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(shù)動(dòng)態(tài)優(yōu)化

汪家雷 （中鐵四局集團(tuán)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(fā)利用，地鐵建造技術(shù)在理論和施工工藝方面有了長(zhǎng)足的發(fā)展[1～4]。在城市繁華地段由于交通不能中斷、管線無(wú)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(guó)在新奧法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的工法，分為洞樁/柱法、中洞法、雙側(cè)壁導(dǎo)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(jìn)技術(shù)為基礎(chǔ)，各單管間依靠連接螺栓在鋼管側(cè)面相連澆筑混凝土過(guò)后形成預(yù)支護(hù)管幕，并作為車站開挖的初期支護(hù)，為典型城市淺埋大跨地下空間支護(hù)結(jié)構(gòu)一體化建造技術(shù)。

管幕洞柱法克服了傳統(tǒng)管幕工法橫向連接薄弱（僅鎖扣）、未能實(shí)現(xiàn)大面積挖及無(wú)法修建超淺埋平頂?shù)热秉c(diǎn)，國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用于沈陽(yáng)地鐵十號(hào)線東北大馬路站暗挖段工程。本文基于原設(shè)計(jì)，從以下幾個(gè)方面對(duì)管幕洞柱法施工技術(shù)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)優(yōu)化與改進(jìn)：

①鋼管頂進(jìn)、管間清土、混凝土灌注關(guān)鍵技術(shù)動(dòng)態(tài)優(yōu)化；

②側(cè)向管幕基礎(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)動(dòng)態(tài)優(yōu)化。

基于以上施工技術(shù)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化，該工程提高了施工安全性、施工效率及施工適應(yīng)性，可為類似地層的相似工程問(wèn)題設(shè)計(jì)或處理提供參考。

1 工程概況

沈陽(yáng)地鐵東北大馬路站總長(zhǎng)226m、寬23m，為十號(hào)線與規(guī)劃遠(yuǎn)期七號(hào)線的換乘車站，車站為雙層三跨平頂直墻島式站臺(tái)車站。

從車站位置、功能要求、工程造價(jià)等方面考慮，東北大馬路站兩側(cè)采用蓋挖法施工，中間43m采用國(guó)內(nèi)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(cè)蓋挖基坑，隨挖隨打暗挖段頂部及側(cè)向鋼管，并挖除鋼管中土體。

②在鋼管內(nèi)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(guò)封堵板預(yù)留灌漿孔，向鋼管內(nèi)灌注混凝土。

③采用超前預(yù)注漿加固地層，臺(tái)階法開挖底縱梁處導(dǎo)洞并施作初期支護(hù)。導(dǎo)洞初支格柵上預(yù)留節(jié)點(diǎn)板，便于后續(xù)導(dǎo)洞間封底格柵連接。先開挖Z1導(dǎo)洞，縱向貫穿。

④從一側(cè)蓋挖基坑臺(tái)階法開挖頂部Z2導(dǎo)洞，采用格柵支護(hù)導(dǎo)洞。

⑤分別施工導(dǎo)洞內(nèi)防水板、底縱梁及部分底板、頂縱梁、鋼管柱。

⑥重復(fù)第三～五步工序，縱向放坡開挖Z3、Z4導(dǎo)洞，導(dǎo)洞開挖過(guò)程中與相鄰的土體進(jìn)行注漿加固處理，注水泥水玻璃雙液漿。分別施工導(dǎo)洞內(nèi)防水板，底縱梁、鋼管柱。

⑦破除上部導(dǎo)洞間格柵，鋪設(shè)防水層，施作中跨頂板。

⑧待頂板達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度80%后，縱向分段開挖站廳層中板底以上土體，施作車站結(jié)構(gòu)邊跨處站廳層，施工中縱梁、中板及站廳層側(cè)墻。

⑨待中板及站廳層側(cè)墻達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度80%后，開挖中跨土體至底板底，施作封底結(jié)構(gòu)并拆除導(dǎo)洞部分結(jié)構(gòu)，施作底板防水層及澆筑底板。

⑩待中跨底板混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度80%后，開挖邊跨土體至底板底，施作封底結(jié)構(gòu)并拆除部分導(dǎo)洞結(jié)構(gòu)，施作底板防水層及澆筑底板。

施作剩余側(cè)墻及頂板防水層，澆筑側(cè)墻與頂板剩余結(jié)構(gòu)。

施作土建風(fēng)道及站臺(tái)板等車站內(nèi)部剩余結(jié)構(gòu)。

圖2 施工步序圖

2 關(guān)鍵技術(shù)動(dòng)態(tài)優(yōu)化

2.1 鋼管頂進(jìn)技術(shù)動(dòng)態(tài)優(yōu)化

鋼管頂進(jìn)效果決定管幕洞柱法中管幕預(yù)支護(hù)體系承載能力，甚至關(guān)系到整個(gè)工法應(yīng)用的成敗。針對(duì)頂管所處地層不均勻性，筆者提出從人工糾偏到半自動(dòng)糾偏動(dòng)態(tài)優(yōu)化過(guò)程。針對(duì)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(bǔ)焊帽檐等形式進(jìn)行糾偏，依據(jù)以上措施的糾偏效果，逐步優(yōu)化改進(jìn)形成半自動(dòng)糾偏設(shè)備。

該設(shè)備是在頂管前端安裝2m長(zhǎng)工具管，工具管和頂管之間采用4個(gè)液壓千斤頂連接。頂進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)4個(gè)千斤頂分別施加不同的液壓實(shí)現(xiàn)工具管在不同方向輕微移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鋼管糾偏，見圖3。

