管幕法在地鐵施工中的應用研究

鞏森

摘要：管幕法是繼盾構之后而發展起來的一種地下管道施工方法，具有支護強度高、施工精度高、施工速度快、安全可靠等特點，在實際中的應用成效顯著。本文結合北京新建地鐵19號線管幕法施工為例，介紹管幕法施工工藝特點，包括頂進工藝、精度控制、地表沉降控制等方面，為地鐵施工的方案選擇提供新思路。

Abstract： The pipe curtain method is an underground pipe construction method developed after the shield， which has the characteristics of high support strength， high construction precision， fast construction speed， and is safe and reliable， so its practical application effect is remarkable. Combined with the construction of subway line 19 in Beijing as an example， this paper introduces the characteristics of pipe curtain construction technology， including jacking process， precision control and surface subsidence control， which provides a new idea for subway construction scheme selection.

關鍵詞：管幕法；推進方式；精度控制；沉降控制；支撐布置；模擬分析

Key words： pipe curtain method；propulsion method；precision control；settlement control；support arrangement；simulation analysis

中圖分類號：TU753 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）14-0104-04

0 引言

隨著城市地鐵建設興起，地鐵施工引起管線斷裂、道路下沉、地表建筑物及地下構筑物變形開裂、原有地鐵軌道變形、精密儀器運行失常等問題得到廣泛關注。如何降低施工對地表及周邊環境的影響已成為研究熱點。管幕法作為一種新式暗挖方法，其具有支護強度高、施工精度高、安全可靠等特點，國內許多大城市采用管幕法施工地鐵成為一種新方向。

然而，我國目前采用管幕法施工的地鐵及其他項目為數不多，現結合北京地鐵19號線管幕法施工段為例，介紹該工法在該工程中的應用。

1 管幕法介紹

管幕法其施工原理為在始發井與接收井之間，利用頂管機頂進鋼管到土體中，各單管間依靠鎖口在鋼管側面交接形成管排，并在鎖口處注入止水劑，形成超前支護和達到止水效果，然后再采用開挖或頂進等方案進行地下構筑物的施工，如圖1所示。管幕工法一般由以下部分組成： ①始發井和接收井；②鋼管；③洞口加固和內部土體加固； ④止水體系；⑤支撐系統；⑥內部結構。

1.1 管幕法施工步驟

管幕法的施工步序：

①構筑頂管始發井和接受井。

②將鋼管分節頂入土體，鋼管兩側設有鎖口，使鋼管形成相接后成為一個整體。

③在鋼管鎖口處注入止水劑，使漿液充滿整個鎖口間的空隙，達到止水的效果。

④在鋼管內進行混凝土或注漿填充，提高管幕的剛度。

⑤在管幕內進行臺階開挖，隨開挖隨支護，直至始發井到接受井的貫通。

⑥分段澆筑混凝土二襯，根據施工工序逐步拆除管幕內支撐，形成完整結構。

1.2 管幕法特點及適用條件

管幕法屬暗挖法的一種，其本身具有暗挖法的一些優點。同時從應用的工程上看，管幕法特別適合于穿越敷土較淺的繁華街道、上跨或下穿構筑物及既有線、周邊建筑或古樹等需要保護又不適宜明挖及蓋挖的區域，可達到近乎零影響的工程特點。該工法適合地層較多，對粘土、砂土、回填土等土層具有良好適應性，對含卵石及石土層也有一定的適應性，需配合鉆進機具。但相比來看管幕法施工造價并不低，實際工程需要進行多方案對比后方可采用。

