管幕法在地鐵施工中的應(yīng)用研究

鞏森

摘要：管幕法是繼盾構(gòu)之后而發(fā)展起來的一種地下管道施工方法，具有支護(hù)強(qiáng)度高、施工精度高、施工速度快、安全可靠等特點(diǎn)，在實(shí)際中的應(yīng)用成效顯著。本文結(jié)合北京新建地鐵19號線管幕法施工為例，介紹管幕法施工工藝特點(diǎn)，包括頂進(jìn)工藝、精度控制、地表沉降控制等方面，為地鐵施工的方案選擇提供新思路。

Abstract： The pipe curtain method is an underground pipe construction method developed after the shield， which has the characteristics of high support strength， high construction precision， fast construction speed， and is safe and reliable， so its practical application effect is remarkable. Combined with the construction of subway line 19 in Beijing as an example， this paper introduces the characteristics of pipe curtain construction technology， including jacking process， precision control and surface subsidence control， which provides a new idea for subway construction scheme selection.

關(guān)鍵詞：管幕法；推進(jìn)方式；精度控制；沉降控制；支撐布置；模擬分析

Key words： pipe curtain method；propulsion method；precision control；settlement control；support arrangement；simulation analysis

中圖分類號：TU753 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）14-0104-04

0 引言

隨著城市地鐵建設(shè)興起，地鐵施工引起管線斷裂、道路下沉、地表建筑物及地下構(gòu)筑物變形開裂、原有地鐵軌道變形、精密儀器運(yùn)行失常等問題得到廣泛關(guān)注。如何降低施工對地表及周邊環(huán)境的影響已成為研究熱點(diǎn)。管幕法作為一種新式暗挖方法，其具有支護(hù)強(qiáng)度高、施工精度高、安全可靠等特點(diǎn)，國內(nèi)許多大城市采用管幕法施工地鐵成為一種新方向。

然而，我國目前采用管幕法施工的地鐵及其他項(xiàng)目為數(shù)不多，現(xiàn)結(jié)合北京地鐵19號線管幕法施工段為例，介紹該工法在該工程中的應(yīng)用。

1 管幕法介紹

管幕法其施工原理為在始發(fā)井與接收井之間，利用頂管機(jī)頂進(jìn)鋼管到土體中，各單管間依靠鎖口在鋼管側(cè)面交接形成管排，并在鎖口處注入止水劑，形成超前支護(hù)和達(dá)到止水效果，然后再采用開挖或頂進(jìn)等方案進(jìn)行地下構(gòu)筑物的施工，如圖1所示。管幕工法一般由以下部分組成： ①始發(fā)井和接收井；②鋼管；③洞口加固和內(nèi)部土體加固； ④止水體系；⑤支撐系統(tǒng)；⑥內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

1.1 管幕法施工步驟

管幕法的施工步序：

①構(gòu)筑頂管始發(fā)井和接受井。

②將鋼管分節(jié)頂入土體，鋼管兩側(cè)設(shè)有鎖口，使鋼管形成相接后成為一個整體。

③在鋼管鎖口處注入止水劑，使?jié){液充滿整個鎖口間的空隙，達(dá)到止水的效果。

④在鋼管內(nèi)進(jìn)行混凝土或注漿填充，提高管幕的剛度。

⑤在管幕內(nèi)進(jìn)行臺階開挖，隨開挖隨支護(hù)，直至始發(fā)井到接受井的貫通。

⑥分段澆筑混凝土二襯，根據(jù)施工工序逐步拆除管幕內(nèi)支撐，形成完整結(jié)構(gòu)。

1.2 管幕法特點(diǎn)及適用條件

管幕法屬暗挖法的一種，其本身具有暗挖法的一些優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)從應(yīng)用的工程上看，管幕法特別適合于穿越敷土較淺的繁華街道、上跨或下穿構(gòu)筑物及既有線、周邊建筑或古樹等需要保護(hù)又不適宜明挖及蓋挖的區(qū)域，可達(dá)到近乎零影響的工程特點(diǎn)。該工法適合地層較多，對粘土、砂土、回填土等土層具有良好適應(yīng)性，對含卵石及石土層也有一定的適應(yīng)性，需配合鉆進(jìn)機(jī)具。但相比來看管幕法施工造價(jià)并不低，實(shí)際工程需要進(jìn)行多方案對比后方可采用。

