北京地區(qū)采用新管幕工法修建深埋地鐵暗挖車站方案初探

楊慧林

(1.北京安捷工程咨詢有限公司，北京 100037;2.西南交通大學(xué)，成都 610031)

1 北京地鐵深埋對工法創(chuàng)新的需求

1.1 地鐵的深埋趨勢

通過近年高強度的地鐵建設(shè)，北京地鐵線網(wǎng)規(guī)模得到了空前的增加，有力地提升了地鐵服務(wù)城市的能力;但隨著城市業(yè)態(tài)的蓬勃發(fā)展、人口向城市的快速集聚，地鐵仍然面臨著繼續(xù)增加運營長度及運能、改善服務(wù)環(huán)境、提高在公交出行中比例的重要社會責(zé)任。

在北京地鐵進行優(yōu)化線網(wǎng)規(guī)劃、加密線網(wǎng)布局、對主要客流通道進行運能提升的過程中，都要面對地鐵埋深增加的現(xiàn)實:目前北京地鐵的地下?lián)Q乘站都為地下2條線換乘，換乘節(jié)點為2層或3層，未來即將面臨多條線同點換乘，地下結(jié)構(gòu)將實現(xiàn)地下4層及以上的換乘站設(shè)計與施工;以地鐵車站為主要核心的地下大型多層綜合體也將增加，通常地鐵位于綜合體的最下層;擬建的北京地鐵R1線大部分將建設(shè)在現(xiàn)有地鐵1號線的下方，富水深埋是其需要直面的難題。

依照目前的技術(shù)標準和既有運營線路的高程，未來深埋地下車站結(jié)構(gòu)的拱頂覆土將普遍達到35～40 m。

1.2 深埋地鐵結(jié)構(gòu)面臨的困難

在北京地區(qū)實施35 m以上覆土的地下結(jié)構(gòu)面臨著諸多困難，傳統(tǒng)淺埋暗挖工法已經(jīng)不能完全適應(yīng)新的需求，這是規(guī)劃、建設(shè)及其他參建單位都必須面對并積極解決的問題，這些困難主要來自于以下幾個方面。

(1)地質(zhì)條件將更為復(fù)雜，在相同埋深情況下，地鐵結(jié)構(gòu)可能處于不同的原始地貌單元中。如北京西部地層可能遇到中風(fēng)化礫巖、厚度較大的卵石及漂石層;東部地層則偏軟，地層固結(jié)沉降所導(dǎo)致的技術(shù)風(fēng)險將更為突出。

(2)多變的水文地質(zhì)條件是地下結(jié)構(gòu)工程面臨的最大難題。西部山前地質(zhì)單元界面水流量大，且補給持續(xù)，表現(xiàn)為承壓性;東部地層層序不穩(wěn)定，透鏡體較多，各層地下水水力聯(lián)系豐富;富水條件下的有效治水措施亟需確定。

(3)結(jié)構(gòu)深埋將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)荷載增加，支護結(jié)構(gòu)變形控制問題更為突出，工法及措施不當(dāng)將直接導(dǎo)致沉降控制不力;新建地鐵結(jié)構(gòu)下穿既有的建筑物、構(gòu)筑物，其影響范圍更大，須有可靠的防沉控降措施。

(4)暗挖工程工期長、工效低，在深埋條件下，這一矛盾將更加突出，必須從車站建筑布局、系統(tǒng)及設(shè)備服務(wù)方式、工法創(chuàng)新、設(shè)備適用性等多方面著手，系統(tǒng)解決建設(shè)中的問題。

