新管幕法在中間風(fēng)井施工方案中的研究

周軍海

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200070)

0 引言

地鐵已成為一種城市非常重要的交通主干線，經(jīng)常穿行交通繁忙的地段。對于區(qū)間設(shè)置中間風(fēng)井等附屬結(jié)構(gòu)，其施工方案經(jīng)常受到道路、管線、地下構(gòu)筑物等周圍環(huán)境因素制約。常用的施工方法有明挖法、暗挖法以及蓋挖法等。其中蓋挖法具有對周圍環(huán)境影響較小，安全、實(shí)用等特點(diǎn)，應(yīng)用比較廣泛。蓋挖法根據(jù)具體實(shí)際情況，延伸很多具體工藝，本次中間風(fēng)井施工方案，采用蓋挖逆筑法，即在頂板覆蓋下，自上而下逐層開挖，每挖完一層，即澆筑本層的底板(同時(shí)也是下一層的頂板)和邊墻，逐層建造主體結(jié)構(gòu)直至整體結(jié)構(gòu)的底板［1］。

管幕法是20世紀(jì)70年代后發(fā)展起來的新施工工藝，具有對道路交通、地下管線等影響小的優(yōu)點(diǎn)，在地下工程中應(yīng)用比較廣泛。本次采用改進(jìn)的管幕法，即S.T.S工法。與以往管幕相比，S.T.S工法中在鋼管與鋼管之間增加連接件，并且鋼管內(nèi)部及鋼管之間澆筑混凝土。所以，S.T.S管幕具有強(qiáng)度大、剛度大等特點(diǎn)。本文主要研究了中間風(fēng)井蓋挖逆筑法與新管幕法相結(jié)合的施工方案。

1 中間風(fēng)井施工方案

1.1 工程條件

中間風(fēng)井位于既有道路下，道路東側(cè)是管理區(qū)，西側(cè)是苗圃(見圖1)。既有道路屬于城市的干道，道路寬10 m，雙向兩車道，車道寬3.5 m，而且既有道路為連線內(nèi)環(huán)和外環(huán)之間的重要交通干道，車流量大，交通繁忙。道路地下管線主要有:供暖熱力管(2根直徑900 mm)、污水管、排水管、通訊電纜等;地上線纜有10 kV架空高壓線，架空通訊電纜等。

圖1 區(qū)間風(fēng)井平面布置圖

主井(線路范圍內(nèi)部分)結(jié)構(gòu)為地下3層，副井(線路范圍外部分)結(jié)構(gòu)為地下2層。主井基坑深24.93 m，覆土4.23 m;副井基坑深14.01 m，覆土1.8 m。區(qū)間風(fēng)井地質(zhì)地層從上至下巖層分別為①雜填土、③-1粉質(zhì)粘土、③-3中粗砂、④-1粉質(zhì)粘土、④-3中粗砂，其中管幕和風(fēng)井主體位于③-1粉質(zhì)粘土內(nèi)。地下穩(wěn)定水位，地面下14.5 m。

1.2 風(fēng)井總體施工方案

主井采用蓋挖逆筑法和新管幕法相結(jié)合的施工方案，即先施工管幕，在管幕的支護(hù)下，開挖地下1層空間，施工基坑邊樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)及中柱結(jié)構(gòu)，然后施工頂板結(jié)構(gòu)，形成由邊樁、中柱、頂板和管幕組合的支撐體系后，施工主井的地下2層和3層。蓋挖逆筑法中，施工頂板需要臨時(shí)占用道路及管線遷改，在施工完蓋板后恢復(fù);而本施工方案中，利用了管幕支護(hù)，完成支承構(gòu)件的施工，這樣避免了對既有道路交通和管線的影響。副井位于苗圃內(nèi)，周圍環(huán)境無控制因素，因此采用明挖法施工。在管幕頂進(jìn)施工時(shí)，頂進(jìn)工作井與副井基坑綜合考慮。

1.2.1 平面布置

根據(jù)新管幕法施工工藝，在管幕段兩側(cè)分別布置頂進(jìn)工作井和接收井。結(jié)合中間風(fēng)井周邊環(huán)境情況，管幕段主要布置在既有道路及管線范圍內(nèi)主井部分。在既有道路和管理區(qū)之間設(shè)置鋼管幕的接收井;在苗圃內(nèi)設(shè)置頂進(jìn)工作井，頂進(jìn)工作井結(jié)合副井基坑設(shè)置。中間風(fēng)井沿線路方向20.62 m范圍布置21根鋼管，間距0.99 m;兩側(cè)邊墻6.18 m深度范圍，布置了6根鋼管。管幕段鋼管總長27 m。

