砂土地層管幕洞柱法修建超淺埋大跨度矩形地鐵車站施工技術動態優化

汪家雷 （中鐵四局集團第五工程有限公司，江西 九江 332000）

隨著城市地下空間的不斷開發利用，地鐵建造技術在理論和施工工藝方面有了長足的發展[1～4]。在城市繁華地段由于交通不能中斷、管線無法遷改等原因，修建暗挖地鐵車站常采用淺埋暗挖法。淺埋暗挖法是我國在新奧法的基礎上進行改進的工法，分為洞樁/柱法、中洞法、雙側壁導坑法等多種施工工法[5-8]。

管幕洞柱法是一種新型修建超淺埋大跨度矩形地鐵車站的施工工法。該工法以單管頂進技術為基礎，各單管間依靠連接螺栓在鋼管側面相連澆筑混凝土過后形成預支護管幕，并作為車站開挖的初期支護，為典型城市淺埋大跨地下空間支護結構一體化建造技術。

管幕洞柱法克服了傳統管幕工法橫向連接薄弱（僅鎖扣）、未能實現大面積挖及無法修建超淺埋平頂等缺點，國內首次應用于沈陽地鐵十號線東北大馬路站暗挖段工程。本文基于原設計，從以下幾個方面對管幕洞柱法施工技術進行了動態優化與改進：

①鋼管頂進、管間清土、混凝土灌注關鍵技術動態優化；

②側向管幕基礎關鍵技術動態優化。

基于以上施工技術的動態優化，該工程提高了施工安全性、施工效率及施工適應性，可為類似地層的相似工程問題設計或處理提供參考。

1 工程概況

沈陽地鐵東北大馬路站總長226m、寬23m，為十號線與規劃遠期七號線的換乘車站，車站為雙層三跨平頂直墻島式站臺車站。

從車站位置、功能要求、工程造價等方面考慮，東北大馬路站兩側采用蓋挖法施工，中間43m采用國內首次使用的管幕洞柱法施工，覆土4m。車站主要處于礫砂、中粗砂地層。

圖1 車站平面圖

管幕洞柱法施工步驟一般可以分為如下12步，見圖2。

①利用新工法暗挖段一側蓋挖基坑，隨挖隨打暗挖段頂部及側向鋼管，并挖除鋼管中土體。

②在鋼管內安裝橫向連接螺栓與縱向架立筋，螺栓安裝完成后，在鋼管兩端安裝封堵板，通過封堵板預留灌漿孔，向鋼管內灌注混凝土。

③采用超前預注漿加固地層，臺階法開挖底縱梁處導洞并施作初期支護。導洞初支格柵上預留節點板，便于后續導洞間封底格柵連接。先開挖Z1導洞，縱向貫穿。

④從一側蓋挖基坑臺階法開挖頂部Z2導洞，采用格柵支護導洞。

⑤分別施工導洞內防水板、底縱梁及部分底板、頂縱梁、鋼管柱。

⑥重復第三～五步工序，縱向放坡開挖Z3、Z4導洞，導洞開挖過程中與相鄰的土體進行注漿加固處理，注水泥水玻璃雙液漿。分別施工導洞內防水板，底縱梁、鋼管柱。

⑦破除上部導洞間格柵，鋪設防水層，施作中跨頂板。

⑧待頂板達到設計強度80%后，縱向分段開挖站廳層中板底以上土體，施作車站結構邊跨處站廳層，施工中縱梁、中板及站廳層側墻。

⑨待中板及站廳層側墻達到設計強度80%后，開挖中跨土體至底板底，施作封底結構并拆除導洞部分結構，施作底板防水層及澆筑底板。

⑩待中跨底板混凝土達到設計強度80%后，開挖邊跨土體至底板底，施作封底結構并拆除部分導洞結構，施作底板防水層及澆筑底板。

施作剩余側墻及頂板防水層，澆筑側墻與頂板剩余結構。

施作土建風道及站臺板等車站內部剩余結構。

圖2 施工步序圖

2 關鍵技術動態優化

2.1 鋼管頂進技術動態優化

鋼管頂進效果決定管幕洞柱法中管幕預支護體系承載能力，甚至關系到整個工法應用的成敗。針對頂管所處地層不均勻性，筆者提出從人工糾偏到半自動糾偏動態優化過程。針對偏移的類型與偏移的成因，先試探使用人工超挖、施加墊板、補焊帽檐等形式進行糾偏，依據以上措施的糾偏效果，逐步優化改進形成半自動糾偏設備。

