新型半包管幕法在地鐵過街通道中應(yīng)用研究

宋鵬杰

（中鐵二十局集團(tuán)第四工程有限公司 山東青島 266000）

1 引言

快速的城市化進(jìn)程對城市空間的需求越來越強(qiáng)烈，“向上”及“向下”的城市立體化發(fā)展是解決城市用地問題的一個重要手段。城市地下空間尤其是地鐵軌道交通開發(fā)時，往往由于線路上方及周圍復(fù)雜環(huán)境的限制或?yàn)榻档蛯Τ鞘协h(huán)境的影響，不得不采用暗挖作業(yè)的方式。此施工方法憑借其對周圍環(huán)境影響小、安全、快速等特點(diǎn)，得到越來越多的工程應(yīng)用［1－3］。針對位于城市主干道下方并下穿多種重要市政管線的軟土地層暗挖過街通道，暗挖工藝的選擇直接關(guān)系到道路、管線和周圍建（構(gòu)）筑物的安全［4－6］。

本文以青島地鐵1號線汽車北站過街通道為背景，對半包管幕法在暗挖過街通道中的應(yīng)用進(jìn)行研究。此過街通道周圍環(huán)境復(fù)雜，上部重慶北路主干道車流量大、地下管線繁多、地下水充沛、出入口及周圍建筑物較多。實(shí)際施工中綜合考慮施工成本、進(jìn)度、安全、質(zhì)量等因素，采用半包管幕法在軟土地層過街通道進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，工程應(yīng)用效果良好［7－9］。半包管幕法的成功應(yīng)用，為軟土地層暗挖過街通道施工提出了新的思路，可為類似工程應(yīng)用提供借鑒。

2 工程簡介及周邊環(huán)境

2.1 工程概況

青島地鐵1號線汽車北站過街通道位于城陽區(qū)重慶北路與仙山東路交叉口南側(cè)，橫穿重慶北路。該過街通道連接青島地鐵1號線汽車北站的A1和A2兩個出入口。過街通道跨越長度為64 m，相對于地面需開挖的基坑寬度為7.1 m，高度為5.77 m，通道橫截面為直墻拱形斷面，通道拱頂埋深為3.9～5.2 m。過街通道平面位置如圖1所示。

圖1 過街通道平面位置

隧道上覆土層主要為粉質(zhì)黏土和雜填土，拱部主要為粉質(zhì)黏土，局部存在砂層及重慶路施工的回填土，洞體需要穿越的土層以粉質(zhì)黏土和砂層為主。其中⑦-1砂土層（含10%～25%黏性土）的中砂～粗砂呈透鏡體狀和層狀，透水性較強(qiáng)，且穩(wěn)定性差，容易變形和坍塌，因此隧道綜合圍巖等級為Ⅵ級。

過街通道底層的地下水位主要為第四系孔隙潛水，主要分布于⑦-1層中砂～粗砂中，地下水主要受大氣降水補(bǔ)給且與場區(qū)南側(cè)的洪溝河水位相近，兩者存在一定的徑流補(bǔ)給、排泄關(guān)系。地下水穩(wěn)定水位埋深為3.50～6.10 m。圖2為地質(zhì)縱斷面。

圖2 地質(zhì)縱斷面

2.2 周邊環(huán)境和地下管線

（1）周邊環(huán)境

過街通道下穿重慶北路，東側(cè)為如家酒店，北側(cè)為重慶路過街天橋，周邊無其他重要建筑物。重慶路過街天橋建于2013年，基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)，天橋?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)橋梁。通道側(cè)穿天橋樁基礎(chǔ)，最近距離9.44 m。如家酒店位于通道開挖工作井東側(cè)，通道開挖前工作井二襯施工完成，對如家酒店不會產(chǎn)生不良影響。

（2）地下管線

重慶北路下方埋設(shè)的管線繁多，涉及給排水、電力及燃?xì)獾裙灿?5條穿插復(fù)雜的管線。過街通道需要橫向穿過該15條管線，其中隧道開挖面距離最近的管線不足1 m，具體位置如圖3所示。

