管幕結(jié)合洞樁法地鐵車站施工關(guān)鍵技術(shù)

徐沛龍 王 剛 龍寶賓

(1.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000； 2.中鐵隧道集團(tuán)有限公司勘察設(shè)計(jì)研究院，河南 洛陽 471000)

目前，我國(guó)地鐵車站多修建在繁華市區(qū)主干道下面，周邊建筑物密集，地下管線眾多，為了減少對(duì)城市生活干擾，多采用暗挖法施工。暗挖法車站斷面大，技術(shù)要求高，施工存在較大風(fēng)險(xiǎn)。洞樁法由于結(jié)構(gòu)安全性高，施工地層擾動(dòng)小，地表沉降控制效果明顯等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于地表沉降控制嚴(yán)格的地區(qū)[1-3]。關(guān)于洞樁法國(guó)內(nèi)學(xué)者做了很多理論研究，文獻(xiàn)[4]結(jié)合大連松江路車站，運(yùn)用有限元軟件建立車站—地層結(jié)構(gòu)模型，得出了地表沉降、沉降槽以及塑性區(qū)的發(fā)展規(guī)律。文獻(xiàn)[5]依托沈陽地鐵青年大街站，采用有限元數(shù)值模擬軟件對(duì)車站主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，并將模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析和總結(jié)了采用洞樁法動(dòng)態(tài)開挖過程中地層以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移變形規(guī)律。文獻(xiàn)[6]采用有限元軟件數(shù)值模擬軟件，研究了洞樁法施工過程中地層位移及地層應(yīng)力的變化規(guī)律。

雖然洞樁法在控制地表沉降方面有一定的優(yōu)勢(shì)，但隨著周邊環(huán)境約束越來越大，也面臨著超淺埋施工地表沉降大的問題。管幕作為超前支護(hù)技術(shù)，能夠有效控制地表沉降，保證開挖面穩(wěn)定性[7]。在此基礎(chǔ)上提出了管幕結(jié)合洞樁法暗挖地鐵車站修建方法，該方法國(guó)內(nèi)外研究較少，施工經(jīng)驗(yàn)少。本文依托北京地鐵19號(hào)線某車站，旨在歸納總結(jié)成功施工經(jīng)驗(yàn)，以期形成施工關(guān)鍵技術(shù)，為類似工程提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

車站位于趙登禹路與平安里西大街交叉路口北側(cè)，沿趙登禹路南北布置，與已建成地鐵6號(hào)線呈“L”型換乘。車站中心里程K46+441.352，主體結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)225.45 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬25.10 m，高15.44 m，底板埋深20.25 m～20.70 m，結(jié)構(gòu)頂部覆土厚度為6.58 m～7.03 m，覆跨比為0.27，屬于超淺埋地鐵車站。車站采用14 m島式站臺(tái)，兩柱三跨平頂直墻結(jié)構(gòu)(見圖1)，主體采用管幕結(jié)合洞樁法施工，共8個(gè)施工導(dǎo)洞，包括1個(gè)用于管幕施工的先行導(dǎo)洞，3個(gè)上導(dǎo)洞，4個(gè)下導(dǎo)洞。車站共設(shè)置4個(gè)出入口，2座風(fēng)道，1座外掛廳，其中外掛廳采用蓋挖法施工，風(fēng)道、出入口均采用明挖法施工。

1.2 水文地質(zhì)條件

通過工程地質(zhì)勘查，車站下層導(dǎo)洞位于粉細(xì)砂層、卵石層，地層松散，自穩(wěn)能力差；經(jīng)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)，先行導(dǎo)洞位于古河道內(nèi)，地層呈軟塑狀態(tài)；由于導(dǎo)洞位于軟弱地層，施工存在安全風(fēng)險(xiǎn)。該車站地下水類型有上層滯水，含水層為粉土填土層，水頭埋深6 m，對(duì)上層導(dǎo)洞開挖有滲漏水影響。

1.3 地下管線情況

車站主體下穿管線復(fù)雜，包括D1 600雨水管，D1 000污水管，D600上水管，D300中壓燃?xì)夤?；各管線與管幕初支結(jié)構(gòu)距離較近，其中D1 000 mm污水管凈距僅0.66 m，頂管施工對(duì)管線安全影響較大。

2 車站施工方法

車站覆土較淺，無起拱條件，主體設(shè)計(jì)采用平頂直墻結(jié)構(gòu)。用管幕對(duì)上層導(dǎo)洞進(jìn)行初期支護(hù)，然后用洞樁法修建地鐵車站，即利用小型頂管設(shè)備將大直徑鋼管頂入車站頂部初支結(jié)構(gòu)輪廓線土體內(nèi)，相鄰鋼管間通過鎖扣進(jìn)行連接，然后在鋼管中灌注混凝土，鎖扣間注入水泥漿，最終形成管幕支護(hù)體系。在管幕支護(hù)下開挖小導(dǎo)洞，并在導(dǎo)洞內(nèi)施作邊樁、鋼管柱、頂?shù)琢?，與管幕共同構(gòu)成支撐框架體系，承受施工過程中的外部荷載，然后分層向下開挖土體，施作二次襯砌，最終形成由頂部管幕、邊樁、鋼管柱和二次襯砌組成的永久承載體系[8,9]。