對管幕法的特點(diǎn)概括如下：

①管幕施工段對原有地面交通無影響，但其始發(fā)井和接收井會占用一定地面空間。

②原有地面管線設(shè)施無需遷移和防護(hù)，不會中斷供電、供水、供氣的地下管線。

③對周邊建（構(gòu)）筑物影響很小。

④地下水位對管幕施工的影響，按照工序正常進(jìn)行即可，原地層水土流失很小，控制沉降效果顯著。

⑤施工進(jìn)度快，且基本無噪音污染，可連續(xù)進(jìn)行作業(yè)。

⑥施工機(jī)械可采用小型頂管機(jī)械設(shè)備，對精度和鉆進(jìn)速度要求較高。

⑦頂管完成通過注漿加固周圍原土體，是土體更加密實(shí)，提高了支護(hù)承載力，增加安全性，降低了地面沉降值。

⑧由于采用較多鋼管頂入土體無法回收，故成本相對較高。

⑨由于鋼管間采用鎖扣搭接，且有止水漿和防水材料填充，管幕結(jié)構(gòu)具有較好的防水能力。

1.3 鋼管構(gòu)造與鎖口方式

因?yàn)殇摴軆?yōu)先進(jìn)入地層，需克服地層阻力，所以對鋼管的剛度一般不能太低。剛度控制一般通過直徑和壁厚進(jìn)行調(diào)整。剛度太大對地層擾動較大，太小則頂入精度難于控制。鋼管布設(shè)從施工角度劃分為基準(zhǔn)鋼管、轉(zhuǎn)角基準(zhǔn)鋼管和一般連接鋼管。基準(zhǔn)鋼管和轉(zhuǎn)交基準(zhǔn)鋼管用于定位，通過量測來確定及調(diào)整其余鋼管的頂入位置，以滿足精度要求。如圖2所示，常見的鋼管鎖口方式有以下4種：WL（A）型、WL（B）型、二港灣型、CH型。

2 管幕法施工技術(shù)要點(diǎn)

2.1 導(dǎo)向精度控制措施

鎖口管幕施工時(shí)先施工標(biāo)準(zhǔn)孔，標(biāo)準(zhǔn)孔通過嚴(yán)格地光學(xué)測量偏差，然后進(jìn)行糾偏，可采用糾偏的鉆頭并實(shí)時(shí)跟蹤測量角度，鉆頭前端的楔形板可以通過直接頂進(jìn)來改變鉆進(jìn)軌跡，如圖3所示。標(biāo)準(zhǔn)孔完成后，采用面向角導(dǎo)向方法能高精度且高效地進(jìn)行管幕的鋼管頂進(jìn)。再通過合理安排施工的順序，以降低對原土體的擾動，減少塑性區(qū)范圍及沉降大小，對于頂管精度的控制可更加精確。

2.2 地表沉降控制措施

2.2.1 工藝上控制

調(diào)整頂進(jìn)速度控制螺旋出砂量，施工過程確保實(shí)際出砂量≤理論出砂量，減少對地層的擾動，保證頂管與出渣同時(shí)進(jìn)行。每根管幕鋼管全部頂進(jìn)后，立即注入水泥漿，以補(bǔ)償?shù)貙拥乃缮⒆冃危行Э刂频貙拥臄_動變形；頂管施工及注漿過程中要及時(shí)跟蹤監(jiān)測，鉆頭位于鋼管內(nèi)部邊頂進(jìn)、邊出土，將管幕鋼管逐段向前頂進(jìn)，減小沉降。

