新管幕支護結構一體化施工管間切割加固技術*

劉成龍

(1.中鐵十四局集團有限公司，山東 濟南 250014；2.北京城鄉建設集團有限責任公司，北京 100067)

0 引言

新管幕法是全新的暗挖工法，核心思想有異于傳統新奧法，是利用大直徑密集群管頂進施工，形成全部或部分永久鋼筋混凝土結構，在此結構支護下，進行暗挖結構土方大開挖，最終完成全部地下結構[1-2]。目前，新管幕法施工只有少數國家運用較多，而在我國起步較晚，運用量很少，而其優點較多，能很好地適應高度發展的城市化建設需要。隨著城市化快速發展，大量公路、鐵路及水利工程建設中的下穿工程將不斷增加，新管幕法也將得到更廣泛應用[3]。

在新管幕法施工中，張鵬等[4]、任高峰等[5]以拱北隧道曲線管幕工程為依托，總結復合地層、高地下水壓力及苛刻的周圍環境下曲線頂管管幕施工關鍵技術；朱正國等[6]通過對施工效應進行模擬分析，預測車站施工引起的既有隧道沉降量，確定合理的管幕預支護參數和作用效果；劉國生[7]總結了群管頂進技術在沈陽地鐵2號線新樂遺址站風道中的應用；郭勇[8-9]研究了大直徑管幕首次下穿特級火車站微擾動施工技術。

1 工程概況

1.1 項目概況

太原市迎澤大街下穿火車站通道建設工程是迎澤大街東延的控制性工程，是太原市向東拓展的主通道之一。迎澤大街在太原火車站前分為上、下行，分別從車站南、北兩端下穿。通道平面采用直線形，垂直下穿站場股道。分為南、北2個通道，北通道管幕段全長102.5m，南通道管幕段全長107.5m。

1.2 管幕段概況

管幕法下穿特級火車站屬于國內首次，南、北通道管幕段各需頂進20根直徑2 000mm、壁厚20mm鋼管，管間距為165～235mm，鋼管頂進完成后進行鋼管切割支護焊接、結構鋼筋綁扎、混凝土澆筑施工。道路等級為城市次干路，為兩孔單向四車道，通道凈高設置為4.5m。管幕段結構全寬18.2m、全高10.5m，設計車速近期為30km/h、遠期為50km/h。管幕段橫斷面如圖1所示。

圖1 管幕段橫斷面

1.3 管幕鋼管切割原理

管幕暗挖段施工為重難點，采用新管幕法施工，即采用頂管機下穿鐵路并敷設鋼管，沿隧道結構線形成1圈鋼管幕，然后在鋼管內分段分區切割鋼管，橫向澆筑鋼筋混凝土襯砌，在隧道開挖前形成穩定的鋼筋混凝土結構，最后開挖中間土體，形成隧道。管幕形式為橢圓形體系，將所有已頂進鋼管進行管間三角區注漿加固，如圖2所示，并進行管間內部切割最終實現管間互連，形成一個整體結構。注漿加固主要采用徑向高壓旋噴樁加固。所有管間三角區注漿加固完成后，進行管間切割，采用氣爆切割與等離子切割相結合的方式，并將整個切割過程分2次。鋼管第1次切割在本結構段內由里向外依次跳作，每次嚴格按規定尺寸(長1.4m、高1.2m矩形)切割；第2次切割在本結構段內由里向外依次將第1次未切割的地方進行切割，切割尺寸為長1.0m、高1.2m矩形。切割時先沿主體縱向切割，然后再沿垂直方向切割。切割跳作步序如圖3所示。

圖2 管間三角區加固范圍示意

圖3 切割跳作步序

2 管幕鋼管切割關鍵施工技術

2.1 施工準備

臨時鋼支撐采用φ180×40鋼管，2節臨時支撐總長度≤1.5m，中間預留50t千斤頂空間，兩端焊接300mm×300mm×20mm弧形鋼板，如圖4所示。

圖4 臨時支撐示意

永久支撐規格為φ114×5.5鋼管，兩端支護墊鋼板尺寸為160mm×160mm×10mm，支護墊鋼管尺寸為φ98×4×40，永久支撐長1.25m，支撐內填充C25微膨脹細石混凝土。永久支撐及支護墊如圖5所示。