圖3 糾偏裝置

2.2 管間清土技術(shù)動(dòng)態(tài)優(yōu)化

管間部分是管幕結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，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(shí)，并關(guān)系到管幕結(jié)構(gòu)能否達(dá)到設(shè)計(jì)的承載能力和橫向剛度。

圖4 開槽

筆者提出從簡(jiǎn)易人工開槽清理逐漸優(yōu)化到人工側(cè)面開槽與微型水平螺旋鉆、高壓風(fēng)等措施結(jié)合的管間土清理方式。先在鋼管內(nèi)每個(gè)斷面交錯(cuò)布置4個(gè)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(zhǎng)螺旋將管間區(qū)域土體攪拌松散，并結(jié)合高壓風(fēng)清理。

2.3 管內(nèi)（間）灌注混凝土技術(shù)動(dòng)態(tài)優(yōu)化

頂進(jìn)鋼管及相鄰鋼管間混凝土灌注的密實(shí)度直接影響整個(gè)管幕結(jié)構(gòu)的承載強(qiáng)度，筆者提出鋼管內(nèi)與鋼管間填充由普通混凝土優(yōu)化為C30超流態(tài)混凝土，結(jié)合側(cè)面開槽、管兩端封堵等技術(shù)措施進(jìn)行混凝土灌注，見圖5。

圖5 混凝土灌注

3 側(cè)向管幕基礎(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)動(dòng)態(tài)優(yōu)化

側(cè)向管幕腳部需要加固處理以增加整個(gè)管幕體系的承載能力，控制整個(gè)管幕體系下沉。原設(shè)計(jì)方案是將多根鋼管并排連接在一起形成擴(kuò)大基礎(chǔ)，由于底部鋼管頂進(jìn)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(huì)降低管幕端部的加固效果，針對(duì)此種情況，筆者對(duì)側(cè)向管幕基礎(chǔ)施工技術(shù)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)優(yōu)化，提出了側(cè)向管幕底部開挖導(dǎo)洞，洞內(nèi)施作L型基礎(chǔ)的側(cè)向管幕支撐結(jié)構(gòu)，見圖6。

圖6 改進(jìn)后管幕基礎(chǔ)

4 管幕洞柱法施工技術(shù)探討

①整個(gè)管幕體系施工過(guò)程中既作為預(yù)支護(hù)體系又當(dāng)做初期支護(hù)，但現(xiàn)階段對(duì)于支護(hù)與結(jié)構(gòu)一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論還待完善。

②管幕體系依托單根鋼頂管頂進(jìn)技術(shù)為基礎(chǔ)，各管間依靠連接螺栓在鋼管側(cè)面相連澆筑混凝土過(guò)后形成預(yù)支護(hù)管幕。單根鋼管的頂進(jìn)精度直接決定整個(gè)管幕體系承載能力，尤其土體開挖過(guò)程主要是應(yīng)用管幕橫向承載力，頂管與頂管相互位置對(duì)管幕體系的受力影響較大。但是頂進(jìn)過(guò)程頂管的糾偏是施工中的難點(diǎn)，尤其管幕結(jié)構(gòu)的鋼管是含翼緣的，鋼管頂進(jìn)過(guò)程無(wú)法旋轉(zhuǎn)，給糾偏帶來(lái)一定困難，從頂進(jìn)設(shè)備及頂管幾何形狀等方面還需要改進(jìn)。

③管幕體系底部土體開挖過(guò)程主要是應(yīng)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(gè)管幕受力形式，所以管幕布置形式要綜合考慮施工環(huán)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(yù)支護(hù)體系，但是管幕底部還是需要向洞樁法一樣逐層開挖，對(duì)于能夠?qū)崿F(xiàn)大面積開挖，還需要一定改進(jìn)。

⑤施工過(guò)程中鋼管的頂進(jìn)是控制工期的主要階段，如果可以取消部分或者全部側(cè)向鋼管將大大縮短工期。側(cè)向管幕對(duì)于承受豎向力的效果遠(yuǎn)不如樁體的承受效果，整個(gè)工法可以嘗試改進(jìn)成基于水平管幕結(jié)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(jié)合蓋挖順作法

5 結(jié)論

本文從施工安全性、施工效率及施工適應(yīng)性等方面綜合考慮，對(duì)沈陽(yáng)東北大馬路站暗挖段工程的管幕洞柱法施工技術(shù)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)優(yōu)化與討論，得出如下主要結(jié)論：

①提出了鋼管頂進(jìn)從人工糾偏到半自動(dòng)糾偏動(dòng)態(tài)優(yōu)化過(guò)程，研發(fā)了鋼頂管糾偏設(shè)備；

②提出了從簡(jiǎn)易人工開槽清理逐漸優(yōu)化到人工側(cè)面開槽與微型水平螺旋鉆、高壓風(fēng)等措施結(jié)合的管間土清理方式；

③提出了由超流態(tài)混凝土代替普通混凝土，并結(jié)合側(cè)面開槽、管兩端封堵等技術(shù)的管內(nèi)管間混凝土灌注技術(shù)；

④改進(jìn)了側(cè)向管幕基礎(chǔ)形式，提高了管幕體系承載力；

⑤對(duì)管幕洞柱法施工技術(shù)進(jìn)行了探討，闡述了相關(guān)動(dòng)態(tài)優(yōu)化觀點(diǎn)。

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