小口徑鎖扣管幕+超前帷幕注漿加固效果分析

王京偉

（中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司 濟(jì)南設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250001）

引言

隨著軌道交通行業(yè)的蓬勃發(fā)展，地鐵線網(wǎng)越來越密集，地鐵的施工環(huán)境也越來越復(fù)雜，特別是老城區(qū)的施工條件，受周邊環(huán)境因素的制約愈加苛刻。因此，在城市軌道交通開發(fā)時(shí)，不可避免地需采用暗挖施工工法，甚至?xí)谐瑴\埋、大跨度暗挖隧道下穿重要道路、管線、建構(gòu)筑物等情況發(fā)生［1-2］，此種情況下如何確保暗挖隧道施工安全，如何保證上方道路、管線等建構(gòu)筑物的安全是重中之重。目前，隧道工程常用的超前支護(hù)技術(shù)有管幕注漿法、超前小導(dǎo)管法、超前錨桿法、水平旋噴注漿法、管棚注漿法、凍結(jié)法等［3-5］。管幕法是一種獨(dú)特的地下空間建設(shè)方法，它利用較大直徑的鋼管在地下密排并相互咬合預(yù)先形成鋼管帷幕，然后在此鋼管帷幕的保護(hù)下進(jìn)行開挖，從而建造大斷面的地下空間，是一種安全可靠的地下暗挖技術(shù)［6-7］。

1 工程概況

青島地鐵1 號線南嶺站位于重慶路與南嶺三路交叉路口西北側(cè)，是青島地鐵1 號線第30 個(gè)車站，車站位于重慶路西側(cè)，沿重慶路南北方向敷設(shè)。為實(shí)現(xiàn)過街功能，分別于重慶路東西兩側(cè)設(shè)C1、C2 出入口，跨路部分為暗挖通道。該通道為拱頂直墻結(jié)構(gòu)形式，通道長61.1 m，開挖跨度7.2 m，開挖高度5.77 m，拱頂覆土4.7 ～6.1 m，由兩側(cè)出入口基坑提供暗挖掌子面施工條件。

圖1 暗挖通道平面位置

1.1 水文地質(zhì)條件

暗挖通道洞身自上而下地層依次：素填土、含黏性土粗砂、粉質(zhì)黏土、粗礫砂，洞身穿越含黏性土粗砂層、粉質(zhì)黏土層、粗砂～礫砂層。拱頂埋深4.7 ～6.1 m，地下穩(wěn)定水位埋深3.0 ～5.2 m，拱頂位于水位線以下?？辈熨Y料揭示第四系粉質(zhì)黏土呈可塑狀態(tài)，易變形，飽和砂層自穩(wěn)性差，透水性強(qiáng)，開挖過程中極易坍塌，暗挖通道綜合圍巖分級為Ⅵ級。

1.2 地下管線

重慶路下方管線眾多，暗挖通道下穿管線主要有雨水、污水、上水、熱力、電力、通信等共計(jì)16條管線，其中與拱頂最近距離約1.2 m。

2 通道施工

針對本工程施工自身風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)及管線沉降控制指標(biāo)，超前支護(hù)措施的選擇將對本工程方案成敗起到關(guān)鍵性作用。位于土層中的淺埋隧道，傳統(tǒng)暗挖法一般采用超前管棚+超前小導(dǎo)管+超前帷幕注漿，并結(jié)合CRD 施工工法進(jìn)行開挖，該方式下超前管棚無法整體受力，對地表沉降控制較難把握，多用于周邊環(huán)境偏僻空曠的位置，且CRD 工法交叉作業(yè)較為明顯，各導(dǎo)洞施工作業(yè)空間較小，施工工效較低。而在第四系地層中采用常規(guī)管幕法時(shí)，鎖扣管幕沿初支外輪廓全環(huán)封閉，管幕工作井需低于最底層管幕約2 m，導(dǎo)致兩側(cè)出入口基坑需加深2 m，在富水軟弱地層中基坑止水較為困難，存在一定安全風(fēng)險(xiǎn)。且采用全環(huán)封閉方式的工程造價(jià)較高，造成工程投資較高。結(jié)合本工程特點(diǎn)及周邊環(huán)境變形控制要求，擬創(chuàng)新性地采用拱部小口徑鎖扣管幕+下斷面超前帷幕注漿，利用既有C1、C2 出入口明挖基坑作為管幕施工工作井，分別沿拱部外輪廓對向打設(shè)鎖扣管幕，并位于中間綠化帶位置對接，單側(cè)打設(shè)長度為30.55 m。

