粉細砂地層PBA工法地鐵車站管幕法超前支護施工技術

姚文花

(北京城建軌道交通建設工程有限公司, 北京 100081)

城市地下空間的開發與利用,將會成為城市發展的必然趨勢[1]。隨著中國地鐵工程的快速建設,在建地鐵施工引起的管線斷裂、道路下沉、地表建筑物變形開裂、原有地鐵軌道變形等問題引起社會的廣泛關注,如何對地表建筑物、自然環境、人文環境等進行保護和避免對人民群眾日常生活的干擾[2],迫在眉睫。

傳統的暗挖法利用超前支護易于成拱的原理,輔以注漿、鋼拱架和管棚等措施[3],包括超前錨桿、超前小導管、超前管棚、超前旋噴加固等。王科甫[4]在超前小口徑管幕在廣州地鐵淺埋暗挖隧道中的應用中對這些傳統超前加固方法的局限性進行了闡述,而粉細砂地層具有無黏性、壓縮性小、自穩性差、注漿加固效果差等特點,傳統的暗挖超前支護難以適用。

根據建設工程的實際情況,選用合理的超前支護技術,有利于提升工程結構的穩定性[5]。管幕工法是一種新型地下工程暗挖支護方法,該工法依靠鎖扣進行側向鋼管水平連接形成管排,管排頂進注漿后形成管幕系統,最后在管幕系統的保護下進行土方開挖[6-7]。

管幕支護地質適應能力強,結構剛度大,可提供臨時擋土及止水作用[3],且具有施工精度高、施工噪聲小、振動小等優點[7],同時管幕法施工不受限于斷面形式,操作靈活,可在狹窄空間下運用小型化設備建造復雜斷面的大型隧道,近年來在國內外地下施工中廣泛采用。

楊丹萍等[8]對管幕結構的技術特點及國內外研究現狀進行了闡述。李鐵生[6]在管幕洞樁法地鐵車站設計施工關鍵技術研究中,明確在砂卵石地層管幕法施工技術要點,闡明管幕洞樁法施工對周邊環境和地表沉降影響較小。張小偉等[9]以北京地鐵8號線三期前門站工程為例,提出管幕施工、導洞施工、樁基沉降及后期沉降控制等變形控制關鍵技術。鄔秋實[10]以某地的車站為工程背景,對車站超淺埋管幕施工工序進行了簡述,指出管幕施工質量控制要點。劉軍安等[11]以創源路項目暗挖管廊下穿成都市天府大道為例,闡述了強、中風化泥巖地層中水平螺旋導向擴孔鉆進管幕施工技術。張啟[12]以新機場線草橋站后折返線暗挖區間為例,闡述了砂卵石地層管內出土+導向頂管跟進的方法及質量控制要點。但在粉細砂地層中管幕超前支護施工少有研究。

鑒于此,以北京地鐵12號線薊門橋站為工程背景,提出在粉細砂地層PBA(pile beam arc)工法[即由邊樁、中樁(柱)、頂底梁、頂拱共同構成初期受力體系,承受施工過程的荷載]地鐵車站管幕法超前支護施工技術,為類似粉細砂地層管幕施工提供參考。

1 工程概況

1.1 總體概況

北京地鐵薊門橋站位于北京市北三環中路與西土城路交叉路口處,是地鐵12號線與昌平南延線的換乘車站。

北京地鐵12號線車站,主體結構為三層雙柱三跨連拱直墻斷面,沿北三環路東西向布置,總長246.5 m;地鐵昌平南延線車站,主體結構為雙層雙柱三跨連拱直墻斷面,沿西土城路南北向布置,總長263 m。兩車站采用T型節點換乘,均采用PBA工法施工。

1.2 車站T型換乘節點工程概況

1.2.1 T型換乘節點概況

車站T型換乘節點主體結構為三層雙柱三跨連拱直墻斷面,長度43.5 m,斷面寬度23.7 m,PBA工法(四導洞)。車站T型換乘節點主體結構剖面如圖1所示。

圖1 車站換乘節點剖面圖Fig.1 Cross-section diagram of station transfer node

車站T型換乘節點東側為1號橫通道,1號橫通道初期支護施工完成,內凈空寬4.0 m。

1.2.2 地質及水文地質情況

車站T型節點結構穿越地層自上而下為:雜填土①1層、素填土①層、粉土③層、粉細砂③3層、粉質黏土④層、粉細砂④3層、卵石⑤層、粉細砂⑤2層、粉質黏土⑥層、粉細砂⑦2層、卵石-圓礫⑦層、粉質黏土⑨3層。車站拱頂位于粉細砂④3層。

