飽和軟土地層管幕暗挖法施工風險及對策研究

趙笑鵬

(上海隧道工程有限公司，上海 200232)

0 引言

隨著城市地下空間開發(fā)的深入，暗挖法應用越來越廣泛。傳統(tǒng)的淺埋暗挖法利用超前支護易于成拱的原理，輔以注漿、鋼拱架和管棚等措施[1]，在我國中部、西部以及部分南方城市的巖石、復合地層中廣泛應用。而飽和軟土地層含水量高、壓縮性大、流變塑性顯著、不易成拱，傳統(tǒng)暗挖技術難以適用。管幕法支護結構剛度大，對開挖面無法自立的軟土地層可提供臨時擋土及止水作用[2]，近年來在國內(nèi)逐漸得到了應用。

利用管幕作為圍護結構，分化衍生出了管幕暗挖法、管幕-箱涵頂進法[3-4]、新管幕法(NTR法)[5]、STS管幕法[6]等工法，國內(nèi)外學者結合相關工程實例做了許多研究。朱合華等[4]結合上海下穿中環(huán)線管幕-箱涵頂進法工程實例，運用風險分析方法，分析飽和軟土地層中施工風險因素，得出工程的總體風險水平，并提出相應的防范措施；肖世國等[7]對該工程箱涵頂部管幕承載作用進行計算分析，認為管幕在箱涵頂進過程中起到相當大的力學作用。李博等[8]對港珠澳大橋拱北隧道管幕工程的曲線頂管施工風險進行評估，計算綜合風險等級，提出風險控制建議。李劍等[9]依托拱北隧道管幕凍結法工程實例，采用數(shù)值分析軟件和控制變量法的思想，得出管幕凍結工法中凍土帷幕幾個特征值的變化規(guī)律。何君佐等[10]依托"管幕-箱涵"工法頂進穿越中環(huán)線工程，分析研究各類鋼管在頂進過程中的相互作用以及管幕群貫通閉合后的姿態(tài)與變形規(guī)律。

在軟土地層中進行暗挖施工難度大、風險因素多，易出現(xiàn)坍塌、涌水等險情。此外，由施工引起的地表沉陷易造成管線或周邊構(建)筑物開裂。因此，如何減小地面變形是管幕暗挖法施工的關鍵。韓現(xiàn)民等[11]以太原管幕-結構法下穿工程為例，采用數(shù)值計算法分析鋼管不同頂進順序?qū)Φ乇沓两档挠绊憽｀u金杰等[12]以杭州某人行地道工程為例，總結飽和軟土地層條件下采用淺埋暗挖法施工地下通道的若干關鍵技術。李鐵生[13]以北京地鐵19號線工程右安門外站為例，闡述管幕洞樁法地鐵車站的施工工藝特點，并對車站施工監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析。閆自海等[14]結合杭州紫之隧道工程實例，提出隧道交叉口暗挖施工的新工法。魏綱等[15]依托紫之隧道洞內(nèi)拱頂沉降等實測數(shù)據(jù)，對變形規(guī)律進行分析，認為在隧道變形要求嚴格的區(qū)域或淤泥質(zhì)軟土中采用CRD工法開挖風險仍較大。

由于缺乏軟土地層管幕暗挖法實際工程案例，目前國內(nèi)與之相關的研究較少。朱雁飛等[16]依托上海市軌道交通14號線桂橋路站工程，介紹了管幕暗挖工法中帶油脂的外鎖扣管幕頂管頂進、軟土地層土體水平加固和管幕內(nèi)土體分層開挖等關鍵技術。本文繼續(xù)結合此工程案例，從風險分析與管控的角度，介紹管幕暗挖法風險因素識別和針對性措施，總結針對重點風險項目的針對性防范措施，以期為類似項目提供參考。

1 施工方案

上海市軌道交通14號線桂橋路站工程位于上海市浦東新區(qū)王家橋路與曹家溝交匯處，管幕段長100 m，埋深約5.4 m，為地下1層箱涵結構，外包尺寸為21.99 m×7.2 m，采用管幕+暗挖法施工。主要工序包括管幕頂進、水平MJS加固、凍結施工、開挖支撐和結構施工。

管幕段采用2種直徑(1 m和1.6 m)共52根頂管組成封閉圍護結構，其中，四周管幕均設鎖扣，起到導向和止水作用。管幕段主要穿越第③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和第④層淤泥質(zhì)黏土，淺部土層中的潛水位埋深距地表面0.3～1.5 m，管幕結構橫斷面如圖1所示。

