軟弱富水地層地鐵車站新管幕法施工技術(shù)*

張 鵬，徐 桃，姚 爭(zhēng)，張亞敏，王 濤，鄭元?jiǎng)?/p>

(1.中國(guó)建筑第七工程局有限公司，河南 鄭州 450004； 2.鄭州大學(xué)圖書館，河南 鄭州 450001； 3.鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

0 引言

考慮運(yùn)營(yíng)期的客流需求，地鐵工程往往設(shè)置在繁華的市中心，導(dǎo)致地鐵建設(shè)過程中常常涉及房屋拆遷、地下管線遷改、地面交通導(dǎo)行和綠化遷移等工程前期協(xié)調(diào)問題。其中任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會(huì)影響工程建設(shè)的正常進(jìn)度且涉及增加額外投資。因此，采用合理的施工方法盡量減少地鐵施工對(duì)地面建筑的干擾是地鐵施工領(lǐng)域亟待開展的課題。

管幕法施工最初是通過小口徑頂管支護(hù)土體，進(jìn)而施工大斷面地下空間結(jié)構(gòu)的暗挖施工技術(shù)，在國(guó)外已有近50年的歷史。管幕法施工于1994年先后在我國(guó)香港、臺(tái)北、上海、北京得到應(yīng)用。新管幕法( New Tubular Roof Method，簡(jiǎn)稱NTR工法) 是管幕法的一種改進(jìn)施工方法，該方法在擬建地下工程設(shè)定的輪廓位置頂進(jìn)密排大直徑鋼管，管間連通后在鋼管內(nèi)和管間預(yù)先構(gòu)筑鋼筋混凝土永久結(jié)構(gòu)，并在其保護(hù)下開挖土方、施工內(nèi)部結(jié)構(gòu)，最終形成地下空間，可有效避免拆遷和減少對(duì)周邊環(huán)境的影響[1]。新管幕法在我國(guó)尚處于推廣階段，目前已在沈陽(yáng)新樂遺址站[2]、港珠澳大橋拱北隧道[3-4]、太原市迎澤大街下穿火車站通道工程等得到了應(yīng)用。2019年6月21日，國(guó)內(nèi)首例采用新管幕法施工的太原市迎澤大街下穿火車站通道順利貫通。

近年來，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者圍繞新管幕法施工對(duì)土體變形、地表及建筑物沉降的影響，地鐵車站新管幕法破壞模式及受力分析逐步開展了一些研究[3-9]。本文以天津地鐵7號(hào)線一期工程金緯路站為例，基于理論計(jì)算及數(shù)值模擬結(jié)果，驗(yàn)證軟弱富水地層新管幕法施工的可行性，并對(duì)其經(jīng)濟(jì)性和工效進(jìn)行對(duì)比分析。

1 車站管幕法施工技術(shù)

新管幕法主要有以下優(yōu)點(diǎn)：①安全性好 土方開挖在永久結(jié)構(gòu)保護(hù)下完成；取消了分部開挖與支護(hù)，可大大減少受力體系轉(zhuǎn)換次數(shù)；變形易控制，沉降小，周邊環(huán)境易保護(hù)。②快速施工 土方開挖可采用大型挖運(yùn)設(shè)備；取消了臨時(shí)支護(hù)的支拆工序，大大加快施工速度。③大跨施工 單拱無柱大跨地下空間一次建造成型。該方法主要適用于下穿重要建(構(gòu))筑物及既有運(yùn)營(yíng)交通線路、對(duì)周邊環(huán)境保護(hù)要求高的地下大空間工程。同時(shí)，新管幕法可應(yīng)用于除硬巖外的多種地層，如砂土、黏土，特別是軟土及飽和砂土地層條件。

1.1 頂管施工方法

車站管幕可采用半包式設(shè)置與全包式管幕實(shí)現(xiàn)封閉地下水。當(dāng)車站地下水位較高且土質(zhì)軟弱，無法實(shí)現(xiàn)場(chǎng)地降水時(shí)應(yīng)采用全包式管幕。管幕由若干根鋼管構(gòu)成，鋼管間距根據(jù)具體情況設(shè)置。頂管施工可采用若干臺(tái)頂管設(shè)備實(shí)施，施工順序一般采用從下往上對(duì)稱施工，工作井內(nèi)設(shè)置可升降式工作平臺(tái)(見圖1)[10]，頂管施工流程如圖2所示。

圖1 可升降式工作平臺(tái)

