(zhǎng)1.5 m;泥水?dāng)嚢柚茲{系統(tǒng)2個(gè),沉淀池一個(gè);掘進(jìn)速度10 cm/min～15 cm/min;導(dǎo)向采用激光指導(dǎo),自動(dòng)控制糾偏。頂管掘進(jìn)施工時(shí),一般應(yīng)施做工作坑,但由于施做管幕時(shí),兩側(cè)暗挖雙層段支護(hù)結(jié)構(gòu)已基本穩(wěn)定,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件,工作坑直接利用雙層段的空間施做,不須另做。頂進(jìn)采用從北向南頂進(jìn),設(shè)備布置、頂管施工示意圖見(jiàn)圖2。

(1)施做后座墻:頂管施做時(shí),需一后背墻提供主頂油缸的反力。后座墻利用暗挖雙層段的初支結(jié)構(gòu),焊接型鋼桁架作為后座墻,后座墻必須與頂進(jìn)軸線(xiàn)垂直。起吊裝置直接在雙層斷面的初支拱頂焊接吊環(huán),利用10 t的倒鏈起吊設(shè)備和鋼管。

(2)基坑導(dǎo)軌:在暗挖雙層段的臨時(shí)仰拱需施做導(dǎo)軌地段,先鋪設(shè)5 cm厚的砂漿找平層,然后在橫向間隔0.5 m擺放由兩根I20槽鋼向背焊接的鋼軌枕,再在方木上安設(shè)用兩根槽鋼相背焊接的導(dǎo)軌。

(3)頂管機(jī)安裝:移動(dòng)頂管掘進(jìn)機(jī)具至頂管部位,調(diào)整掘進(jìn)機(jī)的高度,將掘進(jìn)頭放入導(dǎo)向軌中,使掘進(jìn)機(jī)軸線(xiàn)與鉆孔軸線(xiàn)一致,并用儀器測(cè)量這一直線(xiàn)的角度。并采取限位裝置,限制頂管機(jī)的跑位。

圖1 泥水平衡頂管施工工藝流程圖

圖2 設(shè)備布置、頂管施工示意圖

(4)頂進(jìn):經(jīng)儀器測(cè)量,并在頂進(jìn)角度和方向滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求后,連接各種管線(xiàn);封閉掌子面,送入泥漿,形成壓力,掘進(jìn)機(jī)頂進(jìn),頂進(jìn)過(guò)程中開(kāi)啟泥漿循環(huán)系統(tǒng),保持刀盤(pán)及泥水倉(cāng)的壓力穩(wěn)定。至一節(jié)管節(jié)結(jié)束頂進(jìn),縮回主千斤頂,拆進(jìn)出水管及各種管線(xiàn),吊放下一節(jié)管節(jié)與前一節(jié)焊接。為保證管幕施工中地層不損失,要采用鉆頭與鋼管同步前進(jìn)的施工工藝,而且所用的工藝必須是成熟、有把握的。掘進(jìn)機(jī)頂進(jìn)前,在洞圈內(nèi)安裝限位裝置,將頂管的軸線(xiàn)控制在一定的范圍內(nèi)。頂管掘進(jìn)開(kāi)始時(shí)選用單級(jí)油缸,待掘進(jìn)一定深度后,選用多級(jí)油缸頂進(jìn)。頂管掘進(jìn)過(guò)程中要始終注意頂管的角度變化,并保證主頂設(shè)備不移,每頂進(jìn)1 m應(yīng)測(cè)量標(biāo)高和中線(xiàn)一次。發(fā)現(xiàn)偏差時(shí),除及時(shí)糾正外,還應(yīng)每頂進(jìn)一個(gè)行程后,正式測(cè)量糾正一次。

(5)排渣、運(yùn)輸:掘進(jìn)機(jī)切削前進(jìn)時(shí),根據(jù)刀盤(pán)前土壓力與浮動(dòng)刀盤(pán)壓力的平衡關(guān)系,刀盤(pán)與刀架進(jìn)泥口會(huì)自動(dòng)關(guān)閉或打開(kāi),進(jìn)泥口打開(kāi)時(shí),切削土體進(jìn)入泥水倉(cāng)形成泥漿,通過(guò)排泥管將渣土排出管外進(jìn)入泥漿處理系統(tǒng),處理后的廢泥漿經(jīng)洞內(nèi)運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)出洞外。

(6)卸管、接口安裝:在每節(jié)管節(jié)頂進(jìn)結(jié)束后,關(guān)閉進(jìn)泥口,穩(wěn)定掌子面,關(guān)機(jī)并拆進(jìn)出泥漿管及各種管線(xiàn),吊放管節(jié),接進(jìn)出漿管及各種管線(xiàn),頂進(jìn)。管節(jié)接口采用焊接。管與管間咬合采用“鉈”形連接。

(7)接收掘進(jìn)頭:最后一節(jié)管節(jié)頂進(jìn)結(jié)束后,在單層斷面的另一端,接受掘進(jìn)頭。準(zhǔn)備下一根管的頂進(jìn)。

