地下工程支護(hù)-結(jié)構(gòu)一體管幕預(yù)筑法技術(shù)及發(fā)展

李積棟， 油新華， 肖龍鴿

(中國(guó)建筑股份有限公司， 北京 101300)

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市發(fā)展與土地資源短缺、城市環(huán)境保護(hù)之間的矛盾日益突出，開(kāi)發(fā)利用地下空間將是解決大城市資源緊缺問(wèn)題的必然之路。地下空間開(kāi)發(fā)利用的規(guī)模和范圍不斷加大，復(fù)雜環(huán)境下建造的大斷面地下空間項(xiàng)目將越來(lái)越多[1-3]。在大量工程實(shí)踐中，暗挖法，特別是淺埋暗挖法，由于對(duì)周邊環(huán)境的影響相對(duì)較小且斷面適應(yīng)性強(qiáng)，得到了越來(lái)越多的應(yīng)用和發(fā)展。但是大斷面地下空間暗挖建造技術(shù)按照地層改良—分部開(kāi)挖—臨時(shí)支護(hù)—永久結(jié)構(gòu)的順序施工，普遍存在著施工步序多、材料消耗大、變形控制難和安全風(fēng)險(xiǎn)高等問(wèn)題,迫切需要研發(fā)更加安全、高效、環(huán)保的暗挖施工方法。

支護(hù)-結(jié)構(gòu)一體管幕預(yù)筑法基于地層-支護(hù)相互作用關(guān)系，通過(guò)改變開(kāi)挖—支護(hù)—結(jié)構(gòu)施工順序，先施作永久結(jié)構(gòu)后開(kāi)挖土方，將加固、支護(hù)、主體結(jié)構(gòu)合為一體并一次預(yù)筑成形，然后開(kāi)挖內(nèi)部土方，最后直接形成一種無(wú)柱大跨度地下空間結(jié)構(gòu)[4-8]。目前，該技術(shù)已納入《管幕預(yù)筑法施工技術(shù)規(guī)范》，但在國(guó)內(nèi)僅在沈陽(yáng)地鐵2號(hào)線新樂(lè)遺址站得到了應(yīng)用，在其他地下工程中的應(yīng)用仍未見(jiàn)報(bào)道。

管幕預(yù)筑法采用的施工方法屬于暗挖工法，安全性高，節(jié)能環(huán)保，對(duì)周邊居民的影響和干擾小，滿足市民高品質(zhì)出行和生活的需要，具有明顯的環(huán)境效益和社會(huì)效益。

1 支護(hù)-結(jié)構(gòu)一體管幕預(yù)筑法發(fā)展

19世紀(jì)70年代，比利時(shí)暗挖修建安特衛(wèi)普中央車站時(shí)提出了安特衛(wèi)普(Antwerp)技術(shù)，即沿結(jié)構(gòu)頂板外輪廓向地層頂進(jìn)一排管段，通過(guò)在管內(nèi)切割形成連通結(jié)構(gòu)的輪廓空間，然后在連通空間內(nèi)綁扎鋼筋、澆筑混凝土，最終形成結(jié)構(gòu)[9]。其斷面為矩形，跨度為18 m。

19世紀(jì)90年代初，Lunardi教授在安特衛(wèi)普技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了管拱技術(shù)工法，即沿著隧道結(jié)構(gòu)軸線將管體水平頂入地層，然后沿著隧道縱向一定距離設(shè)置環(huán)向拱肋，以連接各管道使其具有一定的整體剛性，并將其作為地下結(jié)構(gòu)的主要承載構(gòu)件[10]。采用此工法成功修建了意大利米蘭市威尼斯地鐵車站，如圖1所示。

圖1 意大利米蘭市威尼斯地鐵車站

19世紀(jì)90年代后期，基于管拱技術(shù)的思想，韓國(guó)完成了若干地下穿越工程，并于2006年采用管幕法(tubular roof construction method, TRCM)和格構(gòu)拱法(cellular arch method, CAM)成功修建了著名的首爾9號(hào)線923地鐵車站結(jié)構(gòu)(如圖2所示)，完成了車站主體橫通道和車站主體拱部的施工。管幕法、格構(gòu)拱法類似于安特衛(wèi)普技術(shù)和管拱技術(shù)，其中鋼管最大直徑為2 000 mm。