圖2 頂管施工流程

1)頂管施工重難點(diǎn) ①隧道下穿既有公路及既有建(構(gòu))筑物，對(duì)沉降控制要求高；②軟土地層，刀盤易結(jié)泥餅，影響推進(jìn)效率；③管間距較小，對(duì)頂管施工精度要求較高。

2)相應(yīng)解決措施 ①采用泥水平衡模式，通過控制推進(jìn)速度及進(jìn)排漿壓力，有效控制掌子面土倉(cāng)壓力，減小地面沉降；配置膨潤(rùn)土潤(rùn)滑系統(tǒng)，防止卡頓等情況發(fā)生，也可填充開挖間隙，減小地面沉降；②采用軟土刀盤，保證大開口率，防止刀盤結(jié)泥餅，有效提高推進(jìn)效率；③采用高精度激光靶式導(dǎo)向系統(tǒng)，確保頂管施工精度。

1.2 加固施工方法

管幕法施工涉及2部分地層加固：①頂管施工時(shí)，頂管始發(fā)和接收階段采用的加固措施；②管幕法施工時(shí)，鋼管間鋼板切割和打開采用的加固措施。

1)頂管始發(fā)和接收措施

在軟弱富水地層，特別是高水壓條件下，頂管始發(fā)和接收擬采用類似于盾構(gòu)法的加固措施[11]： ①頂管始發(fā)和接收區(qū)采用凍結(jié)加固，設(shè)立加固區(qū)范圍；②頂管始發(fā)采用鋼套箱始發(fā)，如圖3所示；③頂管接收采用鋼套筒接收，如圖4所示；④頂管施工完成后，鋼管與洞門鋼環(huán)焊接在一起形成止水。

圖3 鋼套箱

圖4 鋼套筒

2)管幕壁后加固

管幕法施工需要人工在鋼管內(nèi)切割相鄰鋼管間的鋼管壁，然后焊接鋼板，使鋼管間形成臨時(shí)整體，最后在鋼管間綁扎鋼筋、澆筑混凝土形成支撐結(jié)構(gòu)。因此切割鋼管前需采用凍結(jié)法對(duì)相應(yīng)地層進(jìn)行臨時(shí)加固[12]。

1.3 管幕內(nèi)結(jié)構(gòu)施工方法

在管幕壁后加固的前提下施作管幕結(jié)構(gòu)，工人進(jìn)入鋼管內(nèi)，人工切割開相鄰鋼管，并焊接相鄰鋼管間的支護(hù)鋼板完成鋼管間的空間打開，最后在打開的管幕空間中施作鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)[13]。管幕內(nèi)結(jié)構(gòu)施工流程為：施作頂管→頂管壁后采用凍結(jié)法加固→施作拱肋(拱肋寬2m)→施作拱肋間結(jié)構(gòu)(拱肋間距5m)→完成管幕。

2 案例分析

天津地鐵7號(hào)線一期工程南起西青區(qū)賽達(dá)路站，北至河北區(qū)喜峰道站，是中心城區(qū)南北向骨干線路，一期線路全長(zhǎng)約26.5km，共設(shè)21座車站。金緯路站位于天津市河北區(qū)中山路與金緯路交會(huì)處，車站為地下3層，主體結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)160.00m；標(biāo)準(zhǔn)段基坑寬約22.30m，深約23.2m；盾構(gòu)段基坑深約25.17m。B出入口及1號(hào)風(fēng)亭為地下2層結(jié)構(gòu)，基坑深約18.91m；C出入口及2號(hào)風(fēng)亭為地下單層結(jié)構(gòu)，基坑深約11.08m。金緯路站工程建設(shè)涉及金輝里小區(qū)的拆遷，需拆遷1棟7層住宅，拆遷面積為 5 390m2。 拆遷區(qū)域正好影響車站管線遷改和交通導(dǎo)行施工，進(jìn)而影響車站主體施工。

2.1 工程環(huán)境

2.1.1水文地質(zhì)情況

金緯路站現(xiàn)狀地面主要為瀝青路面，局部為廣場(chǎng)、棚戶區(qū)，地面高程為3.200m，地表平坦。車站范圍從上至下依次為人工回填土、粉質(zhì)黏土、局部夾砂質(zhì)粉土、黏質(zhì)粉土透鏡體、粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)粉土。根據(jù)GB 50909—2014《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》綜合判定場(chǎng)地土類型為軟弱～中軟土，場(chǎng)地類別為III類。