圖3 管線與隧道位置關(guān)系

3 工程重難點(diǎn)分析

過街通道橫穿重慶北路，車流量較大，管幕距重慶北路路面3.6～5.2 m，過街通道開挖沉降控制難度大；通道橫穿重慶北路15條管線，凈空距離小，其中距管幕最近的管線僅0.52 m，管幕施工精度控制要求高；通道埋深淺，圍巖較差，開挖過程中易發(fā)生坍塌，施工難度大。綜上所述，過街通道施工難度較大，需要突破常規(guī)方法采用新型施工技術(shù)及工藝。

4 傳統(tǒng)管幕法

傳統(tǒng)管幕法為暗挖法中的一種超前支護(hù)方式，其采用鎖扣鋼管插入到掌子面前方，封閉后再通過鎖扣注入巖層相應(yīng)的漿體進(jìn)行止水和增強(qiáng)［10－12］。管幕工法一般由始發(fā)井和接收井、鋼管、洞口加固和內(nèi)部土體加固、止水體系、支撐系統(tǒng)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成。該工藝適應(yīng)性強(qiáng)，且對周圍環(huán)境、建筑物、管線等影響較小，特別適用于城市中無法使用盾構(gòu)施工的隧道施工。傳統(tǒng)管幕法通常需要將鎖扣鋼管沿隧道斷面形成封閉空間，并根據(jù)內(nèi)部空間確定內(nèi)支撐形式，如圖4所示。

圖4 傳統(tǒng)管幕法

5 新型半包管幕法

新型半包管幕法在傳統(tǒng)管幕法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，打破鎖扣管道沿隧道斷面形成全封閉空間的理念，鎖扣鋼管僅沿隧道拱部180°范圍設(shè)置。與傳統(tǒng)管幕法相比，具有以下優(yōu)勢：

（1）傳統(tǒng)管幕法為使鎖扣鋼管封閉，工作井一般要超挖3 m以上，在富水軟弱地層施工環(huán)境下，超挖部分的基坑施工止水難度較大，且存在一定的安全風(fēng)險。而新型半包管幕法工作井不需要超挖，僅考慮隧道仰拱至地面部分工作井側(cè)壁止水問題，工作井開挖深度小，工作量少，施工速度快。

（2）傳統(tǒng)管幕法采用鎖扣鋼管沿隧道斷面輪廓全封閉的結(jié)構(gòu)形式，對施工技術(shù)要求較高，尤其是最后一根鋼管頂進(jìn)施工時，受已施工完成的相鄰鋼管位置約束較大，往往出現(xiàn)卡鉆、頂進(jìn)受阻、鎖扣破損等問題，施工難度較大。而新型半包管幕法優(yōu)先施工隧道最頂部第一根鋼管，自中間向兩側(cè)依次施工；第一根鋼管的施工精度控制達(dá)到規(guī)范要求后，后續(xù)管道施工精度通過鎖扣的限制，自然滿足規(guī)范，不會超限，且不存在傳統(tǒng)管幕法經(jīng)常出現(xiàn)的卡鉆、頂進(jìn)受阻、鎖扣破損等問題。

（3）工程量減少，施工成本低。在同等施工條件下，新型半包管幕法的工作量僅為傳統(tǒng)管幕法的1/2左右，施工工作井的開挖深度減少3 m以上，且施工效率大大提高，減少了施工資源的成本投入。經(jīng)分析估算，新型半包管幕法綜合施工成本僅為傳統(tǒng)管幕法的1/3左右。

5.1 新型半包管幕法工程應(yīng)用

汽車北站過街通道根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境特點(diǎn)，與通道銜接的出入口采用明挖法施工，管幕施工可以利用兩側(cè)的明挖出入口作為工作井。出入口凈寬10.7 m，能夠滿足管幕施工設(shè)備和出渣等工作要求。明挖出入口先行施工，回填后的場地開闊，能夠滿足管幕加工、材料堆放等要求。綜合考慮施工成本、進(jìn)度、安全和質(zhì)量等因素后，對傳統(tǒng)管幕法進(jìn)行了改進(jìn)，提出更為經(jīng)濟(jì)可行的半包管幕法進(jìn)行超前支護(hù)。

