硬土地區地下通道下穿既有管線的管幕法施工

李耀良 趙偉 成 李增旺 徐彪凱 樓 楠 曹漢 卿

1. 上海市基礎工程集團有限公司 上海 200433；2. 綠地集團 上海 200023；3. 上海建工四建集團有限公司 上海 201103

隨著城市地下空間的開發速度加快，城市環境保護要求等級也逐漸提高，尤其是面臨穿越道路、管線、保護建筑等下部的地下通道工程，采用傳統的明挖工藝將影響市民的正常生活，而矩形頂管、箱涵頂進等傳統的地下通道施工工藝在城市環境中又極易受到施工空間限制。相比于上述工藝，作為暗挖工藝的一種管幕法既能滿足對環境保護的要求，又能有效地解決施工空間的問題，在復雜環境下的地下連通道工程中可起到良好的效果。

1 管幕法工藝原理

管幕法是在結構體外圍預先進行鋼管頂進，并在鋼管側面利用鎖口進行連接，形成一個能抵御上部荷載的超前支護結構，并起到隔斷周邊水土的帷幕結構的作用，從而減少對地面道路、管線、建（構）筑物的影響，保證地面活動及保護對象的正常使用[1]。

其施工步驟亦可分為以下5步[2]：

（a） 構筑工作井及接收井，空間根據鋼管分段長度及推進機械確定；

（b） 在工作井及接收井洞口進行加固；

（c） 將鋼管依次頂進結構周圍，并利用鋼管間鎖口進行搭接，形成帷幕；

（d） 在洞口及管幕內部設置支撐，邊開挖邊支護；

（e） 進行內部結構施工，并拆除支撐體系。

2 管幕法在硬土層中的特點分析

管幕法多數采用鋼管搭接呈封閉狀態的工藝，在軟土地層中強度低、靈敏度高、含水量高。因而支護體系內較小的滲水、涌土即能對地表產生大的沉降，故需要支護體系能有效防止水土流失，以減小對外界環境的影響。

2.1 管幕法在硬土地層中特點

（a）由于硬土普遍強度較高，在較小的開挖深度內可保持自立狀態，且在此狀態下側向變形也較小。

（b）硬土地區淺層一般有1 層較硬的硬塑層，黏聚力較高，滲透性較低。

由于地下連通道一般為淺埋，故可利用硬土層的特點，結合管幕工藝，對管幕技術進行優化，使其在硬土層中進行地下連通道施工時更具有針對性。

2.2 相對于軟土地區的特點

（a）可采用不完全封閉的鋼管帷幕。在軟土地區，一般采用全封閉的鋼管帷幕體系，減小水土流失對外界的影響。而在硬土層中，可根據土層滲透性及支護長度，采用上部鋼管支護、兩側擋土墻的方式或上部、兩側鋼管支護的方式，以減小工程投資。

（b）鋼管施工精度要求不高。鋼管間的鎖口可起到導向及止水作用，在軟土層中由于對鋼管帷幕封閉狀態、鋼管間止水的要求相對較高，所以必須設置止水鎖口，以保證鋼管能形成完整封閉的體系，減小滲水風險。故鋼管整體施工精度較高。然而在硬土地區，通道通常位于淺層的硬塑層中，在這種情況下可利用土層滲透性低的特點，在頂進時不設置鎖口，降低施工難度，在開挖過程中采用邊挖邊用鋼板封閉的方式減小涌土及滲水。

（c）硬黏土層中鋼管頂進施工中少量泥漿損失對外界影響程度低。由于硬黏土的強度較高，鋼管頂進施工時形成的圓形孔洞有一定的自承性，在鋼管頂進施工時微量的泥漿流失對外界的影響程度較低。

2.3 硬土層中管幕法對環境保護的優勢

在硬土層中，相比于矩形頂管、盾構、箱涵頂進等暗挖工藝，管幕法在周邊環境較為復雜的情況下具有一定的優勢（表1）。

表1 管幕法與其他暗挖工藝特點對比

3 工程概況

背景工程位于山東省濟南市中心城區，工程主體結構為連接東西兩側地下室的連通道。通道結構外包尺寸為9.1 m×5.2 m，長度23.2 m，埋深約4 m。

地下通道大部處于②層粉質黏土層和③層黏土層，黏聚力較高，滲透性較低。

基地內東西兩側地下室已完成，通道上部中間有南北向2 束光纜通過，根據實際探挖結果，管線與通道頂部距離為2.8 m，與管線檢查井最近處僅1.9 m（圖1）。

圖1 基地平面示意

本工程由于在已建東西地下室間進行通道施工，扣除封隔墻距離，總的施工距離僅20.6 m，其中光纜距西側工作井最小凈距7.7 m、東側接收井最小近距僅4.8 m。由于施工空間狹小，上部覆土層厚度較薄，且光纜及檢查井位于通道結構上方距離較近，考慮到采用矩形頂管、盾構以及箱涵頂進沒有相應的操作空間，對淺覆土頂進產生的土體變形也較大，故而采用管幕法進行施工。

