管棚法在地鐵出入口暗挖施工中的應用研究

尤旭東 付 財 韓圣銘 李方政

（1.上海軌道交通十三號線發展有限公司，200070，上海；2.北京中煤礦山工程有限公司，100013，北京；3.天地科技建井研究院，100013，北京∥第一作者，高級工程師）

在城市地鐵施工中普遍采用明挖大揭蓋的方法，雖然其技術較成熟，應用較廣泛，卻嚴重干擾了地面交通，并且破壞環境。淺埋暗挖法是一種在離地面很近的地方施行各種地下結構暗挖施工的方法，對地面交通影響較小［1-2］。由于施工中場地環境、地下管線錯綜復雜，如何在有效加固地層的基礎上，防止施工過程中土方坍塌并有效控制地表和管線沉降，是暗挖工程施工中經常遇到的難題之一［3-4］。為解決這一難題，目前工程中常采用管棚法與凍結法相結合的施工方法。

1 工程概況

上海某地鐵出入口位于交通繁忙的金沙江路上，由于地鐵車站施工原因，出入口所處路段為單向2車道，車流量十分大。出入口頂板覆土較淺，僅為6.4m。地下管線眾多，主要有上水管、煤氣管道、雨污水管道等。出入口所處地層為②1砂質粉土、②3－1灰色砂質粉土、④淤泥質黏土及⑤1－1黏土層。出入口土層及管線位置如圖1所示。

綜合考慮交通影響、管線安全、施工安全及施工工期等因素，決定采用管棚法加凍結法相結合的方法進行施工。

管棚是利用鋼管作為縱向支撐、鋼格柵拱架作為橫向環形支撐，構成縱、橫向整體剛度較大，能阻止和限制圍巖變形，并能提前承受早期圍巖壓力的一種超前支護形式。

凍結法是利用人工制冷技術，使地層中的水凍結，把天然巖土變成凍土，增加其強度和穩定性，隔絕地下水與地下工程的聯系，以便在凍結壁的保護下進行隧道、立井和地下工程的開挖與襯砌施工。其實質是利用人工制冷技術臨時改變巖土的狀態以固結地層。

本工程即利用低碳無縫鋼管作為管棚支護，并在其中循環低溫冷媒劑進行凍結，形成凍土帷幕后在管棚及凍土帷幕的雙重保護下進行暗挖作業施工。

2 數值模擬

如何減小凍結施工過程中凍脹對管線及地面的影響，防止結構變形及失穩破壞，避免出現地面過量沉降和坍塌，是本工程的重點。根據本工程的工況，首先利用ANSYS軟件進行數值模擬。

模型平面選取應變單元，模型尺寸為長50m、高20m。由于熱分布與應力分布相互影響較小，故先進行熱力學計算，得到溫度場分布，然后轉入力學計算。熱力學計算單元類型選取plane55單元。力學計算選用與之對應的plane182單元。計算模型如圖2所示。

圖1 土層及管線位置示意圖

圖2 數值模擬計算模型

由于出入口結構跨度較大，考慮在結構面中軸線增加2排加強凍結孔，以減小開挖面跨度。假定積極凍結天數為40d，計算得出不卸壓情況下40d時土體位移分布圖，如圖3所示。可以看出，土體內部最大位移量達到＋0.159m，地表最大隆起達到＋0.14 m。可見，對土體凍結時的凍脹效應引起高度重視，必須采取措施減小凍脹對地下管線及地表的影響。

根據數值模擬的結果，針對凍結時土體凍脹效應對地表及管線的影響，對凍結孔布設進行相應改進：在結構面頂部及結構內部增設卸壓孔，凍結施工過程中根據沉降數據進行卸壓工作，以控制凍脹對地面及管線的影響。增設卸壓孔后，通過在ANSYS軟件中對非凍土設置線膨脹系數的方法，模擬卸壓孔卸壓過程。卸壓后地表位移云圖如圖4所示。

圖3 積極凍結40d土體位移分布圖

由圖4中數據可以看出，利用卸壓孔進行卸壓操作后，地表隆起值明顯減小。

凍結壁化凍過程會使土體原有結構破壞，土顆粒固結，引起融沉現象。模擬假設融沉率為10%，計算凍結壁融化后土體位移變化情況。如圖5所示，土體最大沉降量為－0.22m。可見，在凍結壁融化過程中必須及時進行融沉補償注漿，保證把地表沉降控制在合理范圍內。

圖4 利用卸壓孔卸壓后地表位移云圖

圖5 凍結壁融化后地表沉降分布云圖

3 凍結設計

參考數值模擬的計算結果，針對本工程的特點及施工控制要求，進行凍結設計。工作井側凍結孔布置如圖6所示。車站側凍結孔布置見圖7。

主要凍結參數如下：

（1）凍結壁設計有效厚度，1.8m；

（2）凍結壁設計平均溫度，≤－10℃；

（3）積極凍結時間，40d；

（4）凍結孔，91個；

（5）卸壓孔，37個；

（6）解凍孔，10個；

（7）測溫孔，19個。

圖6 工作井側凍結孔布置圖

圖7 車站側凍結孔布置圖

工作井側上部溫控區域（圖6中泄壓孔Xx1－Xx17、泄壓孔Xp13－Xp20、解凍孔Fx1－Fx3、解凍孔Fp1－Fp7、測溫孔Cp8－Cp14）及最上排凍結孔（Dp2－Dp14）的低碳無縫鋼管兼作管棚作用，在開挖作業施工時，可增強開挖面前上部地層的承載力。

