硬土地區(qū)地下通道下穿既有管線的管幕法施工

李耀良 趙偉 成 李增旺 徐彪凱 樓 楠 曹漢 卿

1. 上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200433；2. 綠地集團(tuán) 上海 200023；3. 上海建工四建集團(tuán)有限公司 上海 201103

隨著城市地下空間的開發(fā)速度加快，城市環(huán)境保護(hù)要求等級(jí)也逐漸提高，尤其是面臨穿越道路、管線、保護(hù)建筑等下部的地下通道工程，采用傳統(tǒng)的明挖工藝將影響市民的正常生活，而矩形頂管、箱涵頂進(jìn)等傳統(tǒng)的地下通道施工工藝在城市環(huán)境中又極易受到施工空間限制。相比于上述工藝，作為暗挖工藝的一種管幕法既能滿足對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求，又能有效地解決施工空間的問題，在復(fù)雜環(huán)境下的地下連通道工程中可起到良好的效果。

1 管幕法工藝原理

管幕法是在結(jié)構(gòu)體外圍預(yù)先進(jìn)行鋼管頂進(jìn)，并在鋼管側(cè)面利用鎖口進(jìn)行連接，形成一個(gè)能抵御上部荷載的超前支護(hù)結(jié)構(gòu)，并起到隔斷周邊水土的帷幕結(jié)構(gòu)的作用，從而減少對(duì)地面道路、管線、建（構(gòu)）筑物的影響，保證地面活動(dòng)及保護(hù)對(duì)象的正常使用[1]。

其施工步驟亦可分為以下5步[2]：

（a） 構(gòu)筑工作井及接收井，空間根據(jù)鋼管分段長度及推進(jìn)機(jī)械確定；

（b） 在工作井及接收井洞口進(jìn)行加固；

（c） 將鋼管依次頂進(jìn)結(jié)構(gòu)周圍，并利用鋼管間鎖口進(jìn)行搭接，形成帷幕；

（d） 在洞口及管幕內(nèi)部設(shè)置支撐，邊開挖邊支護(hù)；

（e） 進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工，并拆除支撐體系。

2 管幕法在硬土層中的特點(diǎn)分析

管幕法多數(shù)采用鋼管搭接呈封閉狀態(tài)的工藝，在軟土地層中強(qiáng)度低、靈敏度高、含水量高。因而支護(hù)體系內(nèi)較小的滲水、涌土即能對(duì)地表產(chǎn)生大的沉降，故需要支護(hù)體系能有效防止水土流失，以減小對(duì)外界環(huán)境的影響。

2.1 管幕法在硬土地層中特點(diǎn)

（a）由于硬土普遍強(qiáng)度較高，在較小的開挖深度內(nèi)可保持自立狀態(tài)，且在此狀態(tài)下側(cè)向變形也較小。

（b）硬土地區(qū)淺層一般有1 層較硬的硬塑層，黏聚力較高，滲透性較低。

由于地下連通道一般為淺埋，故可利用硬土層的特點(diǎn)，結(jié)合管幕工藝，對(duì)管幕技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使其在硬土層中進(jìn)行地下連通道施工時(shí)更具有針對(duì)性。

2.2 相對(duì)于軟土地區(qū)的特點(diǎn)

（a）可采用不完全封閉的鋼管帷幕。在軟土地區(qū)，一般采用全封閉的鋼管帷幕體系，減小水土流失對(duì)外界的影響。而在硬土層中，可根據(jù)土層滲透性及支護(hù)長度，采用上部鋼管支護(hù)、兩側(cè)擋土墻的方式或上部、兩側(cè)鋼管支護(hù)的方式，以減小工程投資。

（b）鋼管施工精度要求不高。鋼管間的鎖口可起到導(dǎo)向及止水作用，在軟土層中由于對(duì)鋼管帷幕封閉狀態(tài)、鋼管間止水的要求相對(duì)較高，所以必須設(shè)置止水鎖口，以保證鋼管能形成完整封閉的體系，減小滲水風(fēng)險(xiǎn)。故鋼管整體施工精度較高。然而在硬土地區(qū)，通道通常位于淺層的硬塑層中，在這種情況下可利用土層滲透性低的特點(diǎn)，在頂進(jìn)時(shí)不設(shè)置鎖口，降低施工難度，在開挖過程中采用邊挖邊用鋼板封閉的方式減小涌土及滲水。