圖1 管幕結構橫斷面(單位：m)Fig.1 Cross-section of pipe-roof structure (unit:m)

采用水平MJS工法樁對開挖掌子面進行加固。頂排采用直徑1.3 m全圓樁加固，頂排以下采用直徑2.4 m半圓樁加固，如圖2所示。由兩側工作井同時向中間施工，兩端各施工50 m，共140根樁。

圖2 水平MJS加固橫斷面Fig.2 Cross-section of horizontal MJS reinforcement

管幕凍結為驗證性項目，僅作為輔助止水措施，無受力要求。在頂進前預先在鋼管雌口內(nèi)部充填特制的密封油脂，其抗?jié)B壓力達0.2 MPa[17]，可滿足本工程止水要求。凍結主要驗證管幕內(nèi)凍結法凍結壁交圈及凍脹融沉情況。管幕頂進完成后對底排管幕進行一隔一砂漿填充(主要作用為開挖期間抗浮壓重)。充填砂漿頂管內(nèi)提前布置φ108 mm×5 mm凍結管，未充填砂漿頂管內(nèi)布置φ50 mm×5 mm冷排管。凍土帷幕有效厚度取0.9 m，平均溫度t≤-8 ℃，如圖3所示。

圖3 凍結效果示意圖Fig.3 Schematic diagram of freezing effect

管幕段由北向南單向開挖，采用上下長臺階暗挖法施工。四周封閉型管幕及分艙管將管幕橫斷面分為3艙，先開挖左右2艙，再開挖中間艙。其中，每艙又分為上下2層臺階開挖，上臺階挖通后，再開挖下臺階。開挖高度上臺階4.2 m，下臺階3.6 m，左中右3艙開挖面縱向錯開20 m。支撐采用700×300H型鋼拼接而成，如圖4所示，開挖時每2.5 m設1道支撐。在結構施工期間，鋼支撐隔三拆二，先行施工一期結構，然后拆除剩余支撐施作二期結構。結構底板側墻和頂板厚度均為900 mm。

圖4 左右2艙支撐橫斷面Fig.4 Cross-section of steel support on left and right side

2 風險分析

風險分析是對工程中潛在的風險因素進行識別和梳理，分析風險發(fā)生的概率和危險程度，并提出防范風險的措施[4]。本工程融合了管幕頂管施工、水平MJS加固、管幕凍結等多項工藝，每項工藝本身即存在較大的施工難度，而將多項工藝組合在一起，形成一套軟土地層暗挖施工的新工法，更加大了工程風險。例如：管幕頂管施工要求較高的頂進精度以保證管幕鎖扣的止水效果，而水平MJS加固施工易造成地內(nèi)壓力升高，引起管幕隆起，導致鎖扣止水效果降低，進而增加在開挖期間的滲漏水風險。本工程各項工序環(huán)環(huán)相扣，上一道工序無關緊要的因素可能成為下一道工序的致命性風險，影響工程安全和人身安全。

依據(jù)施工現(xiàn)場條件和周邊環(huán)境，通過調(diào)研以往國內(nèi)外類似工程案例，參考相關風險劃分[7,18]，結合專家建議，對危險等級進行劃分，如表1所示。管幕暗挖施工風險因素及針對性措施見表2。

表1 危險等級劃分Table 1 Classification of risk levels

表2 管幕暗挖施工風險因素及針對性措施Table 2 Construction risks and countermeasures of pipe-roof undercutting

3 關鍵技術措施

針對不同風險因素，研究制定了相應的預防和處置措施。其中一部分諸如加固質(zhì)量、同步注漿、鋼結構安拆等風險因素屬于相對常規(guī)項目，在工程實踐中已取得較好的經(jīng)驗和適當?shù)墓芾泶胧┛刂苹蛞?guī)避；而另一部分如管幕精度控制、MJS地內(nèi)壓力控制等風險因素尚無可靠的施工經(jīng)驗可循，本工程對此進行了大量的探索和研究。以下列舉6項本工程特有的風險項目、過程控制措施和險情處置措施。

3.1 管幕頂進精度控制

由于管幕由許多獨立的鋼管連接而成，管幕施工過程中若存在鋼管精度控制不良，會造成頂進方向的偏差，造成鎖扣破壞。嚴重的甚至會影響后續(xù)頂管閉合，頂力增大而無法頂進，管幕尺寸誤差大以及后續(xù)一系列問題。因此，頂管的精度尤其是基準管的頂進精度是管幕施工中一個重要的風險控制因素。