2 新管幕工法的應(yīng)用與特點

2.1 工法應(yīng)用

新管幕工法(又稱 NTR工法，New Tubular Roof Method)于2008年在沈陽地鐵2號線新樂遺址站(全暗挖車站)主體及風(fēng)道建設(shè)中被采用，在全第四紀地層中實現(xiàn)了大型暗挖地下車站的營建，并實現(xiàn)了盾構(gòu)過站與車站建設(shè)同步實施的案例。該工法為中國大陸首次采用，建設(shè)技術(shù)在借鑒國外既有技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)標準與規(guī)范條件、具體工程環(huán)境和需求進一步發(fā)展，豐富和完善了國內(nèi)地下工程暗挖技術(shù)的內(nèi)容及手段。新樂遺址站通過新管幕工法完成的單拱雙層島式大跨地鐵車站斷面如圖1所示。

圖1 新管幕法實現(xiàn)的地鐵車站斷面(單位:mm)

2.2 工法實施步驟

車站采用新管幕法施工，并配合區(qū)間盾構(gòu)過站的全部施工過程如下。

(1)在橫通道內(nèi)頂進包圍車站外輪廓的大直徑(2 000～2 300 mm)鋼管。

(2)沿著鋼管縱向?qū)荛g地層進行全長注漿，對車站下部富水地層進行擴大區(qū)域的加強注漿;在鋼管頂進期間，盾構(gòu)在車站站臺層過站;割除站廳層管間鋼板、設(shè)置支護鋼板、防水鋼板及支護鋼管，拉通施作站廳拱部結(jié)構(gòu)的空間。

(3)綁扎站廳層拱部鋼筋，進行該部分的混凝土澆筑。

(4)待上一工序混凝土強度達到100%后，割除站臺層管間鋼板，設(shè)置支護鋼板、防水鋼板及支護鋼管，拉通施作站臺層邊墻結(jié)構(gòu)的空間。

(5)綁扎站臺層側(cè)墻部分鋼筋，進行側(cè)墻部分的混凝土澆筑，車站拱部、邊墻結(jié)構(gòu)貫通。

(6)待邊墻結(jié)構(gòu)混凝土強度達到100%后，在車站全長范圍分段、分層向下開挖土方;補充焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)部分的鋼管焊縫。

(7)繼續(xù)向下開挖，拆除盾構(gòu)管片，于邊墻下部設(shè)置鋼管內(nèi)支撐;開挖到車站結(jié)構(gòu)基底。

(8)施工車站仰拱部分防水及結(jié)構(gòu);順做結(jié)構(gòu)完成車站的中柱、中板，中板與邊墻結(jié)構(gòu)進行連接。

在施工車站隧道環(huán)向結(jié)構(gòu)時，須在車站縱向分段進行，工序示意及實景見圖2、圖3。

圖2 新管幕工法工序示意(盾構(gòu)先行過站)

圖3 新管幕工法修建車站實景(盾構(gòu)先行過站)

2.3 工法體現(xiàn)的特點及優(yōu)勢

新管幕工法在沈陽地鐵實施后，從技術(shù)角度受到了業(yè)界的重視，但是由于造價較傳統(tǒng)的淺埋暗挖工法高，因此并沒有得到大面積推廣。在淺埋條件下(新樂遺址站覆土為7～11 m)，新樂遺址站的實施僅展現(xiàn)了工法的可行性，綜合技術(shù)經(jīng)濟指標并不具備優(yōu)勢;但是深入分析會發(fā)現(xiàn)該工法亦具有鮮明的技術(shù)特色與優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在以下方面。

(1)能進一步控制地層變形。大直徑鋼管采用分次頂進貫入地層，且能及時對管周地層進行填充注漿，因此群洞效應(yīng)并不明顯。在實施車站大體量土方開挖之前，襯砌結(jié)構(gòu)已在大鋼管圍合的小空間內(nèi)完成，地層的應(yīng)力釋放受到約束，車站的總體沉降得到有效控制;與之相較的是其他淺埋暗挖工法往往開挖大量土方或完成群洞后，方能形成豎向受力構(gòu)件及體系。