對管幕法的特點概括如下：

①管幕施工段對原有地面交通無影響，但其始發井和接收井會占用一定地面空間。

②原有地面管線設施無需遷移和防護，不會中斷供電、供水、供氣的地下管線。

③對周邊建（構）筑物影響很小。

④地下水位對管幕施工的影響，按照工序正常進行即可，原地層水土流失很小，控制沉降效果顯著。

⑤施工進度快，且基本無噪音污染，可連續進行作業。

⑥施工機械可采用小型頂管機械設備，對精度和鉆進速度要求較高。

⑦頂管完成通過注漿加固周圍原土體，是土體更加密實，提高了支護承載力，增加安全性，降低了地面沉降值。

⑧由于采用較多鋼管頂入土體無法回收，故成本相對較高。

⑨由于鋼管間采用鎖扣搭接，且有止水漿和防水材料填充，管幕結構具有較好的防水能力。

1.3 鋼管構造與鎖口方式

因為鋼管優先進入地層，需克服地層阻力，所以對鋼管的剛度一般不能太低。剛度控制一般通過直徑和壁厚進行調整。剛度太大對地層擾動較大，太小則頂入精度難于控制。鋼管布設從施工角度劃分為基準鋼管、轉角基準鋼管和一般連接鋼管。基準鋼管和轉交基準鋼管用于定位，通過量測來確定及調整其余鋼管的頂入位置，以滿足精度要求。如圖2所示，常見的鋼管鎖口方式有以下4種：WL（A）型、WL（B）型、二港灣型、CH型。

2 管幕法施工技術要點

2.1 導向精度控制措施

鎖口管幕施工時先施工標準孔，標準孔通過嚴格地光學測量偏差，然后進行糾偏，可采用糾偏的鉆頭并實時跟蹤測量角度，鉆頭前端的楔形板可以通過直接頂進來改變鉆進軌跡，如圖3所示。標準孔完成后，采用面向角導向方法能高精度且高效地進行管幕的鋼管頂進。再通過合理安排施工的順序，以降低對原土體的擾動，減少塑性區范圍及沉降大小，對于頂管精度的控制可更加精確。

2.2 地表沉降控制措施

2.2.1 工藝上控制

調整頂進速度控制螺旋出砂量，施工過程確保實際出砂量≤理論出砂量，減少對地層的擾動，保證頂管與出渣同時進行。每根管幕鋼管全部頂進后，立即注入水泥漿，以補償地層的松散變形，有效控制地層的擾動變形；頂管施工及注漿過程中要及時跟蹤監測，鉆頭位于鋼管內部邊頂進、邊出土，將管幕鋼管逐段向前頂進，減小沉降。

2.2.2 選擇合適的頂進設備和鋼管

依據地質條件，選擇穩定性較高的頂進設備和轉土方式。針對一般地層，包括黏土、粉土、粉細砂、中粗礫石等，采用楔形板鉆頭切屑土體，螺旋鉆桿旋轉出土方式。針對卵石地層，需采用專門破碎的沖擊擴孔鉆，破碎巖屑隨壓縮空氣排出管外。鋼管布設需采用合理的間距，保證既有利于成孔質量，又不致使空隙過大導致地面下沉。鋼管的撓度與鋼管設計長度及鋼管的直徑有關，在對環境較為敏感的區域，應根據管幕段長度確定鋼管材質及類別，保證鋼管性能指標滿足地面沉降變形要求。

3 工程應用

3.1 工程概況

北京地鐵19號線新發地站～草橋站區間和新發地站～草橋站區間（新機場線）采用管幕法施工，前者簡稱XC區間，后者簡稱JC區間。XC區間左線外包尺寸為7.2m×7.95m，XC區間右線外包尺寸為15.733m×7.95m，JC區間外包尺寸為13.4m×9.8m。上述區間穿越的地層從上到下主要為粉土層、粉細砂層和卵石、圓礫層，土層參數見表1。

3.2 周邊環境概況

XC區間和JC區間管幕段下穿國寺北街道和上跨既有地鐵10號線（M10），街道下埋設有Φ600雨水管、Φ400污水管、Φ400燃氣管道、Φ600上水管道、各類電力及通訊管線等。兩區間（鎮國寺段）均采用管幕法下穿街道、上跨M10線。該段地處北京市南三環附近，路段繁華，交通量大。施工要求既不影響原有交通，保證街道管線完好，又不能對運營的M10線產生不利作用，此為特級安全等級。因此對施工工藝的控制有很高要求，必須保證按照預設位置施工管幕，堅決防止因誤差導致侵入界限或破壞土體平衡。