2.2.2 選擇合適的頂進(jìn)設(shè)備和鋼管

依據(jù)地質(zhì)條件，選擇穩(wěn)定性較高的頂進(jìn)設(shè)備和轉(zhuǎn)土方式。針對一般地層，包括黏土、粉土、粉細(xì)砂、中粗礫石等，采用楔形板鉆頭切屑土體，螺旋鉆桿旋轉(zhuǎn)出土方式。針對卵石地層，需采用專門破碎的沖擊擴(kuò)孔鉆，破碎巖屑隨壓縮空氣排出管外。鋼管布設(shè)需采用合理的間距，保證既有利于成孔質(zhì)量，又不致使空隙過大導(dǎo)致地面下沉。鋼管的撓度與鋼管設(shè)計(jì)長度及鋼管的直徑有關(guān)，在對環(huán)境較為敏感的區(qū)域，應(yīng)根據(jù)管幕段長度確定鋼管材質(zhì)及類別，保證鋼管性能指標(biāo)滿足地面沉降變形要求。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

北京地鐵19號線新發(fā)地站～草橋站區(qū)間和新發(fā)地站～草橋站區(qū)間（新機(jī)場線）采用管幕法施工，前者簡稱XC區(qū)間，后者簡稱JC區(qū)間。XC區(qū)間左線外包尺寸為7.2m×7.95m，XC區(qū)間右線外包尺寸為15.733m×7.95m，JC區(qū)間外包尺寸為13.4m×9.8m。上述區(qū)間穿越的地層從上到下主要為粉土層、粉細(xì)砂層和卵石、圓礫層，土層參數(shù)見表1。

3.2 周邊環(huán)境概況

XC區(qū)間和JC區(qū)間管幕段下穿國寺北街道和上跨既有地鐵10號線（M10），街道下埋設(shè)有Φ600雨水管、Φ400污水管、Φ400燃?xì)夤艿?、?00上水管道、各類電力及通訊管線等。兩區(qū)間（鎮(zhèn)國寺段）均采用管幕法下穿街道、上跨M10線。該段地處北京市南三環(huán)附近，路段繁華，交通量大。施工要求既不影響原有交通，保證街道管線完好，又不能對運(yùn)營的M10線產(chǎn)生不利作用，此為特級安全等級。因此對施工工藝的控制有很高要求，必須保證按照預(yù)設(shè)位置施工管幕，堅(jiān)決防止因誤差導(dǎo)致侵入界限或破壞土體平衡。

3.3 工程特點(diǎn)及難點(diǎn)

管幕段施工均穿越街道和上跨地鐵M10線，19號線區(qū)間施工長度為46.4m，新機(jī)場線施工長度為60m，圖4給出其相對位置關(guān)系。XC區(qū)間結(jié)構(gòu)外皮距M10線結(jié)構(gòu)外皮最近有66.2cm，覆土4.59m。JC區(qū)間結(jié)構(gòu)外皮距M10線結(jié)構(gòu)外皮最近僅33.3cm，覆土3.94m。區(qū)間部分地段有上層滯水，水位埋深約12.12m-12.80m，水位標(biāo)高為30.13m-31.48m。土層以圓礫、砂礫為主，夾粉土及細(xì)砂層，圓粒粒徑一般為0.5-2cm，最大粒徑為4cm，區(qū)域范圍內(nèi)水量較小。

因此，施工需格外謹(jǐn)慎，嚴(yán)格把關(guān)，重點(diǎn)控制以下要點(diǎn)：

①頂入管幕精度嚴(yán)格把控。保證管幕結(jié)構(gòu)按設(shè)計(jì)位置布設(shè)，不得侵入街道管線結(jié)構(gòu)及M10線結(jié)構(gòu)。對頂進(jìn)工藝的導(dǎo)向控制及糾偏措施要求高，這與施工人員的操作水平有很大關(guān)系，務(wù)必保證人員按流程和儀器規(guī)范執(zhí)行。

②對M10線的影響進(jìn)行嚴(yán)格控制。施工中重中之重就是將施工對既有地鐵的影響降至最低。M10線采用盾構(gòu)結(jié)構(gòu)，在新線修筑時(shí)，因開挖土體使M10線原有土壓力降低，可能導(dǎo)致盾構(gòu)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，需增設(shè)加固措施以保證M10線結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

③管幕地層條件為含卵石。我國在管幕法的運(yùn)用中大都對軟土地層進(jìn)行了實(shí)踐，而對含卵石地層目前國內(nèi)尚無在砂卵石層成功施作管幕的先例。