4 凍結法施工

4.1 土體改良

由于開挖區域位于砂質粉土地層，含水量高，為防止在鉆孔和開挖施工時造成塌孔等不良現象，在鉆孔之前需對結構面的土體進行注漿改良。在工作井側均勻布置25個注漿孔，利用雙液注漿泵進行注漿，注漿量按照土體松散狀態體積的15%來計算。注漿孔位置圖見圖8。

圖8 預注漿孔位置圖

4.2 凍結孔施工

凍結孔成孔采用二次開孔工藝，然后用水平鉆機和夯管錘成孔。凍結管選用Φ89×8mm低碳鋼無縫鋼管，采用內節箍對焊連接。供液管采用Φ48×4.5mm焊接鋼管。凍結孔施工完畢進行管路打壓試漏，試壓合格后進行安裝工作。

4.3 積極凍結

凍結管路安裝完畢后，進行凍結設備調試及試運轉。在試運轉時，要逐步調節能量、壓力、溫度和電機負荷等狀態參數，使機組在有關設備規程和運行要求的技術參數條件下運行。試運轉正常后轉入正式凍結。

在凍結過程中，每天必須巡視凍結情況，檢測測溫孔溫度，并根據測溫數據，分析凍土帷幕的擴展速度和厚度，預計凍土帷幕達到設計厚度的時間。

4.4 凍脹控制措施

在出入口地面主要管線的下部設置溫控區域，以卸壓及臨時加熱控制凍結壁發展的方式減輕凍脹對地面及管線的影響。溫控區包含卸壓孔、解凍孔、測溫孔，其孔位布置如圖9所示。

圖9 溫控區孔位布置圖

對測溫孔進行觀測，一旦測溫孔溫度降至0℃以下，即通過解凍孔進行人工強制解凍，確保卸壓孔周邊土體不被凍結，保證卸壓孔有效性。根據地面沉降監測，如地面出現持續隆起趨勢時，立刻打開卸壓孔閥門，使用清水沖洗卸壓孔。

4.5 開挖構筑施工

根據本工程的特點，將通道分為6塊區域進行開挖。開挖分區示意圖如圖10所示。

圖10 通道開挖示意圖

先進行Ⅰ區的開挖及初期支護，開挖進尺達3 m后進行Ⅲ區的開挖及初期支護。Ⅰ區及Ⅲ區開挖至對側地連墻后，進行Ⅱ區的開挖及初期支護工作，開挖進尺達3m后進行Ⅳ區的開挖及初期支護。通道挖通后對頂部和側墻噴射素混凝土，以提高初期支護強度。

左右側通道完全挖通并完成初期支護后，對側墻噴射素混凝土。最后進行V區和VI區的開挖及初期支護工作。

開挖施工完成后進行防水施工。采用PVC（聚氯乙烯）防水板進行全包防水處理，緩沖層采用土工布。

防水施工完成后進行鋼筋綁扎，然后再安裝模板并澆筑混凝土。

4.6 地層融沉注漿

結構施工完成后進行融沉補償注漿工作，注漿漿液以水泥－水玻璃雙液漿為主，遵循多點、少量、多次、均勻的原則，注漿范圍為整個凍結區域。

4.7 沉降監測

施工完成后，本工程管線最大隆起量為＋11.4 mm，地表最大沉降量為－12.4mm。煤氣管線及雨水管線沉降數據如圖11、圖12所示。從圖中可以看出：積極凍結前期，管線抬升較為明顯，通過一系列卸壓措施后，管線及地表抬升速率明顯變小，凍脹融沉控制效果較為理想。

4.8 數值對比

將數值模擬結果及工程實測數據進行匯總，如表1所示。

通過數據對比可以看出，在凍結階段，數值模擬值基本與實測值相吻合；在融沉階段，實測地表沉降數值明顯小于數值模擬數值，這是因為現場控制融沉措施比較到位，融沉注漿工作比較及時，有效地控制了地面沉降。

圖11 煤氣管線沉降數據

圖12 雨水管線沉降數據

表1 數值模擬與地表及管線沉降實測數值對比

5 結語

面對地面交通流量巨大、市政管線眾多、周邊環境復雜的情況，本工程成功運用管棚法加凍結法相結合的方法進行地層加固，并進行暗挖施工修建了地鐵出入口，凍脹及融沉控制效果較為理想，為城市地下結構施工積累了成功經驗。

［1］王夢恕.地下工程淺埋暗挖技術通論［M］.合肥：安徽教育出版社，2004.

［2］張成平，張頂立，王夢恕.淺埋暗挖隧道施工引起的地表塌陷分析及其控制［J］.巖石力學與工程學報，2007（12）：3601.

［3］周文.淺談地鐵車站出入口的淺埋暗挖法施工［J］.科技創新與生產力，2012（12）：59.

［4］朱徑，馬進.凍脹在淺埋暗挖凍結法施工中的影響分析［J］.西部探礦工程，2007（9）：38.

［5］殷波，童剛強.盾構進洞鹽水凍結加固施工技術［J］.城市軌道交通研究，2012（6）：93.