3.3 工程特點及難點

管幕段施工均穿越街道和上跨地鐵M10線，19號線區間施工長度為46.4m，新機場線施工長度為60m，圖4給出其相對位置關系。XC區間結構外皮距M10線結構外皮最近有66.2cm，覆土4.59m。JC區間結構外皮距M10線結構外皮最近僅33.3cm，覆土3.94m。區間部分地段有上層滯水，水位埋深約12.12m-12.80m，水位標高為30.13m-31.48m。土層以圓礫、砂礫為主，夾粉土及細砂層，圓粒粒徑一般為0.5-2cm，最大粒徑為4cm，區域范圍內水量較小。

因此，施工需格外謹慎，嚴格把關，重點控制以下要點：

①頂入管幕精度嚴格把控。保證管幕結構按設計位置布設，不得侵入街道管線結構及M10線結構。對頂進工藝的導向控制及糾偏措施要求高，這與施工人員的操作水平有很大關系，務必保證人員按流程和儀器規范執行。

②對M10線的影響進行嚴格控制。施工中重中之重就是將施工對既有地鐵的影響降至最低。M10線采用盾構結構，在新線修筑時，因開挖土體使M10線原有土壓力降低，可能導致盾構結構失穩，需增設加固措施以保證M10線結構穩定。

③管幕地層條件為含卵石。我國在管幕法的運用中大都對軟土地層進行了實踐，而對含卵石地層目前國內尚無在砂卵石層成功施作管幕的先例。

3.4 管幕法在工程中的具體應用

3.4.1 管幕周邊土體預加固

在管幕的兩側，預先打入Φ42超前小導管進行注漿加固，注漿范圍為2m土體。注漿的目的主要是增強原土體的承載力和穩定性，同時防止地層滯水在頂管過程中滲出，降低對地面沉降的影響。

3.4.2 本項目管幕法流程

測量放線→設備定位→鋼管加工→頂進出土→跟蹤測量→偏差糾偏→終孔復測→數據分析→移位下一孔。

3.4.3 管幕總體布置

①鋼管構造。

鋼管為D400，壁厚δ=16mm，鋼材為Q235。在D400管內放置鋼筋，填充C30細石混凝土，提高管幕抗彎強度，透過注漿擴散孔可對鋼管周邊土體進行加固。

②管幕橫斷面布置。

JC區間橫斷面外圍尺寸為13.4m×9.8m，寬度方向布設21根D400鋼管，中心間距650mm，高度方向布設共16根D400鋼管，中心間距626mm，XC區間鋼管間距與JC區間相同。

3.4.4 推進工藝

在工作鋼管中穿入鉆頭以及螺旋鉆桿，安裝到頂管機上并連接好，通過液壓泵站使頂管機動力頭旋轉同時配以頂管機的油缸將工作鋼管徐徐頂入土體，作為內管的螺旋鉆桿隨著旋轉，通過螺旋葉片帶出土屑，可通過控制螺旋鉆頭伸出的長短來調節出土量。同時，螺旋鉆頭前端安裝角度傳感器，通過螺旋鉆桿內的信號線連接顯示屏，實時監控頂進角度并通過一定的措施來實現糾偏導向。

該推進工藝具有以下優點：

①安全性高，出土跟頂進是同步進行，鋼管跟土體之間無縫隙，對地層擾動小。

②適用性強，砂卵石、粉細砂、粘土，回填地層也都可以施工，可以靈活改變鉆桿以及機器尺寸，場地條件限制不大。

③精度高，管幕打設精度可以達到正負5cm，點對點鋪設。

④工效快，12小時可完成20m。

3.4.5 鋼管注漿

鋼管頂入施作完畢應及時注漿，注入C30細石混凝土，以增加鋼管的承載能力，降低地表沉降。根據路面的沉降觀測及時補注漿。混凝土灌注時，應精確計算注入量，防止注入過多導致地表隆起。

3.4.6 土方開挖及內部支撐系統

采用分部法施工（如圖5所示），上下臺階法施工。各分部開挖后架立I10工字鋼內襯，并掛網噴射混凝土找平，作為臨時支撐；貼近鋼管面為永久支撐，用來減小鋼管集中應力，并為防水施工提供條件。注漿后管幕經計算其最多可承受6m的壓力，故環向支撐縱向每5m一道，環向采用I28B工字鋼，豎向采用I30C工字鋼，以增加豎向支撐。上臺階支護完成開挖下臺階前，在上臺階設橫向斜撐及縱向斜撐，形成剪刀梁，抑制分斷面支撐的橫向偏載變形。

