地下工程支護-結構一體管幕預筑法技術及發展

李積棟， 油新華， 肖龍鴿

(中國建筑股份有限公司， 北京 101300)

0 引言

隨著城市化進程的不斷推進，城市發展與土地資源短缺、城市環境保護之間的矛盾日益突出，開發利用地下空間將是解決大城市資源緊缺問題的必然之路。地下空間開發利用的規模和范圍不斷加大，復雜環境下建造的大斷面地下空間項目將越來越多[1-3]。在大量工程實踐中，暗挖法，特別是淺埋暗挖法，由于對周邊環境的影響相對較小且斷面適應性強，得到了越來越多的應用和發展。但是大斷面地下空間暗挖建造技術按照地層改良—分部開挖—臨時支護—永久結構的順序施工，普遍存在著施工步序多、材料消耗大、變形控制難和安全風險高等問題,迫切需要研發更加安全、高效、環保的暗挖施工方法。

支護-結構一體管幕預筑法基于地層-支護相互作用關系，通過改變開挖—支護—結構施工順序，先施作永久結構后開挖土方，將加固、支護、主體結構合為一體并一次預筑成形，然后開挖內部土方，最后直接形成一種無柱大跨度地下空間結構[4-8]。目前，該技術已納入《管幕預筑法施工技術規范》，但在國內僅在沈陽地鐵2號線新樂遺址站得到了應用，在其他地下工程中的應用仍未見報道。

管幕預筑法采用的施工方法屬于暗挖工法，安全性高，節能環保，對周邊居民的影響和干擾小，滿足市民高品質出行和生活的需要，具有明顯的環境效益和社會效益。

1 支護-結構一體管幕預筑法發展

19世紀70年代，比利時暗挖修建安特衛普中央車站時提出了安特衛普(Antwerp)技術，即沿結構頂板外輪廓向地層頂進一排管段，通過在管內切割形成連通結構的輪廓空間，然后在連通空間內綁扎鋼筋、澆筑混凝土，最終形成結構[9]。其斷面為矩形，跨度為18 m。

19世紀90年代初，Lunardi教授在安特衛普技術的基礎上，提出了管拱技術工法，即沿著隧道結構軸線將管體水平頂入地層，然后沿著隧道縱向一定距離設置環向拱肋，以連接各管道使其具有一定的整體剛性，并將其作為地下結構的主要承載構件[10]。采用此工法成功修建了意大利米蘭市威尼斯地鐵車站，如圖1所示。

圖1 意大利米蘭市威尼斯地鐵車站

19世紀90年代后期，基于管拱技術的思想，韓國完成了若干地下穿越工程，并于2006年采用管幕法(tubular roof construction method, TRCM)和格構拱法(cellular arch method, CAM)成功修建了著名的首爾9號線923地鐵車站結構(如圖2所示)，完成了車站主體橫通道和車站主體拱部的施工。管幕法、格構拱法類似于安特衛普技術和管拱技術，其中鋼管最大直徑為2 000 mm。

圖2 韓國首爾9號線923地鐵車站結構

2009年中國大陸從韓國引進了管幕法技術，在借鑒韓國既有技術和工程案例的基礎上，結合國內標準、規范、具體的工程地質條件以及工程周邊環境特點等，形成了支護-結構一體管幕預筑法，并成功將其應用于沈陽地鐵2號線新樂遺址站，建造了車站橫通道與主體結構。新樂遺址站成為國內首個也是僅有的采用支護-結構一體管幕預筑法建造的地下空間工程[11-14]。沈陽地鐵新樂遺址站如圖3所示。

圖3 沈陽地鐵新樂遺址站

2 支護-結構一體管幕預筑法建造技術

2.1 管幕預筑法原理

支護-結構一體管幕預筑法，與傳統管幕法(管幕僅作為臨時支護結構)不同，管幕既為前期預筑地下永久結構提供支護，也與其他結構共同組成地下永久結構，為地下空間開挖提供支護作用。支護-結構一體管幕預筑法建造地下工程的原理： 采用較為傳統的頂管技術或盾構技術將一簇大直徑鋼管頂推或牽引至地層中，在大直徑鋼管內進行結構施工，并將其連接成設計預想的地下結構外輪廓，然后在成形結構的保護下開挖結構內部地層，并施工內部結構。支護-結構一體化管幕預筑法原理示意圖如圖4所示。