車站范圍內(nèi)無河流等地表水，勘察期間測(cè)得場(chǎng)地地下靜止水位埋深1.80～2.80m。地下含2道承壓水層，第1承壓水層線與端頭擴(kuò)大端底板幾乎平齊，與標(biāo)準(zhǔn)段底板相距約2m(水頭大沽標(biāo)高約為-0.800m)， 對(duì)工程施工有一定不利影響；第2承壓水層線標(biāo)高為-38.000m(水頭大沽標(biāo)高約為-1.800m)， 位于底板以下約19m，對(duì)底板施工影響較小，但對(duì)地下連續(xù)墻及柱下樁施工有一定影響。

2.1.2周邊環(huán)境

基坑西側(cè)由南向北依次為老板娘大酒店(距車站主體基坑27.31m)、元吉里小區(qū)(距車站主體基坑最近處8.47m)、二美里小區(qū)(距車站主體基坑最近處10.30m)；東側(cè)由南向北依次為中國(guó)銀行河北支行(距車站主體基坑最近處18.15m)、金輝里小區(qū)(擬拆遷)、陽(yáng)光廣場(chǎng)(擬拆遷)、河北區(qū)房地產(chǎn)管理局(距車站附屬結(jié)構(gòu)基坑最近處8.39m)。

車站采用管幕法施工需滿足大、小里程端施作工作井的條件。大里程端東側(cè)有陽(yáng)光廣場(chǎng)，面積為4 000m2，存在工作井施作條件。小里程端兩側(cè)有元吉里和金輝里小區(qū)，且中山路道路狹窄，兩側(cè)條件復(fù)雜不存在工作井施作條件。但在車站小里程端以南100m位置存在1個(gè)30m×30m花園，可提供小里程端的工作井。

2.2 車站尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.2.1車站長(zhǎng)度

為保證小里程端工作井的實(shí)施，確保主體結(jié)構(gòu)實(shí)施管幕法的可能性，需加長(zhǎng)主體結(jié)構(gòu)；車站大里程端工作井位置不變，小里程端工作井設(shè)置在花園位置，車站長(zhǎng)度由160m加長(zhǎng)至274m，并在花園位置設(shè)置出入口和風(fēng)亭。

2.2.2車站斷面

斷面結(jié)構(gòu)形式由原3層矩形結(jié)構(gòu)優(yōu)化為2層圓形拱棚結(jié)構(gòu)，如圖5所示。原車站標(biāo)準(zhǔn)段尺寸為寬22.3m、高19.09m，頂板覆土2.97m；圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1m厚地下連續(xù)墻。優(yōu)化后結(jié)構(gòu)尺寸為高17.37m、寬25.305m，頂板覆土6.315m，開挖面積354m2；管幕采用28根φ2 000鋼管組成，頂管進(jìn)尺243m。

圖5 車站斷面形式

2.2.3施工工序

為滿足管幕法施工條件，需提前設(shè)置頂管施工的始發(fā)井和接收井。結(jié)合車站調(diào)整后的車站擴(kuò)大端位置，分別在陽(yáng)光廣場(chǎng)、花園處設(shè)置1個(gè)16m×26m×25m工作井。大里程端(陽(yáng)光廣場(chǎng)處)作為頂管始發(fā)井，小里程端(花園處)作為頂管接收井。

1)大里程端始發(fā)井施工

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，大里程端始發(fā)井施工現(xiàn)場(chǎng)能實(shí)現(xiàn)寬41m、長(zhǎng)74m的施工場(chǎng)地，滿足工作井結(jié)構(gòu)施工和頂管施工。中山路大里程端現(xiàn)場(chǎng)東側(cè)實(shí)現(xiàn)由南向北兩車道、西側(cè)實(shí)現(xiàn)由北向南單車道導(dǎo)行，滿足中山路導(dǎo)行，如圖6所示。受工作井影響的中山路相關(guān)管線臨遷至基坑兩側(cè)導(dǎo)行路下，車站施工完成后回遷，如圖7所示。

圖6 大里程端交通導(dǎo)行

圖7 大里程端管線遷改

2)小里程端接收井施工

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，小里程端接收井施工現(xiàn)場(chǎng)能實(shí)現(xiàn)寬26m、長(zhǎng)40m的施工場(chǎng)地。中山路小里程端施工現(xiàn)場(chǎng)東側(cè)實(shí)現(xiàn)由南向北兩車道導(dǎo)行，西側(cè)實(shí)現(xiàn)由北向南兩車道導(dǎo)行，如圖8所示。受工作井影響的中山路相關(guān)管線臨遷至基坑兩側(cè)導(dǎo)行路下，車站施工完成后回遷，如圖9所示。