4 工程特點及難點

4.1 土質條件

通道整體位于黏土層中，且黏土層的黏聚力較大，尤其是③層黏土層強度高，有一定的自立性，故而可采用頂部管幕支護對上部土體及管線進行支承，在通道兩側利用黏土的自立性采用逆作擋墻的方式進行擋土支護。

此外，由于擬建場地距離泉水群距離較近，水量補給較大，需要考慮一定的止水措施。

4.2 環境條件

由于東西兩側地下室均已施工，封堵墻未鑿除，且中部電纜所占范圍較大，構筑工作井及接收井的施工空間也受到較大影響，鋼管頂進難度較大（圖2）。另外，管線與鋼管頂部距離為16.4 cm，與管線檢查井最近處僅10 cm。需要嚴格保證鋼管的施工精度，避免頂管施工影響管線檢查井。

圖2 鋼管與管線關系

5 管幕工法在工程中的應用

5.1 管幕總體布置

5.1.1 工作井及接收井布置

通道開挖深度為9.7 m，考慮到管線及檢查井的位置，將上部土層按照1∶0.4卸土放坡，放坡高度3 m，剩余空間作為工作井及接收井位置。考慮到施工場地有限，故工作井及接收井圍護形式采用鉆孔排樁結合高壓旋噴止水。基坑中間光纜以下采用斜打高壓旋噴樁進行封閉。

排樁頂部設置1 道混凝土支撐，兼作為管幕頂管的操作平臺。

5.1.2 鋼管直徑及構造

通道結構長度為23.2 m，考慮兩端嵌固于支撐梁上，鋼管設計長度為7～10.4 m，由于管線對沉降有一定的要求（不大于20 mm），故鋼管的撓度變形對管線的變形有較大的影響[3]。經過分析，本工程采用外徑為426 mm、壁厚18 mm的無縫鋼管。鋼管分段長度根據始發井及接收井的空間確定為6 m，節間采用內套管連接，內套管采用Φ390 mm×10 mm鋼管，與管幕鋼管的連接則采用在鋼管上開80 mm×20 mm槽，與內套管塞焊以增強鋼管連接處強度（圖3）。

圖3 管幕鋼管連接及構造

5.1.3 管幕布置

根據通道位置、長度及土層條件，采用頂部管幕支護，兩側采用逆作擋土墻的形式，兩側擋土墻與工作井及接收井圍護樁植筋連接。管幕鋼管共在頂部布置31 根，間距510 mm（圖4）。

圖4 管幕現場布置

5.2 推進工藝

一般管幕頂管方式有：鉆孔法、夯管法及頂管法[3]。綜合分析，采用鉆孔法施工，但鉆孔法需要一定的鉆機長度及鋼管跟管長度，目前的操作空間無法滿足，故而對鉆孔法需要進行改進，采用先鉆孔后回拉鋼管的形式，且考慮到鉆孔及回拉過程有一定的泥漿損失，需要考慮一定的泥漿防滲漏措施。

5.3 鉆孔泥漿防滲漏措施

考慮到管幕鋼管在水平成孔及回拖階段泥漿有部分損失，可能導致孔壁變形，而保護管線處土體為斜坡，采用傳統的頂管洞口止水裝置無法保證泥漿滲漏，故在成孔時在相應位置設置泥漿套箱，保證孔內泥漿液面始終位于孔位之上，保證孔壁穩定[4]。根據實際施工效果，在部分未設置泥漿套箱而改用黏土圍成的“燕巢”時，其成孔效果也較好，管線未出現較大變形的情況。

5.4 通道兩側逆作擋墻及內部土體開挖

通道的開挖與擋墻逆作相結合，分層開挖后進行擋墻逆作擋土。

由于基坑內空間較小，故土方均采用人工進行開挖，再通過機械將土方運至坑外。

通道內土方分層開挖深度為1.5 m，其余為1 m，共6 次。由于需要預留鋼筋搭接長度，墻體下方開槽70 cm，鋼筋綁扎完成后即進行回填。擋墻制作采用預留喇叭口的形式進行澆注，并設置一定長度預留鋼筋，保證搭接。此外擋墻與兩側鉆孔樁進行連接，采用植筋方式將水平鋼筋與鉆孔樁植筋連接。圖5為通道開挖完成后的實景圖。

圖5 通道開挖完成后現場施工

5.5 實施效果

根據監測結果，從圍護施工至鋼管頂進完成，管線沉降最大僅6.46 mm，開挖完成至底板澆筑完成管線沉降最大處為12.21 mm，滿足管線的保護要求，通道采用管幕法后達到了預期的效果。

6 結語

（a） 本工程采用管幕法施工后，管線位移變化處于允許范圍內，施工過程中沒有對周邊環境造成較大影響。

（b） 管幕法在本工程中的成功運用，表明其不僅可作為隧道開挖的超前支護，也可被運用在城市復雜環境下的地下通道工程中，且其適用范圍十分廣泛。

（c） 管幕法在軟土中采用全封閉的帷幕形式，在硬土層中可根據土層情況采用頂部支護或三側支護的形式，減少工程投入。

（d） 在操作空間較為緊湊區域，可采用成孔后回拖鋼管的形式進行管幕施工在硬黏土層中成孔及回拖時泥漿的微量損失對外界的影響程度較低。