施工范圍內有兩層地下水,潛水(三)、潛水(四)。本工程地下水處理采用管井降水。

1.2.3 周邊環境情況

車站T型節點結構從薊門橋東橋下方穿過,橋梁基礎距車站拱頂最小垂直距離為8.0 m,為一級風險源。

薊門橋東橋為單孔預應力簡支梁,跨越西土城東側路,南北向長度45 m,東西向跨度26 m,上部結構為預制預應力工型梁,下部結構為現澆混凝土重力式橋臺。

北三環路及西土城路車流量大,同時路下有多種管線,其中一級風險源涉及Φ1 250 mm/Φ1 500 mm污水管線,管線位于西土城路主路下方,南北走向,管底埋深約為6.1～8.8 m,管線接口采用企口連接,管線材質為混凝土,投入使用年代1956年,水流方向由南向北。管內為滿管水量,因修建時間較早,管道內可能存在腐蝕和小的裂縫,管節接頭存在錯縫,可能存在滲漏現象。污水管線位于薊門橋站T型換乘節點的正上方,兩者之間最小凈距3.83 m。

2 風險分析及方案選擇

2.1 風險分析

地鐵薊門橋站T型換乘節點采用PBA工法施工,主體結構為三層雙柱三跨連拱直墻斷面,為自身一級風險源。

周邊環境復雜,道路交通流量大,路下污水管線為環境一級風險源,薊門東橋橋梁為環境一級風險源,地面無注漿加固條件。

車站T型換乘節點拱頂位于粉細砂中,自穩性極差,施工中極易造成坍塌。

2.2 監測控制值

薊門東橋橋梁:橋梁豎向均勻沉降控制值為15 mm;橋臺縱、橫向新增傾斜不大于1.5/1 000。

污水管變形控制要求:沉降量≤20 mm,斜率≤0.002 5,最大沉降速率≤2 mm/d。

車站主體結構導洞結構拱頂沉降設計控制值:沉降不大于20 mm,沉降速率不大于2 mm/d。

2.3 超前預支護方案選擇

2.3.1 方案選擇原則

車站T型換乘節點結構為三層,PBA工法施工過程中各工序轉換多,易造成累計沉降量大。

粉細砂地層礦山法施工,常規注漿超前加固措施,漿液無法均勻擴散,即使加大注漿壓力,也只能產生劈裂注漿效果,漿液常呈片狀或脈狀擴散,很難將粉細砂固結成整體,難以形成封閉承載拱。

為保證車站T型換乘節點施工過程中,初支拱頂下沉控制值與環境風險源控制要求相協調,導洞結構拱頂沉降控制值按照環境風險中沉降控制值最小的進行控制,對施工控制提出更高的要求。

車站T型換乘節點下穿橋梁及多條管線,地面無注漿加固條件。

為滿足施工中各項監測控制值,減小累積變形,車站T型換乘節點長度43.5 m范圍一次性超前支護。

車站T形換乘節點東側1號橫通道,初期支護內凈空4.0 m,施工作業空間有限,施工設備選擇受限。

管幕法超前支護,可適用于任何斷面形式,且可用于砂土、粉土、黏土、軟土等多種地層,在跨度范圍內能獨立承擔其上的全部水土壓力;同時可在狹窄空間下運用小型化設備施工,且施工過程中噪音及振動小,可有效控制地面沉降及對周圍環境的影響。

2.3.2 管幕布設

車站T型換乘節點暗挖導洞拱部施工,管幕法超前支護,單孔支護長度為43.45 m,管幕采用“螺旋出土、套管掘進”工藝施工,從換乘節點東側的1#橫通道內向西沿車站小導洞及扣拱輪廓線外打設一排管幕。車站T型換乘節點導洞拱部管幕布置如圖2～圖4所示。

圖2 管幕布置平面圖Fig.2 Layout plan of pipe curtain

圖3 管幕布置橫剖面圖Fig.3 Cross-section diagram of pipe curtain arrangement

圖4 管幕布置大樣圖Fig.4 General layout of pipe curtain

2.3.3 設備配備

采用2臺管幕鉆機,主要設備配備如表1所示。

表1 機械設備Table 1 Mechanical equipment

3 管幕法超前支護施工

3.1 管幕施工工藝

采用螺旋出土套管掘進施工工藝。管幕施工時,隨著螺旋鉆桿切削土層,實現邊掘進、邊切削、邊出渣。管幕施工工藝流程如圖5所示。

圖5 管幕施工流程圖Fig.5 Diagram of curtain grouting construction process

3.2 管幕施工參數

管幕鋼管規格Φ299×12 mm,Q235B熱軋無縫鋼管。管幕鎖扣材料為L63×40×6 mm角鐵,經裁剪、焊接加工制作,鎖扣等強焊接在鋼管兩側。相鄰鋼管之間中心間距350 mm,4個導洞共95根。管幕從換乘節點東側橫通道向西單側掘進施工,標準管節長度2 m,單根全長為43.45 m,環向間距350 mm。鋼管水平角度入孔,施工中隨鉆測量控制,控制精度0.5%。管幕施工時掘進與管內出土同步,配合適當輔助措施,施工可控制零沉降。鎖扣間鋼管開設注漿孔,管內填充采用微膨脹水泥漿,管內注漿時同步填充鎖扣間隙,管外填充采用水泥-水玻璃雙液漿。

