管棚法在地鐵出入口暗挖施工中的應(yīng)用研究

尤旭東 付 財(cái) 韓圣銘 李方政

（1.上海軌道交通十三號(hào)線發(fā)展有限公司，200070，上海；2.北京中煤礦山工程有限公司，100013，北京；3.天地科技建井研究院，100013，北京∥第一作者，高級(jí)工程師）

在城市地鐵施工中普遍采用明挖大揭蓋的方法，雖然其技術(shù)較成熟，應(yīng)用較廣泛，卻嚴(yán)重干擾了地面交通，并且破壞環(huán)境。淺埋暗挖法是一種在離地面很近的地方施行各種地下結(jié)構(gòu)暗挖施工的方法，對(duì)地面交通影響較?。?-2］。由于施工中場(chǎng)地環(huán)境、地下管線錯(cuò)綜復(fù)雜，如何在有效加固地層的基礎(chǔ)上，防止施工過(guò)程中土方坍塌并有效控制地表和管線沉降，是暗挖工程施工中經(jīng)常遇到的難題之一［3-4］。為解決這一難題，目前工程中常采用管棚法與凍結(jié)法相結(jié)合的施工方法。

1 工程概況

上海某地鐵出入口位于交通繁忙的金沙江路上，由于地鐵車站施工原因，出入口所處路段為單向2車道，車流量十分大。出入口頂板覆土較淺，僅為6.4m。地下管線眾多，主要有上水管、煤氣管道、雨污水管道等。出入口所處地層為②1砂質(zhì)粉土、②3－1灰色砂質(zhì)粉土、④淤泥質(zhì)黏土及⑤1－1黏土層。出入口土層及管線位置如圖1所示。

綜合考慮交通影響、管線安全、施工安全及施工工期等因素，決定采用管棚法加凍結(jié)法相結(jié)合的方法進(jìn)行施工。

管棚是利用鋼管作為縱向支撐、鋼格柵拱架作為橫向環(huán)形支撐，構(gòu)成縱、橫向整體剛度較大，能阻止和限制圍巖變形，并能提前承受早期圍巖壓力的一種超前支護(hù)形式。

凍結(jié)法是利用人工制冷技術(shù)，使地層中的水凍結(jié)，把天然巖土變成凍土，增加其強(qiáng)度和穩(wěn)定性，隔絕地下水與地下工程的聯(lián)系，以便在凍結(jié)壁的保護(hù)下進(jìn)行隧道、立井和地下工程的開挖與襯砌施工。其實(shí)質(zhì)是利用人工制冷技術(shù)臨時(shí)改變巖土的狀態(tài)以固結(jié)地層。

本工程即利用低碳無(wú)縫鋼管作為管棚支護(hù)，并在其中循環(huán)低溫冷媒劑進(jìn)行凍結(jié)，形成凍土帷幕后在管棚及凍土帷幕的雙重保護(hù)下進(jìn)行暗挖作業(yè)施工。

2 數(shù)值模擬

如何減小凍結(jié)施工過(guò)程中凍脹對(duì)管線及地面的影響，防止結(jié)構(gòu)變形及失穩(wěn)破壞，避免出現(xiàn)地面過(guò)量沉降和坍塌，是本工程的重點(diǎn)。根據(jù)本工程的工況，首先利用ANSYS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。

模型平面選取應(yīng)變單元，模型尺寸為長(zhǎng)50m、高20m。由于熱分布與應(yīng)力分布相互影響較小，故先進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算，得到溫度場(chǎng)分布，然后轉(zhuǎn)入力學(xué)計(jì)算。熱力學(xué)計(jì)算單元類型選取plane55單元。力學(xué)計(jì)算選用與之對(duì)應(yīng)的plane182單元。計(jì)算模型如圖2所示。

圖1 土層及管線位置示意圖

圖2 數(shù)值模擬計(jì)算模型

由于出入口結(jié)構(gòu)跨度較大，考慮在結(jié)構(gòu)面中軸線增加2排加強(qiáng)凍結(jié)孔，以減小開挖面跨度。假定積極凍結(jié)天數(shù)為40d，計(jì)算得出不卸壓情況下40d時(shí)土體位移分布圖，如圖3所示。可以看出，土體內(nèi)部最大位移量達(dá)到＋0.159m，地表最大隆起達(dá)到＋0.14 m?？梢姡瑢?duì)土體凍結(jié)時(shí)的凍脹效應(yīng)引起高度重視，必須采取措施減小凍脹對(duì)地下管線及地表的影響。

