中心城區(qū)管幕法構(gòu)筑地下通道的設(shè)計(jì)與施工

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1. 上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200002；2. 上海市非開挖建造工程技術(shù)研究中心 上海 200002

1 面臨的問題

在中心城區(qū)構(gòu)筑地下通道主要面臨2個(gè)問題[1-4]，即外界的環(huán)境保護(hù)問題及施工空間的綜合利用問題。

1.1 環(huán)境保護(hù)問題

1.1.1 優(yōu)秀建筑、重要管線的保護(hù)

城市的發(fā)展往往以同心圓式向外輻射，在中心城區(qū)往往聚集著較多的優(yōu)秀歷史建筑，以及繁雜的管線系統(tǒng)；歷史建筑年代久遠(yuǎn)，往往以剛性條形基礎(chǔ)、磚砌或磚木結(jié)構(gòu)為主，這種結(jié)構(gòu)體系在地基土發(fā)生不均沉降時(shí)，條形基礎(chǔ)易開裂，木結(jié)構(gòu)連接點(diǎn)易發(fā)生滑移脫落，整體性較差。

城區(qū)的管線由于使用需求的增加，往往十分復(fù)雜，埋深深淺不一，管線的材質(zhì)也主要以剛性管線為主，在接頭部位容易發(fā)生脫落，對(duì)于壓力管線而言危害較大。

1.1.2 土壤、古樹名木的保護(hù)

2016年國(guó)務(wù)院印發(fā)《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》，將土壤環(huán)境保護(hù)上升至一個(gè)國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)劃。在工程施工中，由于工程需要會(huì)施工水泥加固體系、外加劑、重金屬或含有有害物質(zhì)的工程材料，在日積月累的擴(kuò)散過程中與地下水結(jié)合遷移，污染土壤，并影響土壤酸堿平衡，導(dǎo)致古樹名木受到損傷乃至枯死。

1.2 施工空間綜合利用問題

中心城區(qū)由于土地資源有限，施工空間往往受限，而在施工過程中需要面臨材料堆場(chǎng)、加工場(chǎng)地、大型機(jī)械的進(jìn)出場(chǎng)、停靠以及棄土場(chǎng)地等問題。因此在設(shè)計(jì)方案選型時(shí)就需要兼顧施工階段的籌劃，根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)確定施工各個(gè)階段的部署是否能滿足項(xiàng)目要求，從而選取最為合適的工藝。

2 暗挖工藝特點(diǎn)及適用范圍

目前用于地下通道的暗挖工藝主要有矩形頂管、箱涵頂進(jìn)及管幕法，在工藝的選擇上需要針對(duì)工程特點(diǎn)及周邊環(huán)境進(jìn)行選取。

1）矩形頂管是在圓形頂管的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，矩形的通道結(jié)構(gòu)能更充分地利用結(jié)構(gòu)斷面，減少地下掘進(jìn)面積，使工效更大化。矩形頂管目前更多地用于地鐵出入口、地下通道的施工中，采用工廠預(yù)制的管片結(jié)構(gòu)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行吊裝能顯著減少工期，降低造價(jià)，其優(yōu)勢(shì)是顯而易見的。但其缺點(diǎn)也存在：首先需要較大的施工場(chǎng)地，管片及機(jī)頭的體積較大，材料的運(yùn)輸、堆置及吊裝均需要較大的施工場(chǎng)地，工作井尺寸一般也需10 m×8 m；其次在于需要大范圍的水泥土加固，矩形頂管出洞前由于開洞尺寸大，需要大量土體加固，對(duì)土壤的酸堿平衡有較大影響，不利于植株的保護(hù)。

2）箱涵頂進(jìn)是在工作井內(nèi)預(yù)制箱涵，再進(jìn)行頂進(jìn)開挖的一種方式，由于頂進(jìn)時(shí)沒有超前支護(hù)，故對(duì)環(huán)境有一定影響；此外由于采用現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制頂進(jìn)，場(chǎng)地的要求比矩形頂管要求更高，因此在環(huán)境敏感的中心城區(qū)該頂進(jìn)方式已漸漸退出舞臺(tái)。