(2)從結(jié)構(gòu)受力角度考慮，車站為帶仰拱的馬蹄形斷面，對于地下工程結(jié)構(gòu)該斷面受力性能優(yōu)于傳統(tǒng)的直墻斷面車站，能夠充分發(fā)揮拱部、曲墻、仰拱材料承受軸向壓力的性能。

(3)車站拱、墻完成后，地下空間的開挖類似于一般基坑作業(yè)，便于大型機械的使用，工效顯著提高，這對深埋暗挖工程尤其可貴。

(4)鋼管頂進過程中，遇到地下水處理措施較靈活。既可“以堵為主”，又可根據(jù)掌子面位置、布管深度進行局部降水，推遲了全車站大范圍區(qū)域降水的時間(或者少降水)，有利于地下水資源的保護，并進一步減小對周圍建、構(gòu)筑物的沉降影響。

(5)在地下基坑向下開挖的過程中，如遇到地層中富水(如車站站臺層)，可以利用已開挖空間(如站廳層)實施連續(xù)的降水，由于空間開敞，便于實施洞內(nèi)降水和排水組織;邊墻此時已經(jīng)形成，具有顯著的隔離作用，降水的范圍與體量能夠得到進一步減少。

(6)新管幕工法工況階段簡明，總體方案具有較大的彈性和可擴展性，可依據(jù)具體的工程條件作為集成更復(fù)雜工序和工藝的技術(shù)平臺。該工法既可用于困難節(jié)點的實施(在韓國地鐵施工中，類似工法最早僅局部用于下穿沉降控制指標苛刻的既有地鐵車站、地下商場等)，也可在車站全長使用;洞內(nèi)土方開挖時，能夠形成較為開敞的空間，為各種工藝的實施提供了必要的空間;工法的主要工序——頂管、治水、開挖可以采用各種適宜的方式實施，以應(yīng)對不同地層條件。

3 幾個關(guān)鍵技術(shù)問題的思考與探討

3.1 作業(yè)面的創(chuàng)建

在實施新管幕工法頂管工序之前，必須創(chuàng)建工作面，主要包括豎井和橫通道。

豎井下部需要穿越富水地層，可借鑒礦業(yè)部門的成井技術(shù)，實現(xiàn)豎井的治水和封底，如采用系統(tǒng)的冷凍法結(jié)合降水作業(yè)，逐層冷凍實現(xiàn)開挖，為此需要對北京地鐵領(lǐng)域采用的冷凍法設(shè)備進行升級與改造，以提高其冷凍效率。

橫通道結(jié)構(gòu)考慮作為地下頂管的基地，并應(yīng)具備盾構(gòu)先期過站的能力，永久結(jié)構(gòu)應(yīng)在頂管施工和盾構(gòu)到達前實施完畢。該結(jié)構(gòu)亦可采用新管幕工法施工，其下層地下水可采用洞內(nèi)降水結(jié)合冷凍法施工。圖4、圖5分別為采用新管幕工法實施的典型風(fēng)道的鋼管布置斷面及風(fēng)道內(nèi)頂管的實景照片。

圖4 新管幕工法實施風(fēng)道鋼管布置斷面(單位:mm)

圖5 風(fēng)道內(nèi)頂管實景照片

3.2 富水條件下的頂管作業(yè)選擇

按照掘進方式，頂管作業(yè)可分為人工頂管、機械頂管2種。深埋條件下采用機械頂管優(yōu)勢明顯，主要表現(xiàn)如下。

(1)富水條件下可采用泥水平衡方式實現(xiàn)掘進，既保證掘進安全，又能降低地層損失。

(2)在西部卵石地層可在頂管機前端設(shè)置破碎裝置，施工工效高。

(3)設(shè)備作業(yè)可靠性高，制式固定，受人為因素干擾小，有利于保證質(zhì)量。

(4)可采用設(shè)置中繼間頂進的方式實現(xiàn)長程頂進，進一步提高頂進工序的可實施性。

(5)鋼管節(jié)段間采用制式接頭，連接可靠、迅速，并可設(shè)置防水構(gòu)造。

目前國內(nèi)頂管機械及施工工藝已經(jīng)比較成熟，其設(shè)備制式也比較適合新管幕工法所對應(yīng)的鋼管直徑，如圖6所示。

圖6 機械頂管實施大直徑頂管作業(yè)