圖4 支護-結構一體化管幕預筑法原理示意圖

2.2 管幕預筑法施工技術

管幕預筑法是在地下結構外輪廓線上構筑管幕結構，管幕結構兼作地層加固、初期支護和永久結構，然后在永久結構的保護下開挖內部土體。

新樂遺址站位于黃河北大街與龍山路交叉口北側，北陵公園西側，沿黃河北大街呈南北向布置，地理位置特殊，周邊建筑物密布，地下管線錯綜復雜。同時，該車站巖土工程條件復雜，結構所處地層屬于第四系地層，土體以中粗砂和礫砂為主，站體基本處于砂卵石地層和潛水中，潛水水位埋深8.5 m，含水層滲透系數高達110 m/d，回填土厚3～6 m。在新樂遺址站利用管幕預筑法成功修建了一種無柱大跨度地下空間結構，車站跨度為26.2 m，高度為18.9 m，斷面面積約為420 m2，覆土厚度為7.6～11.2 m，工后地表沉降為20 mm，實現了單拱、無柱超大地下空間一次建造成形的創舉。新樂遺址站地下空間一次成形建設技術現場如圖5所示。使用該技術可以使地層加固工程量減少60%以上，主體結構模架材料減少90%以上，土方開挖效率提高60%以上，工后最大地面沉降控制在20 mm以內，并可取消臨時支撐的使用。

圖5 新樂遺址站地下空間一次成形建設技術現場

Fig. 5 Once shaping construction technology for underground space in Xinle Site

支護-結構一體管幕預筑法將加固、支護、主體結構合為一體并一次建造成形，改變了傳統暗挖法先加固后支護然后施作主體結構的施工步序。該方法的具體施工歩序為： 1)開挖豎井，建造頂管反力墻及工作平臺； 2)大直徑鋼管分層頂進，邊頂進邊開挖管內土方，并在鋼管間進行注漿止水； 3)進行管內切割，焊接管間鋼板，采用鋼管支撐形成拱形管廊； 4)管內綁扎鋼筋，澆筑混凝土，形成管幕永久結構； 5)在永久結構的保護下，在車站內部大面積分層開挖土方； 6)緊隨土方開挖，依次施工底板、中柱、中板，最終形成完整結構。 支護-結構一體管幕預筑法施工歩序如圖6所示。

2.3 管幕預筑法關鍵技術

采用管幕預筑法在地鐵車站施工過程中，形成了大直徑鋼管長距離頂進技術、管幕空間切割焊接成形技術和狹小空間鋼筋混凝土結構施工技術等關鍵技術。

2.3.1 大直徑鋼管長距離頂進技術

新樂遺址站車站頂進鋼管由兩橫通道分兩頭對頂，各頂進79.5 m，共計159 m。頂進鋼管11層，共21根，第1層鋼管直徑為2 200 mm，壁厚為18 mm；第2層至第10層鋼管直徑為2 000 mm，壁厚為20 mm；第11層鋼管直徑為2 300 mm，壁厚為22 mm。按序號逐層對稱施工鋼管，即首先頂進鋼管1A，然后依次按序號對稱頂進鋼管直至11A和11B。鋼管頂進順序如圖7所示。

(a) 分層頂管(b) 管間土體加固

(c) 管間鋼管切割、焊接與加撐 (d) 襯砌澆筑

(e) 土方開挖 (f) 封底與內部結構施工

1—地層； 2—鋼管； 3—管間注漿液； 4—管間焊接支護； 5—管內混凝土； 6—底板； 7—中板； 8—拱腳注漿； 9—中柱。

圖6支護-結構一體管幕預筑法施工歩序

Fig. 6 Construction sequences of support-structure integral pipe-roofing pre-construction method

圖7 鋼管頂進順序

管幕預筑法施工是通過頂進大直徑鋼管，形成永久結構保護空間，從而完成地下結構的構筑。鋼管具有管徑大、數量多、間距小、排列形式復雜以及受力復雜等特點。鋼管頂進復雜地層時，前段土體易失穩，易引起地表沉降；地層變化時，頂管中線易發生偏移，導致鋼管斷面變形。大直徑鋼管頂進施工現場如圖8所示。

2.3.2 管幕空間切割焊接成形技術

管幕預筑法施工過程中，鋼管頂進到位并完成管周注漿后，在鋼管內進行鋼管切割，切割后將相鄰鋼管連通, 在切割頂部和底部焊接止水和支撐鋼板，用鋼管或型鋼進行支護。鋼管切割采用跳段施工。

圖8 大直徑鋼管頂進施工現場

通過相鄰鋼管的切割、焊接、支護，形成管廊，將頂進的全部鋼管連接起來，形成整個管廊空間，如圖9所示。

圖9 鋼管內的管廊空間

2.3.3 狹小空間鋼筋混凝土結構施工技術

當管廊空間形成后，為了保證管幕結構體系的整體剛度，需在鋼管內搭設鋼筋，但由于作業面狹小，鋼筋下料時需根據管內情況調整下料長度。在管內縱向自內向外進行鋼筋綁扎，以保證鋼筋綁扎精度。管幕內鋼筋綁扎如圖10所示。