根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，針對(duì)凍結(jié)時(shí)土體凍脹效應(yīng)對(duì)地表及管線的影響，對(duì)凍結(jié)孔布設(shè)進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)：在結(jié)構(gòu)面頂部及結(jié)構(gòu)內(nèi)部增設(shè)卸壓孔，凍結(jié)施工過(guò)程中根據(jù)沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行卸壓工作，以控制凍脹對(duì)地面及管線的影響。增設(shè)卸壓孔后，通過(guò)在ANSYS軟件中對(duì)非凍土設(shè)置線膨脹系數(shù)的方法，模擬卸壓孔卸壓過(guò)程。卸壓后地表位移云圖如圖4所示。

圖3 積極凍結(jié)40d土體位移分布圖

由圖4中數(shù)據(jù)可以看出，利用卸壓孔進(jìn)行卸壓操作后，地表隆起值明顯減小。

凍結(jié)壁化凍過(guò)程會(huì)使土體原有結(jié)構(gòu)破壞，土顆粒固結(jié)，引起融沉現(xiàn)象。模擬假設(shè)融沉率為10%，計(jì)算凍結(jié)壁融化后土體位移變化情況。如圖5所示，土體最大沉降量為－0.22m。可見，在凍結(jié)壁融化過(guò)程中必須及時(shí)進(jìn)行融沉補(bǔ)償注漿，保證把地表沉降控制在合理范圍內(nèi)。

圖4 利用卸壓孔卸壓后地表位移云圖

圖5 凍結(jié)壁融化后地表沉降分布云圖

3 凍結(jié)設(shè)計(jì)

參考數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果，針對(duì)本工程的特點(diǎn)及施工控制要求，進(jìn)行凍結(jié)設(shè)計(jì)。工作井側(cè)凍結(jié)孔布置如圖6所示。車站側(cè)凍結(jié)孔布置見圖7。

主要凍結(jié)參數(shù)如下：

（1）凍結(jié)壁設(shè)計(jì)有效厚度，1.8m；

（2）凍結(jié)壁設(shè)計(jì)平均溫度，≤－10℃；

（3）積極凍結(jié)時(shí)間，40d；

（4）凍結(jié)孔，91個(gè)；

（5）卸壓孔，37個(gè)；

（6）解凍孔，10個(gè)；

（7）測(cè)溫孔，19個(gè)。

圖6 工作井側(cè)凍結(jié)孔布置圖

圖7 車站側(cè)凍結(jié)孔布置圖

工作井側(cè)上部溫控區(qū)域（圖6中泄壓孔Xx1－Xx17、泄壓孔Xp13－Xp20、解凍孔Fx1－Fx3、解凍孔Fp1－Fp7、測(cè)溫孔Cp8－Cp14）及最上排凍結(jié)孔（Dp2－Dp14）的低碳無(wú)縫鋼管兼作管棚作用，在開挖作業(yè)施工時(shí)，可增強(qiáng)開挖面前上部地層的承載力。

4 凍結(jié)法施工

4.1 土體改良

由于開挖區(qū)域位于砂質(zhì)粉土地層，含水量高，為防止在鉆孔和開挖施工時(shí)造成塌孔等不良現(xiàn)象，在鉆孔之前需對(duì)結(jié)構(gòu)面的土體進(jìn)行注漿改良。在工作井側(cè)均勻布置25個(gè)注漿孔，利用雙液注漿泵進(jìn)行注漿，注漿量按照土體松散狀態(tài)體積的15%來(lái)計(jì)算。注漿孔位置圖見圖8。

圖8 預(yù)注漿孔位置圖

4.2 凍結(jié)孔施工

凍結(jié)孔成孔采用二次開孔工藝，然后用水平鉆機(jī)和夯管錘成孔。凍結(jié)管選用Φ89×8mm低碳鋼無(wú)縫鋼管，采用內(nèi)節(jié)箍對(duì)焊連接。供液管采用Φ48×4.5mm焊接鋼管。凍結(jié)孔施工完畢進(jìn)行管路打壓試漏，試壓合格后進(jìn)行安裝工作。

4.3 積極凍結(jié)

凍結(jié)管路安裝完畢后，進(jìn)行凍結(jié)設(shè)備調(diào)試及試運(yùn)轉(zhuǎn)。在試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，要逐步調(diào)節(jié)能量、壓力、溫度和電機(jī)負(fù)荷等狀態(tài)參數(shù)，使機(jī)組在有關(guān)設(shè)備規(guī)程和運(yùn)行要求的技術(shù)參數(shù)條件下運(yùn)行。試運(yùn)轉(zhuǎn)正常后轉(zhuǎn)入正式凍結(jié)。

在凍結(jié)過(guò)程中，每天必須巡視凍結(jié)情況，檢測(cè)測(cè)溫孔溫度，并根據(jù)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，分析凍土帷幕的擴(kuò)展速度和厚度，預(yù)計(jì)凍土帷幕達(dá)到設(shè)計(jì)厚度的時(shí)間。