2.1 整體設(shè)計(jì)方案

暗挖通道拱部及邊墻上部采用Φ299@350管幕，并輔以超前帷幕注漿加固地層兼止水；初支采用300 mm 厚C25 噴射混凝土，格柵鋼架縱距為0.5 m；施工工法為環(huán)形開挖預(yù)留核心土法。其襯砌采用復(fù)合式襯砌初期支護(hù)以格柵鋼架、鋼筋網(wǎng)、C25 噴射混凝土為主要支護(hù)手段，隧道下部采用超前帷幕注漿，支護(hù)參數(shù)見表1。

表1 通道初期支護(hù)參數(shù)

2.2 管幕設(shè)計(jì)

鎖扣采用63 mm×40 mm×6 mm 的角鋼。根據(jù)管幕的設(shè)計(jì)要求，計(jì)算出鎖扣在管幕鋼管上的位置，然后把角鋼焊接在管幕鋼管上。為了鎖扣焊接的準(zhǔn)確，先將管幕鋼管放在一根125 mm 的槽鋼上，然后根據(jù)鎖扣參數(shù)，固定角鋼兩端及中間的位置焊接牢固。因鎖扣決定下一根管幕鋼管的走向，鎖扣焊接一定要保證準(zhǔn)確。管節(jié)與管節(jié)之間的連接采用坡口等強(qiáng)度焊接，需沿鋼管周圈全部焊接。焊接時(shí)要用卡套固定好兩根鋼管。管幕鋼管內(nèi)注漿建議采用素水泥漿，水灰配比為1 ∶1，注漿由一端進(jìn)行，注漿口設(shè)在一端，出漿口位于另一端，設(shè)在鋼管頂部，當(dāng)出漿口流出漿液后，關(guān)上閥門，然后加壓至0.8 MPa。一次管內(nèi)灌注完成后，2 h 后進(jìn)行補(bǔ)充灌注，保證管內(nèi)充盈；管內(nèi)灌注順序自下而上施工，最后填充拱部鋼管；為保證鎖扣內(nèi)同步灌注，鎖扣鋼管管壁上按間距0.3 m 開孔直徑為20 mm 的注漿孔。

2.3 管幕施工

管幕采用螺旋出土導(dǎo)向頂管法施工，出土和頂管同時(shí)進(jìn)行。鋼管頂進(jìn)時(shí)要及時(shí)出土但不能超量出土，避免出土量不足或太多導(dǎo)致地層的隆起和沉降。施工過程中必須精確測量鋼管的偏斜并進(jìn)行實(shí)時(shí)糾偏，最大偏斜要控制在50 mm 以內(nèi)。在精確放線放點(diǎn)的基礎(chǔ)上每根鋼管在下管前要準(zhǔn)確進(jìn)行測量定位并予以復(fù)核，每10 m 時(shí)要進(jìn)行一次例行復(fù)核。鎖扣的焊接精度要控制在2 mm 以內(nèi)，且累計(jì)誤差不能超過5 mm。管幕施工過程中，分三次切割明暗挖接口處的圍護(hù)樁，每次破除1/3 門洞寬度的圍護(hù)樁，然后打設(shè)管幕，每一部分管幕打設(shè)完成后及時(shí)與圍護(hù)樁可靠連接，然后架設(shè)一榀格柵鋼架，按此工序逐次完成明挖段圍護(hù)樁的破除，與明挖段主體連接處架立三榀格柵鋼架進(jìn)行密排。

3 應(yīng)用效果分析

3.1 現(xiàn)場施工情況

管幕打設(shè)完畢后，通過鎖扣相互連接，在開挖過程中可形成有效的棚架受力體系［8-10］。現(xiàn)場開挖情況揭示，拱部超前管幕輔以下斷面帷幕注漿，并采用環(huán)形開挖預(yù)留預(yù)留核心土法施工可有效形成超前支護(hù)體系，洞內(nèi)無明流水，管幕隔水效果較好。通道兩側(cè)各打設(shè)37 根管幕，每根長度為30.55 m，經(jīng)現(xiàn)場挖探，在兩側(cè)管幕接頭位置最大施工誤差為40 mm，滿足設(shè)計(jì)要求的±50 mm 的誤差限值。