為提高管幕頂進精度，在工作井內(nèi)設導向架及限位裝置，防止頂管扭轉。采用高精度泥水平衡頂管機和高精度泥水土壓雙模頂管機頂進，頂管機內(nèi)設2道糾偏油缸，增加機頭糾偏能力。同時，采取包括激光測量導向系統(tǒng)、三級報警機制和人工復核等一系列措施。其中，激光測量導向系統(tǒng)如圖5所示，通過將工作井內(nèi)的激光束打到激光傳感器的后面板上，可以獲取頂管機機身的軸線偏差坐標，為管線的糾偏控制提供量化的依據(jù)，做到在頂進過程中實時糾偏，勤糾少糾。鋼管頂進過程中,建立針對頂進軸線三級報警機制(見表3)，建立不同層面原因分析，確定糾偏措施，加強管控。

表3 三級報警機制Table 3 Three-level alarm mechanism

圖5 激光導向系統(tǒng)示意Fig.5 Schematic diagram of laser guidance system

管幕鎖扣具有導向和定位作用，承插管幕會沿著基準管趨勢頂進，因此，基準管頂進精度控制是管幕頂進施工成敗的關鍵。為增強鎖扣的導向作用，將鎖扣鋼材的強度提高1個等級，采用Q345鋼材，增強鎖扣的剛度。在管幕頂進過程中，對基準管精度制訂了更高的目標，即將軸線偏差控制在2.5 cm以內(nèi)，扭轉偏差控制在±1.5°。圖6為管幕頂進完成后貫通測量軸線偏差散點圖。由圖可知所有管幕鋼管軸線偏差均控制在±3.5 cm，滿足鎖扣容許偏差設計要求。

圖6 管幕鋼管軸線偏差散點圖Fig.6 Scatter diagram of pipe-roof steel tube axial deviation

3.2 MJS加固地內(nèi)壓力控制

MJS加固施工通過主動返漿功能控制地內(nèi)壓力，降低對環(huán)境的影響。但水平MJS加固施工易出現(xiàn)返漿不暢導致地面隆起的情況。針對此問題，主要通過如下措施控制：1)將地內(nèi)壓力系數(shù)控制在1.3～1.6，現(xiàn)場嚴格按照適當?shù)牡貎?nèi)壓力施工；2)地內(nèi)壓力過大可采取預切割、調(diào)大閥門、增加回漿量等方式減小地內(nèi)壓力；3)地內(nèi)壓力過小可采取調(diào)小閥門、減小回漿量、降低回流水和回流氣等方式增加地內(nèi)壓力；4)啟用自動化監(jiān)測，采用靜力水準儀(見圖7)實時監(jiān)測管幕變形數(shù)據(jù)，據(jù)此調(diào)整施工參數(shù)。

圖7 管幕內(nèi)靜力水準儀Fig.7 Hydrostatic leveling in pipe-roof

3.3 內(nèi)襯墻防傾覆措施

在頂管施工期間，由管幕形成的四周口字型結構將工作井側墻及地下連續(xù)墻切斷，管幕洞門范圍內(nèi)的結構已與周邊結構脫離。因此，在MJS加固噴漿時，局部地內(nèi)壓力增大，荷載可能傳遞至側墻，此時側墻有一定的坍塌風險。

針對此風險，在管幕頂管施工完成后，為加強側墻與管幕連接，即在管幕與側墻之間焊接L形牛腿，牛腿焊接位置和焊接實物分別如圖8和圖9所示。作用在側墻上的土壓力通過L形牛腿傳遞至管幕，使管幕兩端受拉從而達到自平衡狀態(tài)。

圖8 管幕牛腿焊接示意圖Fig.8 Schematic diagram of corbel welding in pipe-roof

圖9 管幕牛腿焊接實物Fig.9 Pipe-roof corbel welding

3.4 融沉注漿措施

凍結法施工對地層有一定影響，施工前期地層可能隆起，施工后期會有一定融沉，必須采取控制措施。受融沉影響的主要為管幕結構，可在管幕內(nèi)預埋注漿管(如圖10所示)，進行跟蹤式融沉注漿。融沉補償注漿配合凍結壁強制解凍同時進行，根據(jù)監(jiān)測的強制解凍速度及結構沉降量確定注漿頻率，當每孔每次的注漿壓力大于0.5 MPa 時停止注漿。融沉補償注漿材料主要為水泥單液漿，結合監(jiān)測、監(jiān)控，遵循少量多次的原則。