1.2.2 縱斷面布置

管幕段鋼管垂直線路方向布置(見圖2)，覆土厚度主要由污水管埋深的控制，污水管管底至鋼管頂不小于0.2 m，管頂至地面的覆土厚度為3.2 m。接收井基坑長21.8 m、寬3.5 m、深10.1 m;圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ800 mm鉆孔灌注樁和型鋼。頂進(jìn)工作井基長25 m、寬21.4 m、深8 m(苗圃地面比既有道路低2 m左右);圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ800 mm鉆孔灌注樁。主井地下3層，結(jié)構(gòu)底距地面24.7 m。副井基坑開挖至管幕邊墻底標(biāo)高處，先頂進(jìn)鋼管，地下2層結(jié)合主井地下2層一起施工。在頂進(jìn)工作井基坑的后背應(yīng)采取加固處理。

1.2.3 施工工序

根據(jù)上述確定的中間風(fēng)井施工方案，先施工主井部分，然后施工副井部分，主要施工工序如下:

1)前期工作(包括施工場地整理、施工圍擋)。

2)主井施工(見圖3)，主要步驟:

a.施工管幕的工作井(開挖至管幕邊墻標(biāo)高處)及接收井;管幕施工(頂進(jìn)鋼管、布設(shè)連接件、灌入混凝土，形成臨時(shí)支護(hù))，然后開挖地下1層空間，及時(shí)架設(shè)支撐，封閉坑底(底部采用型鋼、鋼筋網(wǎng)、噴混凝土);

b.在主井地下1層開挖出的空間內(nèi)，施工邊樁圍護(hù)，以及施工中柱鋼管混凝土;

c.施工邊樁冠梁上部混凝土及頂板結(jié)構(gòu)，在新的支撐體系下，拆除型鋼支撐;

d.拆除封底支護(hù)，開挖基坑至地下1層底板底，澆筑地下1層邊墻及底板結(jié)構(gòu);

e.開挖至地下2層底板底，施作地下2層底板及邊墻結(jié)構(gòu);

f.開挖至地下3層底板底，施作地下3層底板及邊墻結(jié)構(gòu)。

圖2 區(qū)間風(fēng)井縱剖面布置圖

圖3 主井橫斷面圖

3)主井施工完后，施工副井結(jié)構(gòu)。

2 管幕設(shè)計(jì)

2.1 管幕作用

新管幕法(即S.T.S工法)［2］的鋼管通過加強(qiáng)連接及澆筑混凝土后，具有比較大的強(qiáng)度和剛度。管幕作為臨時(shí)支撐構(gòu)件，承載上部覆土及車輛荷載，確保在地下1層空間的安全開挖，以及施工邊樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)、中柱和頂板結(jié)構(gòu)等。由此，避免了蓋挖逆筑法施工支承構(gòu)件時(shí)，道路封閉和管線臨時(shí)遷改。

在頂板及邊樁上冠梁上部混凝土澆筑后，支撐體系發(fā)生了變化，由原來管幕單獨(dú)支撐體系變成管幕和頂板組合構(gòu)件支撐體系，形成強(qiáng)度及剛度更大的支護(hù)體系。在組合支撐體系防護(hù)下，確保了地下2層及地下3層的開挖及主體結(jié)構(gòu)的施工。組合頂板增加了支承構(gòu)件的剛度和強(qiáng)度，保證安全。

2.2 鋼管及混凝土

根據(jù)工藝要求，管幕鋼管的直徑一般要求不小于800 mm。鋼管的直徑越大，包圍相同周長所需的鋼管數(shù)量越少，因此鋼管的直徑差異對用量影響較小。選擇鋼管規(guī)格需根據(jù)工程自身的特點(diǎn)確定，即:采用的管幕具有強(qiáng)度及剛度大的優(yōu)點(diǎn);管幕作為臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)兼具施工方便等要求;覆土厚度及管線埋深等周圍環(huán)境影響因素。因此綜合分析，鋼管采用外徑為820 mm，壁厚為12 mm的鋼管。

管幕采用澆筑的混凝土不應(yīng)低于C30混凝土?；炷恋奶涠?、可泵性及收縮性能應(yīng)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

2.3 支撐體系

主井管幕的凈跨約為19 m，跨度比較大。根據(jù)主井的施工步序安排，支撐體系分兩個(gè)階段，施工過程中需轉(zhuǎn)換一次。第一階段支撐體系是地下1層開挖及邊樁施工期間的支撐體系。為了控制管幕的變形，需要對大跨度的結(jié)構(gòu)內(nèi)部布置一定數(shù)量的支撐。本階段布置3道豎向支撐，主要考慮在邊跨空間內(nèi)需要施工邊樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)?？v向間距采用2 m～3m間距布置。支撐采用H型鋼(H300×300×10×15)。第二階段支撐體系是邊樁和中柱的組合支撐體系。頂板澆筑完后，上部荷載主要由邊樁和中柱一起承擔(dān)，支撐體系進(jìn)行了轉(zhuǎn)換。圍護(hù)邊樁冠梁上部澆筑混凝土，使頂板兩端架在冠梁上;中柱結(jié)合風(fēng)井結(jié)構(gòu)立柱布置4根鋼管混凝土柱。鋼管混凝土柱采用直徑1 000 mm鋼管，壁厚12 mm。