3.4 管幕法在工程中的具體應(yīng)用

3.4.1 管幕周邊土體預(yù)加固

在管幕的兩側(cè)，預(yù)先打入Φ42超前小導(dǎo)管進(jìn)行注漿加固，注漿范圍為2m土體。注漿的目的主要是增強(qiáng)原土體的承載力和穩(wěn)定性，同時(shí)防止地層滯水在頂管過程中滲出，降低對地面沉降的影響。

3.4.2 本項(xiàng)目管幕法流程

測量放線→設(shè)備定位→鋼管加工→頂進(jìn)出土→跟蹤測量→偏差糾偏→終孔復(fù)測→數(shù)據(jù)分析→移位下一孔。

3.4.3 管幕總體布置

①鋼管構(gòu)造。

鋼管為D400，壁厚δ=16mm，鋼材為Q235。在D400管內(nèi)放置鋼筋，填充C30細(xì)石混凝土，提高管幕抗彎強(qiáng)度，透過注漿擴(kuò)散孔可對鋼管周邊土體進(jìn)行加固。

②管幕橫斷面布置。

JC區(qū)間橫斷面外圍尺寸為13.4m×9.8m，寬度方向布設(shè)21根D400鋼管，中心間距650mm，高度方向布設(shè)共16根D400鋼管，中心間距626mm，XC區(qū)間鋼管間距與JC區(qū)間相同。

3.4.4 推進(jìn)工藝

在工作鋼管中穿入鉆頭以及螺旋鉆桿，安裝到頂管機(jī)上并連接好，通過液壓泵站使頂管機(jī)動力頭旋轉(zhuǎn)同時(shí)配以頂管機(jī)的油缸將工作鋼管徐徐頂入土體，作為內(nèi)管的螺旋鉆桿隨著旋轉(zhuǎn)，通過螺旋葉片帶出土屑，可通過控制螺旋鉆頭伸出的長短來調(diào)節(jié)出土量。同時(shí)，螺旋鉆頭前端安裝角度傳感器，通過螺旋鉆桿內(nèi)的信號線連接顯示屏，實(shí)時(shí)監(jiān)控頂進(jìn)角度并通過一定的措施來實(shí)現(xiàn)糾偏導(dǎo)向。

該推進(jìn)工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①安全性高，出土跟頂進(jìn)是同步進(jìn)行，鋼管跟土體之間無縫隙，對地層擾動小。

②適用性強(qiáng)，砂卵石、粉細(xì)砂、粘土，回填地層也都可以施工，可以靈活改變鉆桿以及機(jī)器尺寸，場地條件限制不大。

③精度高，管幕打設(shè)精度可以達(dá)到正負(fù)5cm，點(diǎn)對點(diǎn)鋪設(shè)。

④工效快，12小時(shí)可完成20m。

3.4.5 鋼管注漿

鋼管頂入施作完畢應(yīng)及時(shí)注漿，注入C30細(xì)石混凝土，以增加鋼管的承載能力，降低地表沉降。根據(jù)路面的沉降觀測及時(shí)補(bǔ)注漿?；炷凉嘧r(shí)，應(yīng)精確計(jì)算注入量，防止注入過多導(dǎo)致地表隆起。

3.4.6 土方開挖及內(nèi)部支撐系統(tǒng)

采用分部法施工（如圖5所示），上下臺階法施工。各分部開挖后架立I10工字鋼內(nèi)襯，并掛網(wǎng)噴射混凝土找平，作為臨時(shí)支撐；貼近鋼管面為永久支撐，用來減小鋼管集中應(yīng)力，并為防水施工提供條件。注漿后管幕經(jīng)計(jì)算其最多可承受6m的壓力，故環(huán)向支撐縱向每5m一道，環(huán)向采用I28B工字鋼，豎向采用I30C工字鋼，以增加豎向支撐。上臺階支護(hù)完成開挖下臺階前，在上臺階設(shè)橫向斜撐及縱向斜撐，形成剪刀梁，抑制分?jǐn)嗝嬷蔚臋M向偏載變形。