圖2 韓國(guó)首爾9號(hào)線923地鐵車站結(jié)構(gòu)

2009年中國(guó)大陸從韓國(guó)引進(jìn)了管幕法技術(shù)，在借鑒韓國(guó)既有技術(shù)和工程案例的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、具體的工程地質(zhì)條件以及工程周邊環(huán)境特點(diǎn)等，形成了支護(hù)-結(jié)構(gòu)一體管幕預(yù)筑法，并成功將其應(yīng)用于沈陽(yáng)地鐵2號(hào)線新樂(lè)遺址站，建造了車站橫通道與主體結(jié)構(gòu)。新樂(lè)遺址站成為國(guó)內(nèi)首個(gè)也是僅有的采用支護(hù)-結(jié)構(gòu)一體管幕預(yù)筑法建造的地下空間工程[11-14]。沈陽(yáng)地鐵新樂(lè)遺址站如圖3所示。

圖3 沈陽(yáng)地鐵新樂(lè)遺址站

2 支護(hù)-結(jié)構(gòu)一體管幕預(yù)筑法建造技術(shù)

2.1 管幕預(yù)筑法原理

支護(hù)-結(jié)構(gòu)一體管幕預(yù)筑法，與傳統(tǒng)管幕法(管幕僅作為臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu))不同，管幕既為前期預(yù)筑地下永久結(jié)構(gòu)提供支護(hù)，也與其他結(jié)構(gòu)共同組成地下永久結(jié)構(gòu)，為地下空間開(kāi)挖提供支護(hù)作用。支護(hù)-結(jié)構(gòu)一體管幕預(yù)筑法建造地下工程的原理： 采用較為傳統(tǒng)的頂管技術(shù)或盾構(gòu)技術(shù)將一簇大直徑鋼管頂推或牽引至地層中，在大直徑鋼管內(nèi)進(jìn)行結(jié)構(gòu)施工，并將其連接成設(shè)計(jì)預(yù)想的地下結(jié)構(gòu)外輪廓，然后在成形結(jié)構(gòu)的保護(hù)下開(kāi)挖結(jié)構(gòu)內(nèi)部地層，并施工內(nèi)部結(jié)構(gòu)。支護(hù)-結(jié)構(gòu)一體化管幕預(yù)筑法原理示意圖如圖4所示。

圖4 支護(hù)-結(jié)構(gòu)一體化管幕預(yù)筑法原理示意圖

2.2 管幕預(yù)筑法施工技術(shù)

管幕預(yù)筑法是在地下結(jié)構(gòu)外輪廓線上構(gòu)筑管幕結(jié)構(gòu)，管幕結(jié)構(gòu)兼作地層加固、初期支護(hù)和永久結(jié)構(gòu)，然后在永久結(jié)構(gòu)的保護(hù)下開(kāi)挖內(nèi)部土體。

新樂(lè)遺址站位于黃河北大街與龍山路交叉口北側(cè)，北陵公園西側(cè)，沿黃河北大街呈南北向布置，地理位置特殊，周邊建筑物密布，地下管線錯(cuò)綜復(fù)雜。同時(shí)，該車站巖土工程條件復(fù)雜，結(jié)構(gòu)所處地層屬于第四系地層，土體以中粗砂和礫砂為主，站體基本處于砂卵石地層和潛水中，潛水水位埋深8.5 m，含水層滲透系數(shù)高達(dá)110 m/d，回填土厚3～6 m。在新樂(lè)遺址站利用管幕預(yù)筑法成功修建了一種無(wú)柱大跨度地下空間結(jié)構(gòu)，車站跨度為26.2 m，高度為18.9 m，斷面面積約為420 m2，覆土厚度為7.6～11.2 m，工后地表沉降為20 mm，實(shí)現(xiàn)了單拱、無(wú)柱超大地下空間一次建造成形的創(chuàng)舉。新樂(lè)遺址站地下空間一次成形建設(shè)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。使用該技術(shù)可以使地層加固工程量減少60%以上，主體結(jié)構(gòu)模架材料減少90%以上，土方開(kāi)挖效率提高60%以上，工后最大地面沉降控制在20 mm以內(nèi)，并可取消臨時(shí)支撐的使用。