（c）硬黏土層中鋼管頂進(jìn)施工中少量泥漿損失對(duì)外界影響程度低。由于硬黏土的強(qiáng)度較高，鋼管頂進(jìn)施工時(shí)形成的圓形孔洞有一定的自承性，在鋼管頂進(jìn)施工時(shí)微量的泥漿流失對(duì)外界的影響程度較低。

2.3 硬土層中管幕法對(duì)環(huán)境保護(hù)的優(yōu)勢(shì)

在硬土層中，相比于矩形頂管、盾構(gòu)、箱涵頂進(jìn)等暗挖工藝，管幕法在周邊環(huán)境較為復(fù)雜的情況下具有一定的優(yōu)勢(shì)（表1）。

表1 管幕法與其他暗挖工藝特點(diǎn)對(duì)比

3 工程概況

背景工程位于山東省濟(jì)南市中心城區(qū)，工程主體結(jié)構(gòu)為連接?xùn)|西兩側(cè)地下室的連通道。通道結(jié)構(gòu)外包尺寸為9.1 m×5.2 m，長度23.2 m，埋深約4 m。

地下通道大部處于②層粉質(zhì)黏土層和③層黏土層，黏聚力較高，滲透性較低。

基地內(nèi)東西兩側(cè)地下室已完成，通道上部中間有南北向2 束光纜通過，根據(jù)實(shí)際探挖結(jié)果，管線與通道頂部距離為2.8 m，與管線檢查井最近處僅1.9 m（圖1）。

圖1 基地平面示意

本工程由于在已建東西地下室間進(jìn)行通道施工，扣除封隔墻距離，總的施工距離僅20.6 m，其中光纜距西側(cè)工作井最小凈距7.7 m、東側(cè)接收井最小近距僅4.8 m。由于施工空間狹小，上部覆土層厚度較薄，且光纜及檢查井位于通道結(jié)構(gòu)上方距離較近，考慮到采用矩形頂管、盾構(gòu)以及箱涵頂進(jìn)沒有相應(yīng)的操作空間，對(duì)淺覆土頂進(jìn)產(chǎn)生的土體變形也較大，故而采用管幕法進(jìn)行施工。

4 工程特點(diǎn)及難點(diǎn)

4.1 土質(zhì)條件

通道整體位于黏土層中，且黏土層的黏聚力較大，尤其是③層黏土層強(qiáng)度高，有一定的自立性，故而可采用頂部管幕支護(hù)對(duì)上部土體及管線進(jìn)行支承，在通道兩側(cè)利用黏土的自立性采用逆作擋墻的方式進(jìn)行擋土支護(hù)。

此外，由于擬建場地距離泉水群距離較近，水量補(bǔ)給較大，需要考慮一定的止水措施。

4.2 環(huán)境條件

由于東西兩側(cè)地下室均已施工，封堵墻未鑿除，且中部電纜所占范圍較大，構(gòu)筑工作井及接收井的施工空間也受到較大影響，鋼管頂進(jìn)難度較大（圖2）。另外，管線與鋼管頂部距離為16.4 cm，與管線檢查井最近處僅10 cm。需要嚴(yán)格保證鋼管的施工精度，避免頂管施工影響管線檢查井。

圖2 鋼管與管線關(guān)系

5 管幕工法在工程中的應(yīng)用

5.1 管幕總體布置

5.1.1 工作井及接收井布置

通道開挖深度為9.7 m，考慮到管線及檢查井的位置，將上部土層按照1∶0.4卸土放坡，放坡高度3 m，剩余空間作為工作井及接收井位置?？紤]到施工場地有限，故工作井及接收井圍護(hù)形式采用鉆孔排樁結(jié)合高壓旋噴止水?；又虚g光纜以下采用斜打高壓旋噴樁進(jìn)行封閉。

排樁頂部設(shè)置1 道混凝土支撐，兼作為管幕頂管的操作平臺(tái)。

5.1.2 鋼管直徑及構(gòu)造

通道結(jié)構(gòu)長度為23.2 m，考慮兩端嵌固于支撐梁上，鋼管設(shè)計(jì)長度為7～10.4 m，由于管線對(duì)沉降有一定的要求（不大于20 mm），故鋼管的撓度變形對(duì)管線的變形有較大的影響[3]。經(jīng)過分析，本工程采用外徑為426 mm、壁厚18 mm的無縫鋼管。鋼管分段長度根據(jù)始發(fā)井及接收井的空間確定為6 m，節(jié)間采用內(nèi)套管連接，內(nèi)套管采用Φ390 mm×10 mm鋼管，與管幕鋼管的連接則采用在鋼管上開80 mm×20 mm槽，與內(nèi)套管塞焊以增強(qiáng)鋼管連接處強(qiáng)度（圖3）。