平安里站施工方法如下：1)注漿預(yù)加固下導(dǎo)洞地層，臺(tái)階法開挖并施作初期支護(hù)；下導(dǎo)洞貫通后，注漿預(yù)加固先行導(dǎo)洞地層，臺(tái)階法開挖并施作初期支護(hù)；先行導(dǎo)洞貫通后施作管幕；管幕施作完成后開挖上層導(dǎo)洞土體，臺(tái)階法開挖并施作初期支護(hù)；2)導(dǎo)洞全部貫通后，下邊導(dǎo)洞施作條基，上邊導(dǎo)洞施作邊樁和冠梁，中下導(dǎo)洞施作底縱梁，中上導(dǎo)洞施作鋼管混凝土柱、頂縱梁；3)臺(tái)階法開挖頂部土體并掛網(wǎng)片噴射混凝土，頂部貫通后，分段拆除導(dǎo)洞邊墻施作頂部二襯；4)待頂部混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，分層向下開挖至站廳層標(biāo)高，施作站廳側(cè)墻和中樓板；5)站廳層混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，分段開挖至底板標(biāo)高，拆除下導(dǎo)洞部分初支并施作封底，然后澆筑站臺(tái)側(cè)墻和底板結(jié)構(gòu)，車站主體施工完成。施工步序見圖2。

3 地層加固技術(shù)

3.1 深孔注漿

先行導(dǎo)洞采用深孔注漿技術(shù)加固地層。注漿采用二重管后退式分段注漿，范圍為整個(gè)上臺(tái)階及開挖輪廓線外2 m范圍內(nèi)，注漿孔環(huán)形布置，間距0.5 m。漿液采用普通水泥—水玻璃雙液漿，配合比見表1，注漿壓力控制在0.5 MPa～1.0 MPa，每一循環(huán)注漿長(zhǎng)度10 m，搭接長(zhǎng)度2 m。深孔注漿施工要點(diǎn)：1)采用C25噴射混凝土掛網(wǎng)封閉掌子面，厚度0.3 m，保證止?jié){墻強(qiáng)度。2)注漿孔嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)孔位，角度，深度施作，防止破壞管線。3)采取跳孔注漿、由外側(cè)向內(nèi)側(cè)注漿方法，實(shí)現(xiàn)約束注漿，保證注漿質(zhì)量。4)嚴(yán)格控制注漿壓力，注漿速度控制在20 L/min～40 L/min，同時(shí)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)和巡視工作。5)當(dāng)單孔注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓，注漿速度小于5 L/min～10 L/min時(shí)，可進(jìn)行下一孔注漿，直至注漿結(jié)束。6)注漿完成后，采用鉆孔取芯的方法檢查注漿效果，要求加固土體抗壓強(qiáng)度不小于0.8 MPa。

表1 水泥—水玻璃雙液漿配合比

3.2 超前小導(dǎo)管注漿

下層導(dǎo)洞超前支護(hù)采用小導(dǎo)管注漿技術(shù)加固。小導(dǎo)管采用DN32,t=2.75 mm焊接鋼管，單根長(zhǎng)度2 m，導(dǎo)管環(huán)向布置，間距0.3 m，外插角15°～20°，縱向每榀格柵打一環(huán)。小導(dǎo)管采用吹風(fēng)管成孔施工，以降低對(duì)松散地層的擾動(dòng)。漿液采用單液水泥漿，水泥強(qiáng)度等級(jí)P.O42.5普通硅酸鹽水泥，水灰比1∶1，注漿壓力控制在0.3 MPa～0.5 MPa。

4 管幕支護(hù)技術(shù)

4.1 管幕設(shè)計(jì)參數(shù)

先行導(dǎo)洞管幕單根長(zhǎng)度為35 m,導(dǎo)洞東、西兩側(cè)管幕長(zhǎng)度分別為12.4 m,18.7 m，導(dǎo)洞間管幕長(zhǎng)度為3.9 m，單根鋼管長(zhǎng)度為2 m,2.6 m，連接方式為坡口焊接。管幕采用φ402@450 mm熱軋無縫鋼管，管壁厚度t=16 mm。管幕橫向采用鎖扣連接為整體，鎖扣采用75×50×8角鋼，管幕外注漿采用φ42 mm×3.25 mm注漿管。管幕連接見圖3。

4.2 管幕施工

管幕采用水平螺旋導(dǎo)向鉆機(jī)出土方法施工，該方法具有施工安全性高、精確度高、施工效率高等優(yōu)點(diǎn)。管幕施工以先行導(dǎo)洞為頂管施工井，頂管方向垂直于先行導(dǎo)洞縱向。管幕施工步驟如下：

1)施工準(zhǔn)備。先搭設(shè)鉆機(jī)施工的可移動(dòng)臺(tái)架，移動(dòng)方向?yàn)橄刃袑?dǎo)洞縱向，然后進(jìn)行鉆機(jī)安裝調(diào)試工作，保證鉆機(jī)各項(xiàng)參數(shù)正常。