3.4.7 內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工

二次襯砌初段按4.5m一段，采用跳倉法進(jìn)行施工，施工至M10盾構(gòu)區(qū)間頂部時(shí)設(shè)施工縫，分別澆筑左右兩側(cè)，避免支撐拆除后M10盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)隆起；首段二襯完成后，進(jìn)行下次二襯結(jié)構(gòu)施工?；炷翝仓耙来尾鸪谓Y(jié)構(gòu)。

3.4.8 重點(diǎn)保護(hù)對象加固

由于上跨M10線，方案中采用錨索對其周圍土體進(jìn)行加固。通過錨索對M10線周圍土體進(jìn)行錨固，提供下壓力保持穩(wěn)定，如圖6所示。

4 數(shù)值模擬分析

計(jì)算采用FLAC 3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬，該軟件采用有限差分法和混合離散技術(shù)求解。模型橫向長度為160m，縱向長度60m，高度為49m，見圖7。模型將地層參數(shù)、M10線和管幕段結(jié)合在一起，為了簡化建模，將M10線簡化為矩形斷面，寬和高均為6m，管幕段認(rèn)為均質(zhì)分布，管幕周圍加固區(qū)認(rèn)為均質(zhì)。用來模擬開挖第一段5m時(shí)的地表位移分布規(guī)律、鋼管區(qū)域應(yīng)力分布規(guī)律。上部街道荷載，采用公路Ⅰ級，均布力為10.5kPa。

4.1 開挖5m時(shí)位移分布規(guī)律

從圖8中可以看出，加固區(qū)域和管幕側(cè)墻的Z向有4～11mm的壓縮變形，管幕頂部有5～7mm的沉降值，管幕側(cè)墻中部的Z向變形值較大在11mm左右。

圖9中可以看出，開挖5m時(shí)，管幕頂部有7mm的下沉，施工時(shí)需及時(shí)支護(hù)方可限制沉降，越靠近掌子面沉降值越低。管幕底面沉降值基本為零。M10線在地層和管幕結(jié)構(gòu)的作用下有3mm左右的沉降。地面沉降值在1～2mm，已經(jīng)相當(dāng)小了。

4.2 開挖5m時(shí)應(yīng)力分布規(guī)律

從圖10可得出，開挖5m時(shí)管幕區(qū)域最大剪應(yīng)力在2.3kN到25kN之間，靠近地表區(qū)域剪應(yīng)力較大，深度越深最大剪應(yīng)力有增大趨勢，管幕段外圍區(qū)域最大剪應(yīng)力較低。

圖11中可看出，開挖5m時(shí)，管幕段頂部和底部最大剪應(yīng)力基本相當(dāng)，管幕段延縱向分布均勻應(yīng)力值不大，M10線最大剪應(yīng)力值較小。

5 結(jié)束語

①D400鋼管依靠頂管設(shè)備將鋼管頂入土層中形成管幕，管幕之間通過注漿相互連接，施工方便快捷。鋼管進(jìn)入土體同時(shí)鉆桿將管內(nèi)土鉆出，邊鉆進(jìn)邊頂入，施工快速效果好。注漿透過鋼管預(yù)留孔對原土體進(jìn)行加固，穩(wěn)定土層，同時(shí)鋼管+混凝土結(jié)構(gòu)提高了承載力，降低了因開挖導(dǎo)致土體的擾動，為后期施工提供了可靠的工作環(huán)境。

②開挖地表沉降可以很好的控制在5mm以內(nèi)，管幕段可以有效提供承載力，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定變形小。

③該方法通過強(qiáng)大的管幕預(yù)支護(hù)和沉降控制措施，降低了對上部街道的影響，有效的控制了地表沉降。同時(shí)在管幕的保護(hù)下，施工對原有地鐵的影響也顯著降低，安全性和可靠性明顯提高。

④整個施工噪聲低，污染小，對地面的影響小，有利于居民生活、交通和環(huán)保。管幕法作為一種新式的施工方法，在地鐵建設(shè)中的優(yōu)勢明顯，是一種安全可靠的方法，在實(shí)際工程中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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