圖3 管幕鋼管連接及構(gòu)造

5.1.3 管幕布置

根據(jù)通道位置、長度及土層條件，采用頂部管幕支護(hù)，兩側(cè)采用逆作擋土墻的形式，兩側(cè)擋土墻與工作井及接收井圍護(hù)樁植筋連接。管幕鋼管共在頂部布置31 根，間距510 mm（圖4）。

圖4 管幕現(xiàn)場布置

5.2 推進(jìn)工藝

一般管幕頂管方式有：鉆孔法、夯管法及頂管法[3]。綜合分析，采用鉆孔法施工，但鉆孔法需要一定的鉆機(jī)長度及鋼管跟管長度，目前的操作空間無法滿足，故而對(duì)鉆孔法需要進(jìn)行改進(jìn)，采用先鉆孔后回拉鋼管的形式，且考慮到鉆孔及回拉過程有一定的泥漿損失，需要考慮一定的泥漿防滲漏措施。

5.3 鉆孔泥漿防滲漏措施

考慮到管幕鋼管在水平成孔及回拖階段泥漿有部分損失，可能導(dǎo)致孔壁變形，而保護(hù)管線處土體為斜坡，采用傳統(tǒng)的頂管洞口止水裝置無法保證泥漿滲漏，故在成孔時(shí)在相應(yīng)位置設(shè)置泥漿套箱，保證孔內(nèi)泥漿液面始終位于孔位之上，保證孔壁穩(wěn)定[4]。根據(jù)實(shí)際施工效果，在部分未設(shè)置泥漿套箱而改用黏土圍成的“燕巢”時(shí)，其成孔效果也較好，管線未出現(xiàn)較大變形的情況。

5.4 通道兩側(cè)逆作擋墻及內(nèi)部土體開挖

通道的開挖與擋墻逆作相結(jié)合，分層開挖后進(jìn)行擋墻逆作擋土。

由于基坑內(nèi)空間較小，故土方均采用人工進(jìn)行開挖，再通過機(jī)械將土方運(yùn)至坑外。

通道內(nèi)土方分層開挖深度為1.5 m，其余為1 m，共6 次。由于需要預(yù)留鋼筋搭接長度，墻體下方開槽70 cm，鋼筋綁扎完成后即進(jìn)行回填。擋墻制作采用預(yù)留喇叭口的形式進(jìn)行澆注，并設(shè)置一定長度預(yù)留鋼筋，保證搭接。此外擋墻與兩側(cè)鉆孔樁進(jìn)行連接，采用植筋方式將水平鋼筋與鉆孔樁植筋連接。圖5為通道開挖完成后的實(shí)景圖。

圖5 通道開挖完成后現(xiàn)場施工

5.5 實(shí)施效果

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，從圍護(hù)施工至鋼管頂進(jìn)完成，管線沉降最大僅6.46 mm，開挖完成至底板澆筑完成管線沉降最大處為12.21 mm，滿足管線的保護(hù)要求，通道采用管幕法后達(dá)到了預(yù)期的效果。

6 結(jié)語

（a） 本工程采用管幕法施工后，管線位移變化處于允許范圍內(nèi)，施工過程中沒有對(duì)周邊環(huán)境造成較大影響。

（b） 管幕法在本工程中的成功運(yùn)用，表明其不僅可作為隧道開挖的超前支護(hù)，也可被運(yùn)用在城市復(fù)雜環(huán)境下的地下通道工程中，且其適用范圍十分廣泛。

（c） 管幕法在軟土中采用全封閉的帷幕形式，在硬土層中可根據(jù)土層情況采用頂部支護(hù)或三側(cè)支護(hù)的形式，減少工程投入。

（d） 在操作空間較為緊湊區(qū)域，可采用成孔后回拖鋼管的形式進(jìn)行管幕施工在硬黏土層中成孔及回拖時(shí)泥漿的微量損失對(duì)外界的影響程度較低。