2)導(dǎo)向孔施工。用全站儀確定出導(dǎo)向孔施工位置，破除導(dǎo)洞初支格柵，頂進(jìn)裝有導(dǎo)向鉆頭的導(dǎo)向鉆桿。導(dǎo)向鉆頭是一個(gè)斜面，旋轉(zhuǎn)頂進(jìn)用以控制鉆進(jìn)方向。導(dǎo)向鉆頭內(nèi)安裝有激光發(fā)射器，激光可以通過中空結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向鉆桿傳到設(shè)置在鉆機(jī)后方的水準(zhǔn)校核儀上，實(shí)現(xiàn)對(duì)頂進(jìn)方向?qū)崟r(shí)調(diào)整[10]。

3)頂管施工。導(dǎo)向孔施工完成后，沿導(dǎo)向鉆桿安裝螺旋出土鉆桿，并在螺旋出土鉆桿外安裝待頂進(jìn)的鋼管。油缸推動(dòng)管幕向前頂進(jìn)時(shí)，螺旋鉆桿向鉆頭傳遞鉆壓和扭矩來切削土體，并將鋼管內(nèi)泥土屑排出。單根鋼管頂進(jìn)完成后，重新安裝螺旋出土鉆桿和鋼管，直到鋼管頂進(jìn)到設(shè)計(jì)位置。第一根標(biāo)準(zhǔn)管幕施工完成后，后續(xù)相鄰管幕沿鎖扣導(dǎo)向頂進(jìn)。

4)管幕外注漿。管幕完成2根～3根后，要及時(shí)進(jìn)行管外補(bǔ)償注漿，控制地層沉降。漿液采用水泥漿，水灰比1∶1，注漿壓力控制在0.1 MPa～0.3 MPa，同時(shí)加強(qiáng)周邊巡視和管線監(jiān)測(cè)工作。

5)管幕內(nèi)充填。管幕灌漿前要清理干凈鋼管內(nèi)殘留土屑，然后用預(yù)留注漿孔、排氣孔的注漿閥封堵管口，用C30微膨脹水泥砂漿灌注，灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)以灌漿量和排氣孔砂漿溢出為準(zhǔn)，確保鋼管內(nèi)水泥砂漿密實(shí)。

5 施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

5.1 地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

土方開挖不可避免地對(duì)地層產(chǎn)生擾動(dòng)，引起地表沉降。現(xiàn)選取試驗(yàn)段車站主監(jiān)測(cè)斷面中心點(diǎn)進(jìn)行車站導(dǎo)洞開挖階段地表沉降分析，沉降曲線見圖4。

如圖4所示，導(dǎo)洞開挖支護(hù)階段引起地表沉降值為45.4 mm；下導(dǎo)洞和先行導(dǎo)洞施工引起地表沉降值為29.28 mm，約占地表累計(jì)沉降量的64.5%；管幕施工引起地表沉降值為2.45 mm，約占地表累計(jì)沉降量的5.3%，上導(dǎo)洞施工引起地表沉降值為13.7 mm，約占地表累計(jì)沉降量30.2%。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，地表沉降主要發(fā)生在先行導(dǎo)洞、下層導(dǎo)洞施工階段，該階段需加強(qiáng)地表沉降控制；管幕施工階段地層擾動(dòng)小，地表沉降較??；上層導(dǎo)洞施工階段，管幕支護(hù)體系減少了導(dǎo)洞開挖引起的地表沉降。

5.2 洞內(nèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

截止到2018年2月26日，先行導(dǎo)洞拱頂沉降最大值為5.90 mm，導(dǎo)洞收斂最大值為4.46 mm；管幕支護(hù)下上導(dǎo)洞拱頂沉降值最大4.07 mm，導(dǎo)洞收斂最大值為4.13 mm；下導(dǎo)洞拱頂沉降最大值為5.59 mm，導(dǎo)洞收斂最大值為4.77 mm，均滿足施工要求。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，導(dǎo)洞施工階段，采用小導(dǎo)管注漿、深孔注漿技術(shù)，地層沉降控制效果較好；管幕支護(hù)體系剛度大、整體受力好，能夠控制拱頂沉降。

6 結(jié)語

本文通過對(duì)管幕結(jié)合洞樁法修建超淺埋地鐵車站施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，主要得到以下結(jié)論：

1)在軟弱地層條件下，深孔注漿、超前小導(dǎo)管注漿技術(shù)，可以保證掌子面穩(wěn)定性，控制地層沉降。

2)管幕采用水平螺旋導(dǎo)向鉆機(jī)出土方式施工對(duì)地層擾動(dòng)小，地表沉降??；管幕支護(hù)體系可以很好的控制導(dǎo)洞開挖引起的地表沉降。

3)管幕結(jié)合洞樁法施工方法對(duì)周邊環(huán)境和地表沉降影響小，適合修建超淺埋、大斷面、復(fù)雜地質(zhì)條件下的暗挖地鐵車站。