該設備是在頂管前端安裝2m長工具管，工具管和頂管之間采用4個液壓千斤頂連接。頂進過程中，通過4個千斤頂分別施加不同的液壓實現工具管在不同方向輕微移動，實現鋼管糾偏，見圖3。

圖3 糾偏裝置

2.2 管間清土技術動態優化

管間部分是管幕結構的薄弱環節，管間殘留土的清理影效果影響后期管間混凝土能否灌注密實，并關系到管幕結構能否達到設計的承載能力和橫向剛度。

圖4 開槽

筆者提出從簡易人工開槽清理逐漸優化到人工側面開槽與微型水平螺旋鉆、高壓風等措施結合的管間土清理方式。先在鋼管內每個斷面交錯布置4個孔，尺寸為100×200@1000mm（見圖 4），先采用人工清土，如遇到不便于清理的殘土，采用微型長螺旋將管間區域土體攪拌松散，并結合高壓風清理。

2.3 管內（間）灌注混凝土技術動態優化

頂進鋼管及相鄰鋼管間混凝土灌注的密實度直接影響整個管幕結構的承載強度，筆者提出鋼管內與鋼管間填充由普通混凝土優化為C30超流態混凝土，結合側面開槽、管兩端封堵等技術措施進行混凝土灌注，見圖5。

圖5 混凝土灌注

3 側向管幕基礎關鍵技術動態優化

側向管幕腳部需要加固處理以增加整個管幕體系的承載能力，控制整個管幕體系下沉。原設計方案是將多根鋼管并排連接在一起形成擴大基礎，由于底部鋼管頂進精度難以控制，如果偏差較大，相鄰鋼管的連接比較困難，則會降低管幕端部的加固效果，針對此種情況，筆者對側向管幕基礎施工技術進行了動態優化，提出了側向管幕底部開挖導洞，洞內施作L型基礎的側向管幕支撐結構，見圖6。

圖6 改進后管幕基礎

4 管幕洞柱法施工技術探討

①整個管幕體系施工過程中既作為預支護體系又當做初期支護，但現階段對于支護與結構一體化結構設計理論還待完善。

②管幕體系依托單根鋼頂管頂進技術為基礎，各管間依靠連接螺栓在鋼管側面相連澆筑混凝土過后形成預支護管幕。單根鋼管的頂進精度直接決定整個管幕體系承載能力，尤其土體開挖過程主要是應用管幕橫向承載力，頂管與頂管相互位置對管幕體系的受力影響較大。但是頂進過程頂管的糾偏是施工中的難點，尤其管幕結構的鋼管是含翼緣的，鋼管頂進過程無法旋轉，給糾偏帶來一定困難，從頂進設備及頂管幾何形狀等方面還需要改進。

③管幕體系底部土體開挖過程主要是應用管幕橫向承載力，但是管幕縱向受力效果更好，并且管幕體系與上部道路汽車行駛方向的角度影響整個管幕受力形式，所以管幕布置形式要綜合考慮施工環境、路面車流方向等因素。

④管幕洞柱法中盡管形成了管幕預支護體系，但是管幕底部還是需要向洞樁法一樣逐層開挖，對于能夠實現大面積開挖，還需要一定改進。

⑤施工過程中鋼管的頂進是控制工期的主要階段，如果可以取消部分或者全部側向鋼管將大大縮短工期。側向管幕對于承受豎向力的效果遠不如樁體的承受效果，整個工法可以嘗試改進成基于水平管幕結合洞樁法及蓋挖順作的工藝的一種組合的施工方法，見圖7。

圖7 管幕結合蓋挖順作法

5 結論

本文從施工安全性、施工效率及施工適應性等方面綜合考慮，對沈陽東北大馬路站暗挖段工程的管幕洞柱法施工技術進行了動態優化與討論，得出如下主要結論：

①提出了鋼管頂進從人工糾偏到半自動糾偏動態優化過程，研發了鋼頂管糾偏設備；

②提出了從簡易人工開槽清理逐漸優化到人工側面開槽與微型水平螺旋鉆、高壓風等措施結合的管間土清理方式；

③提出了由超流態混凝土代替普通混凝土，并結合側面開槽、管兩端封堵等技術的管內管間混凝土灌注技術；

④改進了側向管幕基礎形式，提高了管幕體系承載力；

⑤對管幕洞柱法施工技術進行了探討，闡述了相關動態優化觀點。

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