圖10 管幕內鋼筋綁扎

管內結構使用免振搗自密實混凝土澆筑。為了保證混凝土密實效果，在每根鋼管頂部架設3根混凝土澆注管，最長的一根用于澆筑混凝土，其余2根作為澆筑時排氣和備用混凝土澆注管。每段結構澆筑時，將混凝土由最長的一根澆注管輸送至結構最深處，然后由內向外逐步擠出混凝土，以提高自密實效果。為避免鋼管頂部出現空洞，澆筑前在鋼管頂部架設1道注漿管，用于混凝土初凝后進行注漿充填。混凝土澆筑示意圖如圖11所示。

圖11 混凝土澆筑示意圖

2.4 管幕預筑法的優點、適用性及局限性

管幕預筑法突破了傳統超大斷面暗挖施工必須將大斷面化為小導洞的分部開挖方法以及先施工初期支護后施工防水、二次襯砌的施工步序，首次做到了先施工主體結構后開挖土方并將加固、支護、主體結構一次建造成形。管幕預筑法將加固-支護-結構一體化，減少了施工工序，避免了受力體系轉換，提高了結構安全；土方開挖在已修建好的主體結構下進行，保障了施工安全，改善了作業環境，提高了土方挖運效率；另外，取消了臨時仰拱和中隔壁以及模板腳手架作業，減少了環境污染和資源浪費，降低了施工成本。

管幕預筑法具有安全性高、無噪音、適應地層廣、對場地要求低、對周圍環境影響小和不影響地面交通等優點，適用于穿越城市公路和鐵路的隧道以及地下大斷面結構物的施工，如地鐵及地下廣場等，且適用于黏土、砂土、礫石及雜填土等各種復雜地層。目前主要采用矩形和拱形斷面形式進行施工。

現階段管幕預筑法存在以下局限性： 1)僅適用于一定長度的暗挖法車站(隧道)； 2)形成管幕的鋼管直徑較大，施工不便； 3)在鋼管內進行鋼筋綁扎作業條件差，混凝土振搗較困難，混凝土外觀較差； 4)永久結構充當臨時支護結構，使得結構設計計算更為復雜； 5)主要結合管周注漿止水，在富水砂層中施工效果不好，易產生滲漏水且注漿成本偏高； 6)外側鋼板防水層焊縫較多，防水層存在漏水隱患，在施工中需要對焊縫進行一定防水處理； 7)整體造價要高于其他工法。

3 支護-結構一體管幕預筑法發展存在的問題

支護-結構一體管幕預筑法是一種全新的地下結構施工方法，與以往地下空間暗挖建造技術施工順序不同，主要采用先施作永久結構后開挖土體的施工順序。該方法取消了傳統大斷面地下空間暗挖施工中的臨時支撐，有效控制了周邊建構筑的沉降，提高了土方開挖機械化程度。但由于該技術在國內首次應用，其設計與施工還存在一定的局限性。

支護-結構一體化管幕預筑法是指地層加固、初期支護或臨時支護、主體結構合并在一起建造成形，與傳統暗挖法的初期支護、防水和二次襯砌的結構體系完全不同，計算模型也不同。設計時主體結構受力計算采用拱殼結構形式，未考慮拱殼內外側管幕對結構受力的影響。因此，應在模型試驗和數值分析以及工程實際案例的基礎上，給出支護-結構一體化的結構模型，并對其受力變形進行理論分析。

采用支護-結構一體化管幕預筑法進行地下工程施工時，大直徑鋼管頂進及鋼管受力分析是重點工作。1)考慮到施工方便和鋼管受力等因素，應對大直徑鋼管的直徑進行優化設計，盡可能地減小鋼管直徑，減少鋼筋用量，并對管幕內現澆結構進行預制化研究； 2)應對鋼管的間距進行優化，一方面可以減少鋼管的數量，另一方面可以保證鋼管頂進過程中不對臨近鋼管產生不利影響； 3)對鋼管預留切割口進行研究，以減少地下管內切割、焊接的作業量，改善施工作業環境； 4)對不同鋼管的頂進方式和頂進設備進行研究，以增加頂進精度，縮短頂進工期； 5)對不同地層的適應性進行研究，進一步研究不同地層中的輔助施工工法。

4 結論與討論

支護-結構一體管幕預筑法是一種全新的地下結構施工方法，與傳統暗挖法的施工順序不同，主要采用先施作地鐵車站的永久結構，然后在永久結構保護下進行全斷面土方開挖的施工順序。

采用支護-結構一體管幕預筑法可大大減少施工工序，避免受力體系的頻繁轉換，提高結構的安全度； 土方開挖在已修建好的主體結構下進行，保障了施工安全， 改善了作業環境，提高了土方挖運效率； 全部取消了臨時仰拱、中隔壁及模板腳手架作業，減少了材料消耗和環境污染，降低了施工成本。

該技術的發展應用有利于國內地下大空間特別是超近距下穿既有線路和建(構)筑物等地下交通樞紐的修建，社會和環境效益顯著，有較大的推廣應用價值。

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