3.2 地表及管線沉降

由于重慶路下方管線繁多，根據(jù)不同管線屬性分別選用抱箍式、模擬式管線測點(diǎn)兩種方式布設(shè)管線監(jiān)測點(diǎn)，在通道中心線兩側(cè)各布置5 個(gè)測點(diǎn)。地表沉降監(jiān)測點(diǎn)沿通道中心線兩側(cè)各布置5 個(gè)測點(diǎn)，共布置7 個(gè)監(jiān)測斷面。選取位于隧道中心線上方的測點(diǎn)，以及該測點(diǎn)左右兩側(cè)的測點(diǎn)進(jìn)行通道開挖過程中的變形研究，其所選地表沉降監(jiān)測測點(diǎn)布置見圖2。通道開挖過程中各地表沉降測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖3。

圖2 地表沉降測點(diǎn)布置

圖3 地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)

由圖2 可以看出，DC95，DC80，DC81 斷面由于監(jiān)測時(shí)間較長其變形曲線更具代表性。由圖3 可以看出其變形均為剛開始緩慢減小，當(dāng)通道開挖至檢測斷面時(shí)，其變形曲線出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)隨后變形急劇增大，大概1 個(gè)月后變形趨于穩(wěn)定，呈現(xiàn)波動(dòng)變化。其中最大為7.76 mm，最大變形發(fā)生在DC95斷面的測點(diǎn)2 處，這是由于該測點(diǎn)位于隧道正上方，通道開挖對其造成的影響也最大。DC80 斷面由于與DC95 斷面成對稱布置，其變形趨勢與DC95 斷面基本趨于一致，其拐點(diǎn)對于的位置也類似，這是由于通道從兩邊向中間開挖，開挖至兩監(jiān)測斷面的時(shí)間相同。對于DC91 斷面其監(jiān)測時(shí)間較短，但仍可見明顯的拐點(diǎn)，即為隧道開挖至監(jiān)測斷面。其余斷面監(jiān)測時(shí)間較短，導(dǎo)致其變形曲線的波動(dòng)較大，隧道還未出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)時(shí)監(jiān)測已經(jīng)結(jié)束。對于管線的沉降選取三條典型的管線，在管線與通道相交處設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，測點(diǎn)布置見圖4。通道開挖過程中各管線沉降測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖5。

圖4 管線沉降測點(diǎn)布置

圖5 管線沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)

由圖4、圖5 可知，對于管線的沉降曲線，類似于地表沉降曲線，由于GC94 斷面的監(jiān)測時(shí)間最長，因此更具代表性。從GC94 斷面測點(diǎn)所對于的曲線可以看出其變形剛開始緩慢減小，隨著通道開挖至監(jiān)測斷面，其變形急劇增大，大概10 d 后，其變形趨于穩(wěn)定，之后管道沉降變形還會(huì)緩慢減小，這是由于支護(hù)結(jié)果的強(qiáng)調(diào)逐漸增加，導(dǎo)致變形減小。對于GC92 斷面，雖然其監(jiān)測時(shí)間較短，但其趨勢任類似于GC92 斷面，均為出現(xiàn)拐點(diǎn)后，變形急劇增大，而后緩慢減小。對于GC89 斷面，由于監(jiān)測時(shí)間不足，并不具備參考性。對暗挖通道施工進(jìn)行全過程監(jiān)測，地表、管線及初支變形最大值見表2，均滿足要求。

表2 沉降變形統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)語

（1）管幕對地層沉降控制及止水均起到良好效果。管幕敷設(shè)范圍可根據(jù)地層情況適當(dāng)擴(kuò)大，注意工作井深度要同步加深。（2）小口徑鎖扣管幕施工精度可控，在類似地層中近距離下穿建構(gòu)筑物，對周圍環(huán)境及建構(gòu)物影響較小。（3）對小斷面隧道開挖，開挖工法要考慮施工便利性，在拱部較強(qiáng)的超前支護(hù)作用下，可簡化為環(huán)形臺階預(yù)留核心土法開挖。（4）管幕為隧道的開挖提供了較強(qiáng)的超前支護(hù)，地表、管線和隧道的變形均能得到較好地控制，變形在允許范圍內(nèi)。