圖5 永久支撐及支護墊示意

將切下的弧形鋼板用壓板機壓至平整，隨后根據鋼板下料技術交底用石筆在壓好的鋼板上畫好尺寸，由焊工將不同尺寸鋼板用等離子切割機切下，并存放好。待管幕段區域切割完畢后將鋼板運入，嚴格把握鋼板尺寸，兩側各超出切割面2cm，以備補充焊接。

2.2 三角區加固

鋼管切割施工前，對鋼管間三角區土體進行管內徑向旋噴加固[10]，單側徑向旋噴樁φ600@550mm(見圖6)，對側水平旋噴樁沿鋼管縱向交錯布置，其中A1和A20，A7和A8，A10和A11，A17和A18鋼管間外側三角區旋噴樁加固長度為1.5m，其他管間三角區旋噴樁加固長度為1m。經過旋噴加固的土體應有很好的均質性、自利性。土體加固施工流程為：根據測量隊測量放樣鋼管切割線，先用薄壁金剛鉆對鋼管進行鉆孔，鉆機就位后，調平、對孔鉆機，調整樁機垂直度，保證鉆桿與樁位一致，偏差應在50mm以內，鉆孔垂直度誤差≤0.5%。鉆孔前應調試空壓機、泥漿泵，使設備運轉正常；校驗鉆桿長度，并用紅油漆在鉆桿上標注深度線，保證孔深滿足要求，孔口安裝密封膠圈，運行設備旋噴加固。

圖6 三角區加固示意

2.3 測量放線

切割前進行測量放線，要保證一定精度。測量放線由項目部測量隊實施，實行換手測量制度，確保測量放線準確。對測量儀器進行定期校核，保證儀器精度，有異常及時發現。測量放線時保證光線充足，對管內光線較暗處適當安排燈光照明。

2.4 臨時支撐安裝

1)測量員放出切割點后，根據點位拉出切割線，且定好切割1.4，1.0m區域。

2)根據切割區域將臨時支撐(切割1.4m區域需臨時支撐，切割1.0m區域無需支撐)立在所要切割區域兩側，并用千斤頂頂實。

2.5 鋼管切割

1)鋼管切割[11]嚴格按切割線(先切割1.4m區域，待1.4m區域安裝焊接完畢后方可切割中間1.0m區域)進行，保證切割線平直，無鋸齒。

2)嚴格控制鋼板切割縫處切線質量，以保證焊接質量。

3)第1次切割長度為1 400mm，第2次切割長度為1 000mm，鋼管采用氣動碳棒切割，雙側鋼管同時切割，先沿鋼管豎直方向切割，后沿水平方向切割，切割完畢后采用等離子切割機進行切口整平及焊接剖口打設施工，剖口為30°，常規段鋼管切割如圖7所示，角部鋼管切割如圖8所示。