3.3 鋼管加工

3.3.1 管節連接

管節間采用坡口滿焊連接,鋼管單側打設坡口,坡口角度55°±5°,底部留(2±1) mm不剖。施工時,將待頂進鋼管的坡口端與已頂進鋼管的外露端緊密焊接。車站換乘節點同一橫斷面管節連接焊口數量不超過總數量的50%。

3.3.2 鎖扣連接形式

為保證鎖扣連接過渡順滑,按照車站頂部拱形,排出管幕形狀,鎖扣角鋼母扣間距內凈空為112 mm,子扣外凈空為102 mm。角鋼與鋼管間斷等強焊接,即焊縫長度300 mm間隔長度為400 mm。鎖扣連接形式如圖6所示。

圖6 鎖扣連接示意圖Fig.6 Diagram of locking connection

3.3.3 鋼管管口封閉及注漿管安裝

鋼管管口封閉采用圓形封孔鋼板,與鋼管管口焊接封閉。管內填充通過管口焊接的Φ25 mm自來水管注漿,水平方向為注漿口,垂直方向為排氣口兼作觀察孔。管幕鋼管管口封閉及注漿管安裝如圖7所示。

圖7 管幕鋼管管口封閉及注漿管安裝示意圖Fig.7 Diagram of pipe locking connection and grouting pipe installation

3.4 鋼管掘進

管幕施工時,按開挖輪廓線外放50 mm控制。

鋼管位置采用水平管或燈光經緯儀定位,施工位置允許偏差≤2 cm,軸線偏差≤0.3%,成孔長度偏差≤10 cm。

第一根孔為基準孔,其控制精度影響整體管幕的施工精度。基準孔鉆進時,應嚴格進行全程角度測量,并及時進行糾偏。

掘進過程欠土頂進,螺旋鉆桿縮進鋼管長度不小于0.5 m。

在螺旋鉆進過程中,同步進行掘進、糾偏、排渣出土。根據監控量測的結果反饋及排渣出土量比較,如有鋼管掘進軌跡發生偏差或排渣出土量偏差過大,及時進行糾偏或探明情況及時采取處理措施。

3.5 管內注漿

單個導洞上方管幕施工完成后,鋼管尾部設止漿封堵鋼板,并在封堵鋼板上設注漿孔,采用注漿泵向注漿孔內注入漿液。

管內注漿漿液采用單液微膨脹水泥漿,水泥采用P.O42.5普通水泥,水灰比為1∶1,注漿壓力不大于0.5 MPa。采用多次低壓填充,最低壓漿量不小于1.3倍鋼管容積,保證管內固結體充盈。

3.6 管外注漿管布置及注漿順序

管外注漿管采用Φ32×2.75 mm鋼管,沿管幕鋼管母鎖扣一側縱向通長布設并點接牢固。管幕鋼管及注漿管布置如圖8所示。

a～e為管外注漿管;1～5為管幕鋼管圖8 鋼管及注漿管布置示意圖Fig.8 Schematic diagram of Steel pipe and grouting pipe arrangement

a～e為管外注漿管;1～5為管幕鋼管圖9 注漿順序示意圖Fig.9 Schematic diagram of grouting sequence

根據施工沉降監測情況,當發生施工沉降時,通過管幕外注漿鋼管注入水泥-水玻璃雙液漿,注漿壓力不大于0.2 MPa,填充擾動土層縫隙。注漿順序采用隔管注漿, 鋼管掘進及管外注漿順序如圖9所示。

4 施工控制要點

4.1 導向測量及糾偏控制

在導向鉆頭內安裝導向裝置,通過傳感器與鉆尾的顯屏連接,在顯屏上可以實時顯示鉆頭的位置變化,測量人員可根據屏幕上鉆頭的顯示位置,適時調整鉆頭進行糾偏。掘進過程中須勤測量、多微調,從而有效確保后續鋼管施工精度。

4.2 掘進精度控制

管幕鋼管內螺旋鉆桿空腔安裝有測量光源,采用經緯儀跟蹤測量。標準孔施工時,全程進行嚴格角度測量,如有偏差隨時進行糾偏。確保后續施工管幕之間順利咬合。在鋼管兩側鎖扣內,安裝水位測量管,每節測量2、3次并如實記錄數據。管幕施工發現多組測量數據不符,必須拔出鉆具,管內測量真實數值。制定嚴格精度控制標準,當鋼管掘進軌跡臨近偏差控制值必須進行糾偏,每節鋼管施工必須做好施工時間、地質情況、測量數據以及糾偏措施記錄。