圖10 頂管內(nèi)注漿管大樣圖(單位：mm)Fig.10 Detail drawing of grouting tube in pipe-roof (unit:mm)

3.5 開挖面坍塌應對措施

雖然進行了水平MJS加固掌子面，但也需做好充分準備，應對局部掌子面由于各種原因出現(xiàn)的坍方事故。出現(xiàn)塌方后，如洞內(nèi)泥砂較多，應先將砂袋在底部堆碼，再封閉掌子面。封閉掌子面工藝流程為：砂袋堆碼-掌子面初噴混凝土及掌子面后方初期支護加強、加固-打設全斷面注漿小導管-二次噴混凝土(20～30 cm)-注漿施工，如圖11所示。

圖11 管幕段掌子面塌方處理示意Fig.11 Schematic diagram of face collapse treatment in pipe-roof section

砂袋堆碼主要是防止泥土或泥砂繼續(xù)向下滑移或流動，在掌子面封閉之前，應先保證塌方土體基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。砂袋應分層多排堆碼，局部高度較高時，可在砂袋后打設一些木樁埋入土體，確保前方土體穩(wěn)定不移。因砂袋與塌方土體間不可避免會存在間隙，砂袋堆碼完成后，應在其與土體之間打設一些木條或木樁，使其接觸緊密。如果局部部位高度較高，難以用砂袋撐堵，可用方木或工字鋼對土體進行支撐，方木、工字鋼與土體接觸面加木板。

3.6 管幕滲漏涌水應對措施

管幕鎖扣結合填充油脂自身具備止水作用，但不排除局部油脂填充不密實，或由于MJS工法、凍結及融沉注漿等造成鎖扣之間油脂流失，因此，管幕存在滲漏水風險，可采取以下對策：

1)對微小滲漏點，用焊接鋼板結合雙快水泥直接封堵。

2)對滲漏較大的部位，在管幕內(nèi)預留注漿孔壓注聚氨酯，直至滲漏部位封堵完成，如圖12所示。

圖12 管幕涌水堵漏示意Fig.12 Schematic diagram of water seal in pipe-roof

4 變形數(shù)據(jù)分析

根據(jù)施工現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)地表沉降最大點位于管幕段中部區(qū)域。選取該區(qū)域典型監(jiān)測點，匯總各施工階段沉降如圖13所示。由圖可知：1)該監(jiān)測點最終累計沉降為25.5 mm，與傳統(tǒng)淺埋暗挖法相比較小。2)在施工過程中的管幕頂進、挖土支撐和結構回筑等階段，地表變形均表現(xiàn)為沉降，其中挖土支撐是造成地表變形的關鍵工序。3)水平MJS加固會造成地表一定程度的隆起，這主要與噴漿過程中地內(nèi)壓力控制有關?？傊?，管幕暗挖法施工對周邊環(huán)境的不利影響在可控范圍內(nèi)，施工風險總體可控。

圖13 典型監(jiān)測點各施工階段沉降匯總Fig.13 Settlement at various construction stages of typical monitoring points

5 結論與討論

在飽和軟土地層中進行管幕暗挖施工作為一種創(chuàng)新型工藝，施工難度和風險較大。本文依托工程實例，論述了管幕暗挖施工風險項目和應對措施，得到如下結論：

1)根據(jù)目前頂管、加固和開挖支撐等施工技術，在軟土地層采用管幕暗挖法施工大斷面地下空間是可行的，施工風險總體可控。

2)管幕頂管頂進工序是管幕暗挖法實施的基礎，挖土支撐工序是該工法施工風險控制的關鍵工序，是造成地面沉降的主要工序，應采取有效的設計和施工措施降低挖土支撐期間的沉降。

管幕暗挖法為飽和軟土地層暗挖施工提供了一個新的選擇，目前工程應用案例較少，尚未形成系統(tǒng)性的設計原則和施工方法。尤其是各道工序?qū)I(yè)性較強，工序交叉與銜接較多，對施工過程管理要求較高，不利于施工風險、進度及成本控制。未來應用需根據(jù)工程結構形式、地質(zhì)條件等因地制宜地確定設計方案和工程籌劃，可從采用預應力管幕增加管幕橫向剛度、挖土分艙及挖土順序、鋼支撐體系等幾個方面進一步優(yōu)化管幕暗挖方案，使之具有更高的適用性和經(jīng)濟性。