2.4 構(gòu)造要求

鋼管之間的鎖口，形式很多，常用的形式有“T”形鎖口和雙“L”形鎖口等［3］。本次采用的“T”形鎖口，由“T”形鋼和角鋼組成?！癟”形鋼采用T100×200×8×12型鋼;角鋼采用∠100×80×10角鋼。在鎖口上下分別布置一排連接件，主要加強(qiáng)鋼管之間的連接，形成一個(gè)整體。連接件采用螺紋鋼筋，兩端用螺栓扣緊。連接件鋼筋的大小根據(jù)計(jì)算確定。鋼管之間外側(cè)設(shè)置鋼板，鋼板厚度為8 mm，主要用于澆筑混凝土?xí)r，防止混凝土外溢，使鋼管、混凝土形成具有一定強(qiáng)度和剛度的蓋板。管幕鋼管之間結(jié)構(gòu)示意圖見圖4。

圖4 管幕構(gòu)造圖

開挖地下1層時(shí)，型鋼支撐直接支撐在鋼管上，則頂板施工時(shí)影響鋼筋綁扎。為此，型鋼與頂板進(jìn)行特殊處理，型鋼端頭焊接一塊鋼板，在型鋼端頭板與頂板之間采用4根小鋼管進(jìn)行支撐連接。這樣可以減少支撐對頂板鋼筋施工的影響。

管幕的混凝土澆灌施工，宜連續(xù)進(jìn)行，必須間歇時(shí)，間歇時(shí)間不應(yīng)超過混凝土的終凝時(shí)間?；炷翍?yīng)澆筑密實(shí)，而且無離析、無脫粘現(xiàn)象;澆灌混凝土后，應(yīng)將管口封閉。

3 周圍環(huán)境影響分析

中間風(fēng)井采用管幕法和蓋挖逆筑法相結(jié)合的施工方案，目的在于減少對既有道路和管線的影響。為此，施工過程中控制地面沉降是關(guān)鍵。地面沉降在不同的施工階段，引起的因素不一樣，主要包含以下幾方面的內(nèi)容:鋼管的頂進(jìn)施工;管幕支護(hù)或者管幕和頂板組合構(gòu)件的自身變形;支撐體系的變形;支撐體系基礎(chǔ)的沉降等。

管幕鋼管的頂進(jìn)施工時(shí)，在擠入土體過程中，會(huì)同時(shí)產(chǎn)生擠土效應(yīng)和土塞效應(yīng)，由此產(chǎn)生了對地層進(jìn)行擾動(dòng)。根據(jù)研究，地層的豎向變形，主要與土體的物理參數(shù)、鋼管的埋深、鋼管的大小等密切相關(guān)［4］。管幕或者管幕與頂板組合的自身變形，主要由于地下1層的開挖，上部覆土、車輛荷載及自重作用產(chǎn)生的變形。自身的變形與管幕結(jié)構(gòu)形式、材料、支撐的布置等相關(guān)。支撐體系的變形，在管幕支護(hù)下主要為型鋼支撐的豎向變形;在管幕和頂板組合構(gòu)件支護(hù)下，鋼管中柱和邊樁在外力作用下的豎向變形。支撐體系的沉降，由于支撐體系基礎(chǔ)局部沉降引起的地層的變形。

根據(jù)地層變形的影響因素，為了控制沉降，根據(jù)需要可以采用以下輔助措施:

1)鋼管施工需要采用專業(yè)的頂管機(jī)施工，水平頂進(jìn)時(shí)，控制鋼管頂進(jìn)的速度;

2)覆土層內(nèi)可考慮局部注漿加固;

3)地下1層開挖時(shí)，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以及時(shí)調(diào)整支撐布置的間距或調(diào)整支撐的型號;

4)地下1層開挖時(shí)，控制開挖進(jìn)尺，及時(shí)假設(shè)支撐、封閉坑底，必要時(shí)應(yīng)及時(shí)封閉開挖面。

4 結(jié)語

新管幕法與蓋挖逆筑法相結(jié)合施工方案，主要利用新管幕法的強(qiáng)度大、剛度大以及對周圍環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，避免了對既有道路交通、管線的影響。

［1］ 蕭 巖，汪 波，王光明.蓋挖法和蓋挖法施工［J］.市政技術(shù)，2004，22(6):359-370.

［2］ 金正官.蘭芝漢江公園連接通道暗挖段STS施工工藝［J］.地基構(gòu)造物(韓國)，2010，26(2):52-53.

［3］ 劉博海，楊 亮，羅昊沖.管幕法概述［J］.城市道橋與防洪，2011(5):141-143，149.

［4］ 邸 成.管幕夯進(jìn)施工的環(huán)境效應(yīng)分析［D］.北京:北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，2008.

［5］ CECS 28∶2012，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

［6］ GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.