3.3 管周及管間注漿

3.3.1 管周注漿

為有效控制頂管過程中的群洞效應(yīng)，降低由于頂管造成的地層損失，應(yīng)及時實施頂進過程中的管外注漿和后期補償注漿。頂進過程中的管外注漿用以填充頂管機造成的超挖，同時對管材實施潤滑減阻，因此其主要材料應(yīng)為高濃度的觸變泥漿;管體頂進就位后實施的注漿主要為填充管外的超挖，宜采用水泥基漿液對觸變泥漿實施置換。漿液的具體材料配比應(yīng)結(jié)合地層和地下水情況確定，比較理想的注漿效果應(yīng)是:在鋼管周邊形成一定厚度和強度的注漿層，如圖7所示。

圖7 理想的管周注漿效果實景照片

3.3.2 管間注漿

鋼管之間有土體，后期須切割鋼管側(cè)壁，連通鋼管內(nèi)的空間以施作車站永久結(jié)構(gòu)，因此在切除鋼管側(cè)壁前需要對管間部分土體進行注漿加固，保證其臨空后具備一定的自穩(wěn)能力，并具備一定閉水效果。其加固的范圍及厚度、注漿工藝參數(shù)應(yīng)依據(jù)地層情況確定，宜以水泥基注漿材料進行注漿處理。圖8為管間注漿示意及新樂遺址站的實施照片。

3.4 管內(nèi)空間連通與鋼筋、混凝土作業(yè)

3.4.1 管間切割與支護

切割鋼管側(cè)壁以便在環(huán)向連通各鋼管，創(chuàng)造施工車站拱部、邊墻永久結(jié)構(gòu)的空間。各鋼管在車站縱向通長切割，但在切割時需要跳做;沿著車站斷面徑向，切割高度須滿足實施車站主體拱部、邊墻的結(jié)構(gòu)尺寸。兩鋼管間切割后，需要在車站內(nèi)、外輪廓線上設(shè)置兩塊支護鋼板，兩塊鋼板之間設(shè)置支護鋼管;各鋼構(gòu)件之間需要焊接牢固，支護鋼管內(nèi)須回填微膨脹混凝土，以提高其抗壓能力。如圖9～圖11所示。

圖8 管間注漿示意及實施照片

3.4.2 管內(nèi)鋼筋、混凝土作業(yè)

管內(nèi)實施鋼筋、混凝土作業(yè)空間受限，對施工組織、質(zhì)量管理提出了更高要求。鋼筋連接需要大量采用接駁器，環(huán)向鋼筋布置還需避讓已經(jīng)架設(shè)的鋼管支護;混凝土工程以鋼管為輪廓模板，車站縱向、環(huán)向需要考慮分段、分塊澆筑混凝土，同時需考慮排氣、大體積混凝土養(yǎng)生、堵頭模板支撐等技術(shù)措施。由于除車站底板外，拱、墻不設(shè)置單獨的防水層，結(jié)構(gòu)防水以鋼板焊縫、混凝土施工縫防水和混凝土自防水為主要特征，工程對混凝土工程的質(zhì)量要求較高。如圖12～圖14所示。

圖9 管間切割及支護

圖10 單塊支護實施照片

圖11 縱向全長拉通后實景

圖12 鋼筋工程

圖13 混凝土澆筑

圖14 成型的鋼管混凝土拱部結(jié)構(gòu)