(8)測(cè)量檢查:每一根管頂進(jìn)結(jié)束后,需對(duì)頂進(jìn)管的軸線(xiàn)方位,角度進(jìn)行測(cè)量,檢查偏差值是否超過(guò)允許值;當(dāng)超過(guò)允許值時(shí),調(diào)整導(dǎo)向軌的角度調(diào)整掘進(jìn)方向。

(9)管內(nèi)灌注混凝土:管幕頂進(jìn)完成一根,混凝土灌注一根,其目的是充填管幕,增加管幕的剛度。灌注采用泵送混凝土。灌注時(shí)兩端頭應(yīng)做好封堵,并在封頭上設(shè)排氣孔,當(dāng)排氣孔出漿后,停止灌注。

(10)托梁施工:在管幕施工完成、單層斷面開(kāi)挖前,需在兩側(cè)雙層段施工托梁,以加強(qiáng)對(duì)管幕的支撐。托梁采用工50鋼框架,底部與預(yù)埋在底板上的預(yù)埋板焊接。托梁安裝見(jiàn)圖3所示。

圖3 管幕托梁安裝

水平螺旋鉆施采用SYD-Z型水平液壓螺旋鉆孔頂管機(jī)進(jìn)行施工,施工時(shí)采用管超前10 cm～20 cm,鉆頭位于管內(nèi),邊頂進(jìn)邊出土,施工無(wú)需泥漿護(hù)壁,出碴為干碴。

2.4 管幕滲漏的防治

雖然在開(kāi)挖前,管幕接口間壓注過(guò)高分子漿液,但隨著開(kāi)挖的進(jìn)行,管幕接口仍然可能滲漏。此時(shí),根據(jù)滲漏點(diǎn)的部位應(yīng)分別采取措施[7-8]:

(1)滲漏點(diǎn)在已開(kāi)挖的部位:此時(shí)用電鉆在連接口部位穿孔,直接壓注油溶性聚氨酯。也可以采用鋼板封堵后壓注聚氨酯。

(2)滲漏點(diǎn)在開(kāi)挖部位前方:派人乘小車(chē)進(jìn)入鋼管,在預(yù)定部位壓注聚氨酯漿液。如果發(fā)生在側(cè)壁且深度較大,視情況可以在地面振管注漿。值得指出的是,為保護(hù)地面綠化,管幕以上土體不容許注任何漿液。

(3)觸變泥漿減阻頂進(jìn)施工中,觸變泥漿的應(yīng)用是減少頂進(jìn)阻力的重要措施。頂進(jìn)時(shí),通過(guò)頂管機(jī)鉸接處及管節(jié)上預(yù)留的注漿孔,向管道外壁壓入一定量的減阻泥漿,在管道四周外圍形成一個(gè)泥漿套,減少管節(jié)外壁壓入一定量的減阻泥漿,從而減少頂進(jìn)時(shí)的頂力。泥漿套形成的好壞,直接關(guān)系到減阻的效果。

2.5 鋼管焊接

為提高焊接質(zhì)量與焊接速度,可以采用管道自動(dòng)焊接技術(shù),以人工焊接為輔,自動(dòng)焊接為主。由于管幕鋼管的厚度較厚,管節(jié)頭部設(shè)單面坡口,尾部不設(shè)坡口,這樣管節(jié)頂進(jìn)時(shí)不會(huì)減少受力面積,坡口采用45°。管節(jié)吊下井后,先進(jìn)行拼接。拼接時(shí),在前一節(jié)管節(jié)尾部燒焊幾個(gè)“搭子”,通過(guò)在搭子中打入鐵楔,可將后一節(jié)管節(jié)頭部整形,使之與前一節(jié)尾部能相連接。拼接時(shí),前后管節(jié)間應(yīng)留1 mm～2 mm的空隙,利于燒焊牢固。

3 結(jié) 語(yǔ)

管幕法是利用頂管機(jī)建造大斷面地下空間的施工技術(shù),是一種新型的地下暗挖技術(shù)。其原理是以單根鋼管頂進(jìn)為基礎(chǔ),各鋼管間依靠鎖口相連,并在鎖口處注入止水劑,形成密封的止水幃幕。采用管幕法時(shí),由于開(kāi)挖土體或者推進(jìn)箱涵是在管幕的保護(hù)下進(jìn)行的,因此,可以顯著減少地面沉降和增加施工時(shí)開(kāi)挖面的穩(wěn)定性,同時(shí),由于管幕具有隔離地下水的作用,故施工時(shí)無(wú)需降低地下水位。本文詳細(xì)討論了宣武門(mén)車(chē)站穿越既有環(huán)線(xiàn)管幕頂進(jìn)施工技術(shù),跟蹤施工進(jìn)行的地表監(jiān)測(cè)表明,合理取用施工參數(shù),車(chē)站最終的地表控制在10 mm之內(nèi),地表隆起小于20 mm,各項(xiàng)施工質(zhì)量良好,確保施工時(shí)既有運(yùn)營(yíng)環(huán)線(xiàn)的安全。

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