圖5 新樂(lè)遺址站地下空間一次成形建設(shè)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)

Fig. 5 Once shaping construction technology for underground space in Xinle Site

支護(hù)-結(jié)構(gòu)一體管幕預(yù)筑法將加固、支護(hù)、主體結(jié)構(gòu)合為一體并一次建造成形，改變了傳統(tǒng)暗挖法先加固后支護(hù)然后施作主體結(jié)構(gòu)的施工步序。該方法的具體施工歩序?yàn)椋?1)開(kāi)挖豎井，建造頂管反力墻及工作平臺(tái)； 2)大直徑鋼管分層頂進(jìn)，邊頂進(jìn)邊開(kāi)挖管內(nèi)土方，并在鋼管間進(jìn)行注漿止水； 3)進(jìn)行管內(nèi)切割，焊接管間鋼板，采用鋼管支撐形成拱形管廊； 4)管內(nèi)綁扎鋼筋，澆筑混凝土，形成管幕永久結(jié)構(gòu)； 5)在永久結(jié)構(gòu)的保護(hù)下，在車站內(nèi)部大面積分層開(kāi)挖土方； 6)緊隨土方開(kāi)挖，依次施工底板、中柱、中板，最終形成完整結(jié)構(gòu)。 支護(hù)-結(jié)構(gòu)一體管幕預(yù)筑法施工歩序如圖6所示。

2.3 管幕預(yù)筑法關(guān)鍵技術(shù)

采用管幕預(yù)筑法在地鐵車站施工過(guò)程中，形成了大直徑鋼管長(zhǎng)距離頂進(jìn)技術(shù)、管幕空間切割焊接成形技術(shù)和狹小空間鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。

2.3.1 大直徑鋼管長(zhǎng)距離頂進(jìn)技術(shù)

新樂(lè)遺址站車站頂進(jìn)鋼管由兩橫通道分兩頭對(duì)頂，各頂進(jìn)79.5 m，共計(jì)159 m。頂進(jìn)鋼管11層，共21根，第1層鋼管直徑為2 200 mm，壁厚為18 mm；第2層至第10層鋼管直徑為2 000 mm，壁厚為20 mm；第11層鋼管直徑為2 300 mm，壁厚為22 mm。按序號(hào)逐層對(duì)稱施工鋼管，即首先頂進(jìn)鋼管1A，然后依次按序號(hào)對(duì)稱頂進(jìn)鋼管直至11A和11B。鋼管頂進(jìn)順序如圖7所示。

(a) 分層頂管(b) 管間土體加固

(c) 管間鋼管切割、焊接與加撐 (d) 襯砌澆筑

(e) 土方開(kāi)挖 (f) 封底與內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工

1—地層； 2—鋼管； 3—管間注漿液； 4—管間焊接支護(hù)； 5—管內(nèi)混凝土； 6—底板； 7—中板； 8—拱腳注漿； 9—中柱。

圖6支護(hù)-結(jié)構(gòu)一體管幕預(yù)筑法施工歩序

Fig. 6 Construction sequences of support-structure integral pipe-roofing pre-construction method

圖7 鋼管頂進(jìn)順序

管幕預(yù)筑法施工是通過(guò)頂進(jìn)大直徑鋼管，形成永久結(jié)構(gòu)保護(hù)空間，從而完成地下結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑。鋼管具有管徑大、數(shù)量多、間距小、排列形式復(fù)雜以及受力復(fù)雜等特點(diǎn)。鋼管頂進(jìn)復(fù)雜地層時(shí)，前段土體易失穩(wěn)，易引起地表沉降；地層變化時(shí)，頂管中線易發(fā)生偏移，導(dǎo)致鋼管斷面變形。大直徑鋼管頂進(jìn)施工現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示。

2.3.2 管幕空間切割焊接成形技術(shù)

管幕預(yù)筑法施工過(guò)程中，鋼管頂進(jìn)到位并完成管周注漿后，在鋼管內(nèi)進(jìn)行鋼管切割，切割后將相鄰鋼管連通, 在切割頂部和底部焊接止水和支撐鋼板，用鋼管或型鋼進(jìn)行支護(hù)。鋼管切割采用跳段施工。