3.5 與區(qū)間工法的匹配

從工程可實施性、工期、造價等方面考慮，北京地區(qū)深埋條件下采用盾構(gòu)法施工區(qū)間隧道優(yōu)勢明顯;若能實現(xiàn)長程推進總體工程籌劃方面將更為有利，能夠避免盾構(gòu)頻繁的始發(fā)、接收和轉(zhuǎn)場作業(yè)。采用新管幕工法可以實現(xiàn)車站結(jié)構(gòu)工程與盾構(gòu)區(qū)間掘進的平行作業(yè)，但是應(yīng)確定合理的車站形式、斷面和體量，綜合確定盾構(gòu)過站的技術(shù)條件，不能簡單照搬淺埋條件下的站型和車站斷面。

3.6 地下水治理原則(小型降水，大面積止水、適當(dāng)排水)

建議以新管幕工法實施深埋地下車站時，宜遵循“以堵為主、局部降水、適量排水、冷凍輔助”的治水原則。具體如下。

(1)采用各種方式，如地層注漿、結(jié)構(gòu)閉合(可考慮車站、風(fēng)道底板結(jié)構(gòu)采用管內(nèi)施工結(jié)構(gòu)的方式完成)等措施，將地下水堵在作業(yè)面以外，做到暗挖無水作業(yè)。

(2)通過降水削減水頭，或形成局部水力漏斗，保證掌子面作業(yè)條件，如可采用洞內(nèi)跟隨降水方式，創(chuàng)造開挖或焊接條件。

(3)對于地下水應(yīng)慎重排放，避免大范圍降水可能導(dǎo)致的地下水系突變、沉降范圍過大等情況。

(4)必要時可采用冷凍法作為治水措施，以實現(xiàn)大面積或局部開挖的條件。如各鋼管之間可以互為實施輔助冷凍作業(yè)的空間，實現(xiàn)管內(nèi)各工序的推進;又如在實施大范圍站內(nèi)土方挖除時，可以分段對下層富水地層實施冷凍，以實現(xiàn)安全作業(yè)。

4 下階段應(yīng)盡快開展的研究

4.1 車站建筑形式與標準

建筑專業(yè)是設(shè)計的“龍頭專業(yè)”，應(yīng)盡快開展涉及服務(wù)標準、車站形式、消防與逃生、換乘方式等方面的研究，明確和穩(wěn)定車站的規(guī)模與體量，進而確定結(jié)構(gòu)斷面、工法方案與工程籌劃，以及與區(qū)間營建方式的關(guān)系。

4.2 針對性地質(zhì)勘察

應(yīng)盡快對擬建工點地層實施針對性地質(zhì)勘察，確定深埋條件下合理的土巖模型與參數(shù)，特別是對確定結(jié)構(gòu)荷載和約束條件較為關(guān)鍵的“深、淺埋劃分標準”、“基床系數(shù)”等內(nèi)容應(yīng)做深入研究;同時應(yīng)探明擬建區(qū)域的地層水文地質(zhì)特征。

4.3 關(guān)于專用設(shè)備

結(jié)合擬采用的工法特征及工序組織，盡快開展機械、設(shè)備、工具的考察與研制，應(yīng)重點關(guān)注設(shè)備的小型化、高效化，同時應(yīng)針對成管、焊接、注漿、挖掘、排(出)土、冷凍等關(guān)鍵工序的專門設(shè)備進行初步選擇。必要時應(yīng)進行專用機械、設(shè)備、工具的研制，并對各機具之間的適配性進行評價，進而予以改進。

5 結(jié)語

從以上分析可以看出，既有新管幕工法初步具備實現(xiàn)深埋地鐵車站的主要技術(shù)要素，同時具備承載新的技術(shù)措施的能力，對既有工法實施全面的技術(shù)改進與創(chuàng)新，針對北京地區(qū)的地質(zhì)條件和建設(shè)環(huán)境，應(yīng)重點增加治水的相關(guān)技術(shù)措施。近階段宜盡快開展相關(guān)專業(yè)的技術(shù)研究，制定相關(guān)技術(shù)標準，從整體上推進深埋車站營建的技術(shù)攻關(guān)工作。

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