軟弱富水地層地鐵車站新管幕法施工技術*

張 鵬，徐 桃，姚 爭，張亞敏，王 濤，鄭元勛

(1.中國建筑第七工程局有限公司，河南 鄭州 450004； 2.鄭州大學圖書館，河南 鄭州 450001； 3.鄭州大學水利科學與工程學院，河南 鄭州 450001)

0 引言

考慮運營期的客流需求，地鐵工程往往設置在繁華的市中心，導致地鐵建設過程中常常涉及房屋拆遷、地下管線遷改、地面交通導行和綠化遷移等工程前期協調問題。其中任一環節出現問題都會影響工程建設的正常進度且涉及增加額外投資。因此，采用合理的施工方法盡量減少地鐵施工對地面建筑的干擾是地鐵施工領域亟待開展的課題。

管幕法施工最初是通過小口徑頂管支護土體，進而施工大斷面地下空間結構的暗挖施工技術，在國外已有近50年的歷史。管幕法施工于1994年先后在我國香港、臺北、上海、北京得到應用。新管幕法( New Tubular Roof Method，簡稱NTR工法) 是管幕法的一種改進施工方法，該方法在擬建地下工程設定的輪廓位置頂進密排大直徑鋼管，管間連通后在鋼管內和管間預先構筑鋼筋混凝土永久結構，并在其保護下開挖土方、施工內部結構，最終形成地下空間，可有效避免拆遷和減少對周邊環境的影響[1]。新管幕法在我國尚處于推廣階段，目前已在沈陽新樂遺址站[2]、港珠澳大橋拱北隧道[3-4]、太原市迎澤大街下穿火車站通道工程等得到了應用。2019年6月21日，國內首例采用新管幕法施工的太原市迎澤大街下穿火車站通道順利貫通。

近年來，國內外相關學者圍繞新管幕法施工對土體變形、地表及建筑物沉降的影響，地鐵車站新管幕法破壞模式及受力分析逐步開展了一些研究[3-9]。本文以天津地鐵7號線一期工程金緯路站為例，基于理論計算及數值模擬結果，驗證軟弱富水地層新管幕法施工的可行性，并對其經濟性和工效進行對比分析。

1 車站管幕法施工技術

新管幕法主要有以下優點：①安全性好 土方開挖在永久結構保護下完成；取消了分部開挖與支護，可大大減少受力體系轉換次數；變形易控制，沉降小，周邊環境易保護。②快速施工 土方開挖可采用大型挖運設備；取消了臨時支護的支拆工序，大大加快施工速度。③大跨施工 單拱無柱大跨地下空間一次建造成型。該方法主要適用于下穿重要建(構)筑物及既有運營交通線路、對周邊環境保護要求高的地下大空間工程。同時，新管幕法可應用于除硬巖外的多種地層，如砂土、黏土，特別是軟土及飽和砂土地層條件。

1.1 頂管施工方法

車站管幕可采用半包式設置與全包式管幕實現封閉地下水。當車站地下水位較高且土質軟弱，無法實現場地降水時應采用全包式管幕。管幕由若干根鋼管構成，鋼管間距根據具體情況設置。頂管施工可采用若干臺頂管設備實施，施工順序一般采用從下往上對稱施工，工作井內設置可升降式工作平臺(見圖1)[10]，頂管施工流程如圖2所示。

圖1 可升降式工作平臺

圖2 頂管施工流程

1)頂管施工重難點 ①隧道下穿既有公路及既有建(構)筑物，對沉降控制要求高；②軟土地層，刀盤易結泥餅，影響推進效率；③管間距較小，對頂管施工精度要求較高。

2)相應解決措施 ①采用泥水平衡模式，通過控制推進速度及進排漿壓力，有效控制掌子面土倉壓力，減小地面沉降；配置膨潤土潤滑系統，防止卡頓等情況發生，也可填充開挖間隙，減小地面沉降；②采用軟土刀盤，保證大開口率，防止刀盤結泥餅，有效提高推進效率；③采用高精度激光靶式導向系統，確保頂管施工精度。

1.2 加固施工方法

管幕法施工涉及2部分地層加固：①頂管施工時，頂管始發和接收階段采用的加固措施；②管幕法施工時，鋼管間鋼板切割和打開采用的加固措施。

1)頂管始發和接收措施

在軟弱富水地層，特別是高水壓條件下，頂管始發和接收擬采用類似于盾構法的加固措施[11]： ①頂管始發和接收區采用凍結加固，設立加固區范圍；②頂管始發采用鋼套箱始發，如圖3所示；③頂管接收采用鋼套筒接收，如圖4所示；④頂管施工完成后，鋼管與洞門鋼環焊接在一起形成止水。