4.4 凍脹控制措施

在出入口地面主要管線的下部設(shè)置溫控區(qū)域，以卸壓及臨時(shí)加熱控制凍結(jié)壁發(fā)展的方式減輕凍脹對(duì)地面及管線的影響。溫控區(qū)包含卸壓孔、解凍孔、測(cè)溫孔，其孔位布置如圖9所示。

圖9 溫控區(qū)孔位布置圖

對(duì)測(cè)溫孔進(jìn)行觀測(cè)，一旦測(cè)溫孔溫度降至0℃以下，即通過(guò)解凍孔進(jìn)行人工強(qiáng)制解凍，確保卸壓孔周邊土體不被凍結(jié)，保證卸壓孔有效性。根據(jù)地面沉降監(jiān)測(cè)，如地面出現(xiàn)持續(xù)隆起趨勢(shì)時(shí)，立刻打開卸壓孔閥門，使用清水沖洗卸壓孔。

4.5 開挖構(gòu)筑施工

根據(jù)本工程的特點(diǎn)，將通道分為6塊區(qū)域進(jìn)行開挖。開挖分區(qū)示意圖如圖10所示。

圖10 通道開挖示意圖

先進(jìn)行Ⅰ區(qū)的開挖及初期支護(hù)，開挖進(jìn)尺達(dá)3 m后進(jìn)行Ⅲ區(qū)的開挖及初期支護(hù)。Ⅰ區(qū)及Ⅲ區(qū)開挖至對(duì)側(cè)地連墻后，進(jìn)行Ⅱ區(qū)的開挖及初期支護(hù)工作，開挖進(jìn)尺達(dá)3m后進(jìn)行Ⅳ區(qū)的開挖及初期支護(hù)。通道挖通后對(duì)頂部和側(cè)墻噴射素混凝土，以提高初期支護(hù)強(qiáng)度。

左右側(cè)通道完全挖通并完成初期支護(hù)后，對(duì)側(cè)墻噴射素混凝土。最后進(jìn)行V區(qū)和VI區(qū)的開挖及初期支護(hù)工作。

開挖施工完成后進(jìn)行防水施工。采用PVC（聚氯乙烯）防水板進(jìn)行全包防水處理，緩沖層采用土工布。

防水施工完成后進(jìn)行鋼筋綁扎，然后再安裝模板并澆筑混凝土。

4.6 地層融沉注漿

結(jié)構(gòu)施工完成后進(jìn)行融沉補(bǔ)償注漿工作，注漿漿液以水泥－水玻璃雙液漿為主，遵循多點(diǎn)、少量、多次、均勻的原則，注漿范圍為整個(gè)凍結(jié)區(qū)域。

4.7 沉降監(jiān)測(cè)

施工完成后，本工程管線最大隆起量為＋11.4 mm，地表最大沉降量為－12.4mm。煤氣管線及雨水管線沉降數(shù)據(jù)如圖11、圖12所示。從圖中可以看出：積極凍結(jié)前期，管線抬升較為明顯，通過(guò)一系列卸壓措施后，管線及地表抬升速率明顯變小，凍脹融沉控制效果較為理想。

4.8 數(shù)值對(duì)比

將數(shù)值模擬結(jié)果及工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，如表1所示。

通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，在凍結(jié)階段，數(shù)值模擬值基本與實(shí)測(cè)值相吻合；在融沉階段，實(shí)測(cè)地表沉降數(shù)值明顯小于數(shù)值模擬數(shù)值，這是因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)控制融沉措施比較到位，融沉注漿工作比較及時(shí)，有效地控制了地面沉降。

圖11 煤氣管線沉降數(shù)據(jù)

圖12 雨水管線沉降數(shù)據(jù)

表1 數(shù)值模擬與地表及管線沉降實(shí)測(cè)數(shù)值對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

面對(duì)地面交通流量巨大、市政管線眾多、周邊環(huán)境復(fù)雜的情況，本工程成功運(yùn)用管棚法加凍結(jié)法相結(jié)合的方法進(jìn)行地層加固，并進(jìn)行暗挖施工修建了地鐵出入口，凍脹及融沉控制效果較為理想，為城市地下結(jié)構(gòu)施工積累了成功經(jīng)驗(yàn)。

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［2］張成平，張頂立，王夢(mèng)恕.淺埋暗挖隧道施工引起的地表塌陷分析及其控制［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007（12）：3601.

［3］周文.淺談地鐵車站出入口的淺埋暗挖法施工［J］.科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力，2012（12）：59.

［4］朱徑，馬進(jìn).凍脹在淺埋暗挖凍結(jié)法施工中的影響分析［J］.西部探礦工程，2007（9）：38.

［5］殷波，童剛強(qiáng).盾構(gòu)進(jìn)洞鹽水凍結(jié)加固施工技術(shù)［J］.城市軌道交通研究，2012（6）：93.