圖8 小里程端交通導(dǎo)行

圖9 小里程端管線遷改

2.3 主要受力計(jì)算

2.3.1管幕結(jié)構(gòu)受力計(jì)算

為驗(yàn)證修建完成的管幕結(jié)構(gòu)能否滿足土方開挖后的支撐需要，采用MIDAS/GTS進(jìn)行土方開挖階段的數(shù)值分析，模型如圖10所示。管幕結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖11所示。由圖11可知，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為13.38MPa，符合GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。

圖11 管幕結(jié)構(gòu)受力應(yīng)力云圖(單位：kPa)

2.3.2車站抗浮計(jì)算

基于GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》，取標(biāo)準(zhǔn)斷面按每延米對(duì)車站受地下水影響進(jìn)行抗浮驗(yàn)算。

不考慮抗浮措施：

G/γf1≥Ff

(1)

式中：G為車站自重標(biāo)準(zhǔn)值及其上作用的永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值(地下水位以下取浮重)之和(kN)；Ff為車站承受的水浮力(kN)，F(xiàn)f=γwl1l2ht；γf1為重力抗浮分項(xiàng)系數(shù)，取1.05；γw為水的重度，可按10kN/m3考慮；ht為設(shè)計(jì)水位至底板高差;l1為車站截面長(zhǎng)度(m)；l2為車站底面寬度(m)。

G=G自重+G覆土=2 850+5 125=7 975(kN)；Ff=γwl1l2ht=10×25.2×1×24.4=6 148(kN)；G/γf1=7 595kN>Ff。車站結(jié)構(gòu)滿足抗浮要求，不需要再額外設(shè)置抗浮措施。

2.4 成本對(duì)比

結(jié)合原車站結(jié)構(gòu)形式和原蓋挖逆作工法，與車站優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)形式和調(diào)整后的管幕法工法進(jìn)行直接成本對(duì)比。同時(shí)對(duì)車站位置涉及管線遷改與房屋拆遷進(jìn)行費(fèi)用對(duì)比，如表1所示。

表1 管幕法與蓋挖法費(fèi)用對(duì)比 萬(wàn)元

對(duì)比2種工法，單純從施工成本來看，管幕法成本更高，經(jīng)濟(jì)效益不明顯。但綜合考慮管線遷改和涉及拆遷情況等，因管幕法涉及管線較少(只考慮工作井管線)且不需要考慮拆遷，同時(shí)考慮到拆遷的不確定性及工期成本等，管幕法施工在工期和總造價(jià)方面具備一定的優(yōu)勢(shì)。

2.5 工效對(duì)比

因管幕法涉及更多的工法轉(zhuǎn)換，且各工法間無法實(shí)現(xiàn)交叉施工，導(dǎo)致其并不具備工效上的優(yōu)勢(shì)，管幕法與蓋挖法工效對(duì)比如表2所示。但考慮到拆遷的不確定性，管幕法可做到及時(shí)開工、工期可控，是避免征拆的一個(gè)選擇。

表2 管幕法與蓋挖法工效對(duì)比 d

3 結(jié)語(yǔ)

1)在新管幕法施工過程中存在多次工序交叉，頂管與凍結(jié)法加固、凍結(jié)法加固與鋼管切割、凍結(jié)與管內(nèi)鋼筋綁扎、混凝土澆筑存在多次工序交叉等不足；且施工節(jié)點(diǎn)眾多，存在滲漏水風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)施工空間和搶險(xiǎn)空間相對(duì)狹小。

2)相對(duì)其他施工方法(如蓋挖法)新管幕法施工在成本和工效方面不占優(yōu)勢(shì)，但該方法具備不受房屋征拆影響、管線遷改工作量小及工期可控等優(yōu)點(diǎn)，仍是特殊施工環(huán)境下可考慮的地鐵車站施工方法。

3)依據(jù)天津地鐵7號(hào)線一期工程金緯路站，對(duì)地鐵在軟弱富水地層下施工時(shí)采取新管幕法施工的可能性進(jìn)行分析，計(jì)算發(fā)現(xiàn)，管幕結(jié)構(gòu)受力符合相關(guān)規(guī)范要求。