圖7 常規段鋼管切割示意

圖8 角部鋼管切割示意

2.6 鋼管間核心土開挖

1)人工配合電鎬及鐵鍬盡快破除裸露土面，減少土體暴露時間，由推車運出洞外。

2)拆卸所切割區域兩側鋼板，并將鋼板運出洞外，同時將下好料的鋼板運進洞內。

3)連接鋼板安裝部位超挖量≤5mm。

2.7 砂漿找平及鋼板安裝

1)拌好的砂漿(砂、水泥配合比為2∶1)由推車運進洞內，上部鋼板由升降小車配合千斤頂頂至一定距離，將拌好的砂漿放入，填實充分，壓緊鋼板，將鋼板利用電焊點上。

2)下部將砂漿抹平后放入鋼板，為防止變形，利用千斤頂將上、下鋼板頂至密合，并進入下一環節鋼板焊接。

2.8 永久支撐安裝

1)鋼板安裝后，進行支護安裝，支護縱向間距為1 200mm，橫向間距為430mm，畫好線后進行安裝。

2)永久支撐支護墊內要填充灌漿料，后將支護墊扣在永久支撐上，移至畫線區域，進行點焊。

3)4個(角部處為6個)永久支撐安裝完畢后，進行再次量距，符合后進行支護滿焊，焊縫高度要求為8mm。

2.9 鋼板焊接

1)鋼板安裝完畢后，用鐵刷等徹底清除焊接面水分、鐵銹、油污、灰塵、油漆等，防止對焊接產生不良影響，先將所有焊縫進行一次焊接。

2)為減小焊接應力及變形，應采用合理焊接順序，使焊接熱量分布均勻。

3)焊接作業時，為達到好的焊接效果，須選定合適焊條、焊接電流及焊接速度。

4)焊縫高度要求為12mm，臨土面內側焊縫待土體開挖完成后進行后期補焊，焊縫高度為8mm。

5)焊接作業中，待鋼板焊接、支護焊接完成后方可取下千斤頂，進行后續工序。

6)待1個窗口全部焊接完成、焊縫表面打磨光滑后，方可拆除臨時支撐，卸下千斤頂移至另一個窗口。

3 施工注意事項

1)鋼管采用氣動碳棒切割及氣割，鋼管第1次切割在本結構段內由里向外依次跳作。每次嚴格按規定尺寸切割。切割時先沿主體縱向切割，然后再沿垂直方向切割。

2)鋼管先由一側切割，另一側暫不切割。一側切割完成，鋼板拆除后在一側進行管間挖土。管間挖土時固定鋼板挖土面暫保留部分土體不挖。待一側管間挖土完成后進行另一側鋼管切割。另一側鋼管切割完成后，挖土修邊，但鋼板安裝部位不得超挖。

3)鋼管切割完成后，管間貫通部位要及時焊接連接鋼板，減少土體暴露時間。鋼管切割分為2次，鋼板設置依次分2次進行。

4)管間土體開挖完成后立即進行支護，安裝鋼板。安裝鋼板時，對超挖部分采用砂漿充填，保證鋼板與土體密貼。安裝支護過程中，必須用千斤頂作為臨時支撐，直至鋼板焊接、支護鋼管安裝完畢。

5)采用千斤頂作為臨時支撐后，嚴格按圖紙要求進行焊接。鋼板與鋼管交接處、支護鋼管與鋼板交接處、鋼板與相鄰鋼板交接處等必須滿焊。焊接時要嚴格保證焊接質量，不得出現夾渣、咬邊等質量缺陷。

6)本結構段內管間第1次切割完成后，安排進行第2次切割，第2次切割要求與上述相同，另需控制好第1，2次切割鋼管連接處焊縫質量，焊縫高度要求為8mm。

7)部分支護鋼管與固定鋼板非垂直設置，兩者成一定夾角，現場安裝時采用角規檢查角度，提前加工，以便使用。

8)鄰近洞口處鋼管二次切割時，必須待旁邊洞口二次切割鋼管支護完畢后，方可進行。鋼管切割、焊接時保證管內正常通風，保持空氣清新。鋼管切割時加強監控量測，保證施工質量安全。

9)管間土體開挖完成后立即進行支護，安裝連接鋼板。外側連接鋼板作為結構防水的第1道防線，鋼板與鋼管間焊縫、鋼板第1，2次設置間焊縫質量須滿足設計強度要求。連接鋼板尺寸應根據現場鋼管切割后具體尺寸設置，但必須確保鋼板設置達到設計要求。連接鋼板安裝部位超挖量≤5mm，對超挖部分采用砂漿充填，保證鋼板與土體密貼。

10)連接鋼板安裝過程中，必須用千斤頂作為臨時支撐，直至連接鋼板焊接、安裝完畢。支護鋼管在主體結構施工前起支撐穩定管內空間作用，因此，支護鋼管設置應牢固，并垂直設置。焊接時要嚴格保證焊接質量，不得出現夾渣、咬邊等質量缺陷。

11)鋼管切割、焊接時采用壓入式通風，風機和啟動裝置安裝在距離管口30m以外的新鮮空氣處，風機將新鮮風流經風管壓送至施工工作面，污風沿鋼管排出。

4 結語

1)管間三角區注漿加固，使漿液與土中水、泥等物質有效凝結，充分固化，極大地控制了變形。

2)臨時支撐+永久支撐的方式，可保證管幕支護結構一體化穩定性及施工質量。

3)切割跳作方式不僅保證了施工過程中的安全性，而且提高了工作效率，縮短了工期。

4)鋼管間切割利用氣爆切割結合等離子切割方式，針對不同切割難度采用不同切割手法，施工質量高，縮短了工期。