4.3 管幕變形控制

管道處安裝自動監控量測裝置,及時準確報送測量數據。在螺旋定向掘進過程中,出土與掘進同步實施,實現管幕自身變形控制。通過測量實際出土量,優化掘進與旋轉出土的速度匹配。管幕掘進過程中,同步擠壓土體并封閉鉆孔,改善周圍巖體的物理力學性質,并降低掘進施工產生的振動。管幕施工完成后,通過管幕外側的注漿管對管幕四周土體進行注漿充填,補償因管幕施工引起的周圍土體的變形。

4.4 施工沉降控制

管幕施工前對地表或建構筑物進行監控量測,管幕施工期間對沉降進行監控和測量,按規范建立預警機制。

為防止管口土體坍塌,禁止將螺旋鉆頭長時間超出管口外旋轉出土,造成出土量過大。施工過程勻速掘進,嚴格控制出土量,并對出土量進行統計和計算,當實際出土量與理論值出現差異,控制實際出土量在理論出土量的95%以內。在掘進過程中,嚴禁通過鋼管向周圍地層內注入大量清水,引起鋼管周圍土體流失。

出土過多時,通過管幕鋼管附帶的外側注漿管及時補償注漿。

根據監測反饋,為控制地層沉降,地表沉降數據在0～-1 mm,采取少量出土的措施;地表沉降數據在-1～-2 mm,通過管幕附帶的外側注漿管向地層內進行注漿填充;地表沉降數據大于-2 mm,停止掘進作業,分析原因,同時對鋼管內及外側注漿管進行全面注漿。

現場必須儲備充足的水泥、水玻璃等應急物資,保證施工安全。

5 施工監測分析

根據《城市軌道交通工程監測技術規范》(GB 50911—2013)中有關監測等級的規定,本工程監測等級為一級。

5.1 監測點埋設布置要求及監測點布置

污水管線沉降監測點采用鉆孔埋設方式,布設于管線的側面,沿管線縱向每4 m布設一點,深度與管線底齊平。污水管線監測點布置如圖10所示。

圖10 監測點布置示意圖Fig.10 Diagram of monitoring point

薊門橋東橋沉降測點埋設采用在重力式承臺上直接鉆孔,每3 m布設一個監測點,埋入“L”形鋼筋,埋入端用水泥或錨固膠與監測對象澆筑連成一個整體,另一端打磨成半圓形,監測時放置銦鋼尺保證測量的準確性。橋梁監測點布置如圖10所示。

5.2 監測數據分析

管幕施工工期14周,共計100 d。根據監測數據,位于T型換乘節點中部的監測點比兩側的監測點,沉降數值明顯較大。污水管線最大沉降點為WSG-05,位于車站T型換乘節點的上方中部,最大沉降值為-14.61 mm。薊門橋東橋東側橋臺沉降較西側橋臺沉降明顯,東側橋臺最大沉降點為QCJ-01-11,位于車站T型換乘節點的上方中部,最大沉降值為-8.31 mm。管幕施工過程中薊門橋東橋東側橋臺及污水管線沉降變化如圖11、圖12所示。

圖11 薊門橋東橋東側橋臺沉降曲線圖Fig.11 Bridge abutment settlement curve diagram of Jimen East Bridge

根據監測數據,T型換乘節點中部比兩側沉降明顯,一方面是由于管幕掘進施工過程中,中部土體受兩側施工擾動的影響時間長;另一方面換乘節點中部道路為主路,車流量大,對地層的振動影響較大。

薊門橋東橋東側橋臺比西側橋臺監測點沉降明顯,是由于1號橫通道暗挖施工時,對臨近的東側橋臺周圍的土體有一定的擾動,同時管幕施工時,機械設備布置在1號橫通道內,距離東側橋臺較近,機械施工振動、管幕施工多次鉆進,對相鄰的東側橋臺產生影響,兩者影響疊加,使東側橋臺沉降數值明顯。

6 結論

(1)PBA法地鐵車站,受地面建構筑物的影響,在主體結構導洞開挖前,在粉細砂地層中,采用管幕法對導洞上方土體進行超前預支護,在初支導洞外側形成一個有一定剛度的殼體,能夠較好地控制施工過程中的整體變形,有效控制地表沉降,保證地面建構筑物的正常使用。

(2)在粉細砂地層,采用“螺旋出土、套管掘進”工藝進行管幕施工,采取控制鉆進壓力、速度及出土量、同步注漿及補漿等措施,對主體導洞上方土體進行預支護,形成一定剛度的管幕,在其保護下,能夠有效保證后續暗挖施工安全,規避采用常規小導管超前注漿帶來的隧道開挖時坍塌風險,避免地層產生較大變形,有效控制地表沉降,確保工程施工安全。