圖3 鋼套箱

圖4 鋼套筒

2)管幕壁后加固

管幕法施工需要人工在鋼管內切割相鄰鋼管間的鋼管壁，然后焊接鋼板，使鋼管間形成臨時整體，最后在鋼管間綁扎鋼筋、澆筑混凝土形成支撐結構。因此切割鋼管前需采用凍結法對相應地層進行臨時加固[12]。

1.3 管幕內結構施工方法

在管幕壁后加固的前提下施作管幕結構，工人進入鋼管內，人工切割開相鄰鋼管，并焊接相鄰鋼管間的支護鋼板完成鋼管間的空間打開，最后在打開的管幕空間中施作鋼筋混凝土結構[13]。管幕內結構施工流程為：施作頂管→頂管壁后采用凍結法加固→施作拱肋(拱肋寬2m)→施作拱肋間結構(拱肋間距5m)→完成管幕。

2 案例分析

天津地鐵7號線一期工程南起西青區賽達路站，北至河北區喜峰道站，是中心城區南北向骨干線路，一期線路全長約26.5km，共設21座車站。金緯路站位于天津市河北區中山路與金緯路交會處，車站為地下3層，主體結構總長160.00m；標準段基坑寬約22.30m，深約23.2m；盾構段基坑深約25.17m。B出入口及1號風亭為地下2層結構，基坑深約18.91m；C出入口及2號風亭為地下單層結構，基坑深約11.08m。金緯路站工程建設涉及金輝里小區的拆遷，需拆遷1棟7層住宅，拆遷面積為 5 390m2。 拆遷區域正好影響車站管線遷改和交通導行施工，進而影響車站主體施工。

2.1 工程環境

2.1.1水文地質情況

金緯路站現狀地面主要為瀝青路面，局部為廣場、棚戶區，地面高程為3.200m，地表平坦。車站范圍從上至下依次為人工回填土、粉質黏土、局部夾砂質粉土、黏質粉土透鏡體、粉質黏土、砂質粉土。根據GB 50909—2014《城市軌道交通結構抗震設計規范》綜合判定場地土類型為軟弱～中軟土，場地類別為III類。

車站范圍內無河流等地表水，勘察期間測得場地地下靜止水位埋深1.80～2.80m。地下含2道承壓水層，第1承壓水層線與端頭擴大端底板幾乎平齊，與標準段底板相距約2m(水頭大沽標高約為-0.800m)， 對工程施工有一定不利影響；第2承壓水層線標高為-38.000m(水頭大沽標高約為-1.800m)， 位于底板以下約19m，對底板施工影響較小，但對地下連續墻及柱下樁施工有一定影響。

2.1.2周邊環境

基坑西側由南向北依次為老板娘大酒店(距車站主體基坑27.31m)、元吉里小區(距車站主體基坑最近處8.47m)、二美里小區(距車站主體基坑最近處10.30m)；東側由南向北依次為中國銀行河北支行(距車站主體基坑最近處18.15m)、金輝里小區(擬拆遷)、陽光廣場(擬拆遷)、河北區房地產管理局(距車站附屬結構基坑最近處8.39m)。

車站采用管幕法施工需滿足大、小里程端施作工作井的條件。大里程端東側有陽光廣場，面積為4 000m2，存在工作井施作條件。小里程端兩側有元吉里和金輝里小區，且中山路道路狹窄，兩側條件復雜不存在工作井施作條件。但在車站小里程端以南100m位置存在1個30m×30m花園，可提供小里程端的工作井。

2.2 車站尺寸優化設計

2.2.1車站長度

為保證小里程端工作井的實施，確保主體結構實施管幕法的可能性，需加長主體結構；車站大里程端工作井位置不變，小里程端工作井設置在花園位置，車站長度由160m加長至274m，并在花園位置設置出入口和風亭。

2.2.2車站斷面

斷面結構形式由原3層矩形結構優化為2層圓形拱棚結構，如圖5所示。原車站標準段尺寸為寬22.3m、高19.09m，頂板覆土2.97m；圍護結構采用1m厚地下連續墻。優化后結構尺寸為高17.37m、寬25.305m，頂板覆土6.315m，開挖面積354m2；管幕采用28根φ2 000鋼管組成，頂管進尺243m。