3.4.7 內部結構施工

二次襯砌初段按4.5m一段，采用跳倉法進行施工，施工至M10盾構區間頂部時設施工縫，分別澆筑左右兩側，避免支撐拆除后M10盾構區間結構隆起；首段二襯完成后，進行下次二襯結構施工。混凝土澆筑前依次拆除支撐結構。

3.4.8 重點保護對象加固

由于上跨M10線，方案中采用錨索對其周圍土體進行加固。通過錨索對M10線周圍土體進行錨固，提供下壓力保持穩定，如圖6所示。

4 數值模擬分析

計算采用FLAC 3D數值模擬軟件進行模擬，該軟件采用有限差分法和混合離散技術求解。模型橫向長度為160m，縱向長度60m，高度為49m，見圖7。模型將地層參數、M10線和管幕段結合在一起，為了簡化建模，將M10線簡化為矩形斷面，寬和高均為6m，管幕段認為均質分布，管幕周圍加固區認為均質。用來模擬開挖第一段5m時的地表位移分布規律、鋼管區域應力分布規律。上部街道荷載，采用公路Ⅰ級，均布力為10.5kPa。

4.1 開挖5m時位移分布規律

從圖8中可以看出，加固區域和管幕側墻的Z向有4～11mm的壓縮變形，管幕頂部有5～7mm的沉降值，管幕側墻中部的Z向變形值較大在11mm左右。

圖9中可以看出，開挖5m時，管幕頂部有7mm的下沉，施工時需及時支護方可限制沉降，越靠近掌子面沉降值越低。管幕底面沉降值基本為零。M10線在地層和管幕結構的作用下有3mm左右的沉降。地面沉降值在1～2mm，已經相當小了。

4.2 開挖5m時應力分布規律

從圖10可得出，開挖5m時管幕區域最大剪應力在2.3kN到25kN之間，靠近地表區域剪應力較大，深度越深最大剪應力有增大趨勢，管幕段外圍區域最大剪應力較低。

圖11中可看出，開挖5m時，管幕段頂部和底部最大剪應力基本相當，管幕段延縱向分布均勻應力值不大，M10線最大剪應力值較小。

5 結束語

①D400鋼管依靠頂管設備將鋼管頂入土層中形成管幕，管幕之間通過注漿相互連接，施工方便快捷。鋼管進入土體同時鉆桿將管內土鉆出，邊鉆進邊頂入，施工快速效果好。注漿透過鋼管預留孔對原土體進行加固，穩定土層，同時鋼管+混凝土結構提高了承載力，降低了因開挖導致土體的擾動，為后期施工提供了可靠的工作環境。

②開挖地表沉降可以很好的控制在5mm以內，管幕段可以有效提供承載力，結構穩定變形小。

③該方法通過強大的管幕預支護和沉降控制措施，降低了對上部街道的影響，有效的控制了地表沉降。同時在管幕的保護下，施工對原有地鐵的影響也顯著降低，安全性和可靠性明顯提高。

④整個施工噪聲低，污染小，對地面的影響小，有利于居民生活、交通和環保。管幕法作為一種新式的施工方法，在地鐵建設中的優勢明顯，是一種安全可靠的方法，在實際工程中具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]孫旻，徐偉.軟土地層管幕法施工三維數值模擬[J].巖土工程學報，2006，28（s1）：1497-1500.

[2]沈桂平，曹文宏，楊俊龍，等.管幕法綜述[J].礦產勘查，2006，9（2）：27-29.

[3]顏振聰.下穿鐵路隧道長大管幕施工精度控制技術[J].福建建筑，2010（2）：113-115.

[4]孫鈞，虞興福，孫旻，等.超大型“管幕-箱涵”頂進施工土體變形的分析與預測[J].巖土力學，2006，27（7）：1021-1027.

[5]沈桂平，華國強，王玨.軟土地層管幕法隧道施工對環境的影響及控制[J].礦產勘查，2006，9（2）：50-53.

[6]馬鎖柱.水平超前支護管幕變形分析[J].礦產勘查，2005，8（11）：60-61.