管幕采用φ299熱軋無縫鋼管，壁厚10 mm，采用Q235-A鋼材。環(huán)向中心管距350 mm，其鋼管的縱向坡度與線路縱坡相同。管幕中心距開挖輪廓線外側(cè)300 mm，每環(huán)布置33根，分別從車站端、過街端明挖基坑兩頭對向打設(shè)，每根長33 m；頂部管幕鋼管采用螺旋法施工，鋼管之間通過鎖扣相互連接成一個整體，并在管內(nèi)及鎖扣處填充水泥漿固化劑。管幕鋼管軸線施工偏差不得超過5 cm。過街通道橫斷面如圖5所示，通道施工步序如圖6所示。

圖5 過街通道橫斷面（單位：mm）

圖6 過街通道施工步序

5.2 應(yīng)用效果分析

（1）管幕精度

為準(zhǔn)確對隧道管幕鋼管進(jìn)行定位，在鋪設(shè)管幕鋼管時，首先確定鉆機(jī)、管幕鋼管與通道軸線、坡度的參數(shù)，然后用全站儀測量定位管幕位置，調(diào)整鉆機(jī)、管幕鋼管就位。在管幕鋼管頂進(jìn)2 m后，用全站儀測量管幕鋼管的方位，如管幕鋼管出現(xiàn)偏移，需通過鉆機(jī)前端的夾拾器修正管幕鋼管的方位。在首根管幕鋼管施工完畢后，需再次用全站儀對其位置進(jìn)行精確測量，以確保后續(xù)管幕鋼管的位置準(zhǔn)確。之后每頂進(jìn)3 m用有線導(dǎo)向儀、激光視頻測量儀或全站儀測量一次，通過鉆桿前端的導(dǎo)向系統(tǒng)及時修正管幕鋼管的走向。

經(jīng)過施工實(shí)踐，兩側(cè)對打的共66根管幕鋼管，每根長度33 m，施工精度最大偏差為45 mm，滿足設(shè)計要求的允許偏差±50 mm的精度限值。

（2）地表沉降

由于過街通道周圍管線及建筑物極為復(fù)雜，為確保測點(diǎn)在施工期間不被破壞，采用窖井形式測點(diǎn)，并采用機(jī)具配合人工方式進(jìn)行施工。此方法使測點(diǎn)以端承＋摩擦的方式直接反映土層和管線變化。

整個過街通道地表沉降監(jiān)測布設(shè)6個精細(xì)化大斷面＋3個標(biāo)準(zhǔn)小斷面，共計78個監(jiān)測點(diǎn)位；在每個重點(diǎn)管線布設(shè)3個測點(diǎn)，管線共計布設(shè)45個測點(diǎn)；在上部天橋橋墩及主梁關(guān)鍵部位布設(shè)5個測點(diǎn)。

對整個過街通道施工全過程進(jìn)行沉降監(jiān)測，地表沉降最大值為8 mm，小于30 mm的控制值要求；有壓管線沉降最大值為3 mm，小于10 mm的控制值要求；天橋橋墩變化值在2 mm以內(nèi)，小于控制值10 mm。

（3）管幕阻隔水效果

過街通道采用半包管幕法做超前支護(hù)，采用CD法上下臺階開挖，其中管幕下部土層止水方式采用半截面注漿加固方式。通過觀察和測試，管幕范圍隔水效果較好，僅個別鎖扣出現(xiàn)點(diǎn)狀滴水，絕大部分鎖扣起到了預(yù)期隔水作用。經(jīng)調(diào)查分析，出現(xiàn)點(diǎn)狀滴水的部位，主要是因?yàn)楣苣豁斶M(jìn)施工中，部分渣土擠入鎖扣內(nèi)，后期注漿難于灌注密實(shí)造成。

6 結(jié)論

結(jié)合本工程特點(diǎn)，通過半包管幕法施工工藝和應(yīng)用效果分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）管幕法施工精度可以控制在偏差值50 mm以內(nèi)，適合近距離下穿管線和建（構(gòu)）筑物采用，對管線周圍土體擾動小。

（2）管幕法具有安全性高、強(qiáng)度高、剛度大、隔水強(qiáng)、適用性強(qiáng)等特點(diǎn)，適宜于軟弱地質(zhì)富水層施工，抗地表和管線沉降變形能力強(qiáng)。

（3）半包管幕法在充分發(fā)揮傳統(tǒng)全包管幕法各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)的同時，在合適區(qū)域內(nèi)使用則更為經(jīng)濟(jì)，可在類似過街通道較小截面隧道中推廣應(yīng)用。