圖8 大直徑鋼管頂進(jìn)施工現(xiàn)場(chǎng)

通過(guò)相鄰鋼管的切割、焊接、支護(hù)，形成管廊，將頂進(jìn)的全部鋼管連接起來(lái)，形成整個(gè)管廊空間，如圖9所示。

圖9 鋼管內(nèi)的管廊空間

2.3.3 狹小空間鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

當(dāng)管廊空間形成后，為了保證管幕結(jié)構(gòu)體系的整體剛度，需在鋼管內(nèi)搭設(shè)鋼筋，但由于作業(yè)面狹小，鋼筋下料時(shí)需根據(jù)管內(nèi)情況調(diào)整下料長(zhǎng)度。在管內(nèi)縱向自內(nèi)向外進(jìn)行鋼筋綁扎，以保證鋼筋綁扎精度。管幕內(nèi)鋼筋綁扎如圖10所示。

圖10 管幕內(nèi)鋼筋綁扎

管內(nèi)結(jié)構(gòu)使用免振搗自密實(shí)混凝土澆筑。為了保證混凝土密實(shí)效果，在每根鋼管頂部架設(shè)3根混凝土澆注管，最長(zhǎng)的一根用于澆筑混凝土，其余2根作為澆筑時(shí)排氣和備用混凝土澆注管。每段結(jié)構(gòu)澆筑時(shí)，將混凝土由最長(zhǎng)的一根澆注管輸送至結(jié)構(gòu)最深處，然后由內(nèi)向外逐步擠出混凝土，以提高自密實(shí)效果。為避免鋼管頂部出現(xiàn)空洞，澆筑前在鋼管頂部架設(shè)1道注漿管，用于混凝土初凝后進(jìn)行注漿充填?；炷翝仓疽鈭D如圖11所示。

圖11 混凝土澆筑示意圖

2.4 管幕預(yù)筑法的優(yōu)點(diǎn)、適用性及局限性

管幕預(yù)筑法突破了傳統(tǒng)超大斷面暗挖施工必須將大斷面化為小導(dǎo)洞的分部開(kāi)挖方法以及先施工初期支護(hù)后施工防水、二次襯砌的施工步序，首次做到了先施工主體結(jié)構(gòu)后開(kāi)挖土方并將加固、支護(hù)、主體結(jié)構(gòu)一次建造成形。管幕預(yù)筑法將加固-支護(hù)-結(jié)構(gòu)一體化，減少了施工工序，避免了受力體系轉(zhuǎn)換，提高了結(jié)構(gòu)安全；土方開(kāi)挖在已修建好的主體結(jié)構(gòu)下進(jìn)行，保障了施工安全，改善了作業(yè)環(huán)境，提高了土方挖運(yùn)效率；另外，取消了臨時(shí)仰拱和中隔壁以及模板腳手架作業(yè)，減少了環(huán)境污染和資源浪費(fèi)，降低了施工成本。

管幕預(yù)筑法具有安全性高、無(wú)噪音、適應(yīng)地層廣、對(duì)場(chǎng)地要求低、對(duì)周圍環(huán)境影響小和不影響地面交通等優(yōu)點(diǎn)，適用于穿越城市公路和鐵路的隧道以及地下大斷面結(jié)構(gòu)物的施工，如地鐵及地下廣場(chǎng)等，且適用于黏土、砂土、礫石及雜填土等各種復(fù)雜地層。目前主要采用矩形和拱形斷面形式進(jìn)行施工。

現(xiàn)階段管幕預(yù)筑法存在以下局限性： 1)僅適用于一定長(zhǎng)度的暗挖法車站(隧道)； 2)形成管幕的鋼管直徑較大，施工不便； 3)在鋼管內(nèi)進(jìn)行鋼筋綁扎作業(yè)條件差，混凝土振搗較困難，混凝土外觀較差； 4)永久結(jié)構(gòu)充當(dāng)臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算更為復(fù)雜； 5)主要結(jié)合管周注漿止水，在富水砂層中施工效果不好，易產(chǎn)生滲漏水且注漿成本偏高； 6)外側(cè)鋼板防水層焊縫較多，防水層存在漏水隱患，在施工中需要對(duì)焊縫進(jìn)行一定防水處理； 7)整體造價(jià)要高于其他工法。