圖5 車站斷面形式

2.2.3施工工序

為滿足管幕法施工條件，需提前設置頂管施工的始發井和接收井。結合車站調整后的車站擴大端位置，分別在陽光廣場、花園處設置1個16m×26m×25m工作井。大里程端(陽光廣場處)作為頂管始發井，小里程端(花園處)作為頂管接收井。

1)大里程端始發井施工

根據現場條件，大里程端始發井施工現場能實現寬41m、長74m的施工場地，滿足工作井結構施工和頂管施工。中山路大里程端現場東側實現由南向北兩車道、西側實現由北向南單車道導行，滿足中山路導行，如圖6所示。受工作井影響的中山路相關管線臨遷至基坑兩側導行路下，車站施工完成后回遷，如圖7所示。

圖6 大里程端交通導行

圖7 大里程端管線遷改

2)小里程端接收井施工

根據現場條件，小里程端接收井施工現場能實現寬26m、長40m的施工場地。中山路小里程端施工現場東側實現由南向北兩車道導行，西側實現由北向南兩車道導行，如圖8所示。受工作井影響的中山路相關管線臨遷至基坑兩側導行路下，車站施工完成后回遷，如圖9所示。

圖8 小里程端交通導行

圖9 小里程端管線遷改

2.3 主要受力計算

2.3.1管幕結構受力計算

為驗證修建完成的管幕結構能否滿足土方開挖后的支撐需要，采用MIDAS/GTS進行土方開挖階段的數值分析，模型如圖10所示。管幕結構應力計算結果如圖11所示。由圖11可知，結構最大應力為13.38MPa，符合GB 50157—2013《地鐵設計規范》的要求。

圖11 管幕結構受力應力云圖(單位：kPa)

2.3.2車站抗浮計算

基于GB 50157—2013《地鐵設計規范》，取標準斷面按每延米對車站受地下水影響進行抗浮驗算。

不考慮抗浮措施：

G/γf1≥Ff

(1)

式中：G為車站自重標準值及其上作用的永久荷載標準值(地下水位以下取浮重)之和(kN)；Ff為車站承受的水浮力(kN)，Ff=γwl1l2ht；γf1為重力抗浮分項系數，取1.05；γw為水的重度，可按10kN/m3考慮；ht為設計水位至底板高差;l1為車站截面長度(m)；l2為車站底面寬度(m)。

G=G自重+G覆土=2 850+5 125=7 975(kN)；Ff=γwl1l2ht=10×25.2×1×24.4=6 148(kN)；G/γf1=7 595kN>Ff。車站結構滿足抗浮要求，不需要再額外設置抗浮措施。

2.4 成本對比

結合原車站結構形式和原蓋挖逆作工法，與車站優化后的結構形式和調整后的管幕法工法進行直接成本對比。同時對車站位置涉及管線遷改與房屋拆遷進行費用對比，如表1所示。

表1 管幕法與蓋挖法費用對比 萬元

對比2種工法，單純從施工成本來看，管幕法成本更高，經濟效益不明顯。但綜合考慮管線遷改和涉及拆遷情況等，因管幕法涉及管線較少(只考慮工作井管線)且不需要考慮拆遷，同時考慮到拆遷的不確定性及工期成本等，管幕法施工在工期和總造價方面具備一定的優勢。

2.5 工效對比

因管幕法涉及更多的工法轉換，且各工法間無法實現交叉施工，導致其并不具備工效上的優勢，管幕法與蓋挖法工效對比如表2所示。但考慮到拆遷的不確定性，管幕法可做到及時開工、工期可控，是避免征拆的一個選擇。

表2 管幕法與蓋挖法工效對比 d

3 結語

1)在新管幕法施工過程中存在多次工序交叉，頂管與凍結法加固、凍結法加固與鋼管切割、凍結與管內鋼筋綁扎、混凝土澆筑存在多次工序交叉等不足；且施工節點眾多，存在滲漏水風險，同時施工空間和搶險空間相對狹小。

2)相對其他施工方法(如蓋挖法)新管幕法施工在成本和工效方面不占優勢，但該方法具備不受房屋征拆影響、管線遷改工作量小及工期可控等優點，仍是特殊施工環境下可考慮的地鐵車站施工方法。

3)依據天津地鐵7號線一期工程金緯路站，對地鐵在軟弱富水地層下施工時采取新管幕法施工的可能性進行分析，計算發現，管幕結構受力符合相關規范要求。