3 支護(hù)-結(jié)構(gòu)一體管幕預(yù)筑法發(fā)展存在的問(wèn)題

支護(hù)-結(jié)構(gòu)一體管幕預(yù)筑法是一種全新的地下結(jié)構(gòu)施工方法，與以往地下空間暗挖建造技術(shù)施工順序不同，主要采用先施作永久結(jié)構(gòu)后開(kāi)挖土體的施工順序。該方法取消了傳統(tǒng)大斷面地下空間暗挖施工中的臨時(shí)支撐，有效控制了周邊建構(gòu)筑的沉降，提高了土方開(kāi)挖機(jī)械化程度。但由于該技術(shù)在國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用，其設(shè)計(jì)與施工還存在一定的局限性。

支護(hù)-結(jié)構(gòu)一體化管幕預(yù)筑法是指地層加固、初期支護(hù)或臨時(shí)支護(hù)、主體結(jié)構(gòu)合并在一起建造成形，與傳統(tǒng)暗挖法的初期支護(hù)、防水和二次襯砌的結(jié)構(gòu)體系完全不同，計(jì)算模型也不同。設(shè)計(jì)時(shí)主體結(jié)構(gòu)受力計(jì)算采用拱殼結(jié)構(gòu)形式，未考慮拱殼內(nèi)外側(cè)管幕對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響。因此，應(yīng)在模型試驗(yàn)和數(shù)值分析以及工程實(shí)際案例的基礎(chǔ)上，給出支護(hù)-結(jié)構(gòu)一體化的結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)其受力變形進(jìn)行理論分析。

采用支護(hù)-結(jié)構(gòu)一體化管幕預(yù)筑法進(jìn)行地下工程施工時(shí)，大直徑鋼管頂進(jìn)及鋼管受力分析是重點(diǎn)工作。1)考慮到施工方便和鋼管受力等因素，應(yīng)對(duì)大直徑鋼管的直徑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡可能地減小鋼管直徑，減少鋼筋用量，并對(duì)管幕內(nèi)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)制化研究； 2)應(yīng)對(duì)鋼管的間距進(jìn)行優(yōu)化，一方面可以減少鋼管的數(shù)量，另一方面可以保證鋼管頂進(jìn)過(guò)程中不對(duì)臨近鋼管產(chǎn)生不利影響； 3)對(duì)鋼管預(yù)留切割口進(jìn)行研究，以減少地下管內(nèi)切割、焊接的作業(yè)量，改善施工作業(yè)環(huán)境； 4)對(duì)不同鋼管的頂進(jìn)方式和頂進(jìn)設(shè)備進(jìn)行研究，以增加頂進(jìn)精度，縮短頂進(jìn)工期； 5)對(duì)不同地層的適應(yīng)性進(jìn)行研究，進(jìn)一步研究不同地層中的輔助施工工法。

4 結(jié)論與討論

支護(hù)-結(jié)構(gòu)一體管幕預(yù)筑法是一種全新的地下結(jié)構(gòu)施工方法，與傳統(tǒng)暗挖法的施工順序不同，主要采用先施作地鐵車站的永久結(jié)構(gòu)，然后在永久結(jié)構(gòu)保護(hù)下進(jìn)行全斷面土方開(kāi)挖的施工順序。

采用支護(hù)-結(jié)構(gòu)一體管幕預(yù)筑法可大大減少施工工序，避免受力體系的頻繁轉(zhuǎn)換，提高結(jié)構(gòu)的安全度； 土方開(kāi)挖在已修建好的主體結(jié)構(gòu)下進(jìn)行，保障了施工安全， 改善了作業(yè)環(huán)境，提高了土方挖運(yùn)效率； 全部取消了臨時(shí)仰拱、中隔壁及模板腳手架作業(yè)，減少了材料消耗和環(huán)境污染，降低了施工成本。

該技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用有利于國(guó)內(nèi)地下大空間特別是超近距下穿既有線路和建(構(gòu))筑物等地下交通樞紐的修建，社會(huì)和環(huán)境效益顯著，有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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