3）管幕法主要是在地下通道外圍進(jìn)行小直徑鋼管連續(xù)水平頂進(jìn)，鋼管之間利用鎖口形成鋼管帷幕，隨后在帷幕內(nèi)部進(jìn)行土方開挖及支護(hù)，制作通道結(jié)構(gòu)。連續(xù)搭接的鋼管帷幕作為超前支護(hù)抵御外部荷載，并能有效隔斷周邊水土，防止?jié)B流，在起到支護(hù)作用的同時(shí)不影響地面活動(dòng)，后期鋼管帷幕與結(jié)構(gòu)協(xié)同承受外部水土壓力，增加結(jié)構(gòu)使用年限。其優(yōu)勢(shì)在于采用小直徑頂管，故施工空間的要求較低，僅需滿足頂管空間即可（一般比矩形頂管小2 m左右），開洞尺寸較小故可不加固或小范圍加固。在管材的選擇上，目前國(guó)外也已采用預(yù)制混凝土管節(jié)作為帷幕的體系，在造價(jià)上有一定優(yōu)勢(shì)。

在中心城區(qū)，由于面臨環(huán)境保護(hù)問題及施工空間的綜合利用問題，若同時(shí)考慮上述因素，管幕工藝無疑更符合中心城區(qū)地下空間開發(fā)的要求[5-6]，本文結(jié)合上海外灘源某通道工程，對(duì)管幕工藝在軟土地區(qū)構(gòu)筑地下通道的設(shè)計(jì)施工關(guān)鍵技術(shù)作介紹。

3 工程案例

3.1 工程概況

背景工程位于上海外灘，由于地下室上部有一棵古樹無法搬遷，將地下室分為南北2塊，中間采用地下連通道連接（圖1），通道覆土深度約4 m，結(jié)構(gòu)尺寸為8.5 m×5.3 m，長(zhǎng)度為23.4 m，根據(jù)地勘報(bào)告，通道位于②3層黏質(zhì)粉土及④層淤泥質(zhì)黏土層中。

圖1 總平面示意

3.2 環(huán)境概況

古樹位于通道正上方，覆土深度約5 m，古樹有近百年歷史，其根系較為發(fā)達(dá)，可能已在通道范圍內(nèi)。由于綠化部分對(duì)于土壤酸堿度及土體含水量有嚴(yán)格要求，故在施工工藝選擇上應(yīng)避免選用大范圍的水泥加固體、外加劑等材料。在通道西側(cè)鄰近圓明園路，距離地下管線非常近，通道東側(cè)為正在修繕的磚砌結(jié)構(gòu)房屋，環(huán)境條件較復(fù)雜。

另外，由于工程位于外灘區(qū)域，施工空間有限，只能利用地下室的一跨作為工作井及接收井，且通道的施工還需與地下室結(jié)構(gòu)逆作相結(jié)合，以完成世博會(huì)的既定工程節(jié)點(diǎn)。

3.3 工程難特點(diǎn)

本工程在環(huán)境、地質(zhì)及結(jié)構(gòu)自身上均有一定的特點(diǎn)。

3.3.1 環(huán)境復(fù)雜敏感，對(duì)土壤pH值要求高

通道上方的古樹由于根系范圍大，可能已延伸至兩側(cè)地下室區(qū)域，故對(duì)土壤pH值要求高，不能進(jìn)行大范圍的水泥體系加固，并需要保持土體的水位平衡。東側(cè)的圓明園路歷史悠久，下部管線年代久遠(yuǎn)，接頭老化，對(duì)于變形較為敏感；西側(cè)的磚砌結(jié)構(gòu)正在進(jìn)行修繕，差異變形下也容易產(chǎn)生二次開裂。

3.3.2 通道處于高水位軟土層，易產(chǎn)生變形

通道位于黃浦江外灘附近，水位較高，砂層在動(dòng)水作用下容易發(fā)生流砂事故，引起水土流失，造成周邊土體變形，④層的淤泥質(zhì)黏土強(qiáng)度低，易受擾動(dòng)產(chǎn)生變形。

3.3.3 場(chǎng)地狹小，且需與結(jié)構(gòu)同時(shí)逆作施工

場(chǎng)地處于中心城區(qū)，無法提供較大的施工場(chǎng)地，且材料運(yùn)輸也受到道路限制，大型機(jī)械無法進(jìn)出。在工期節(jié)點(diǎn)上，由于該工程作為世博會(huì)的配套項(xiàng)目，工期節(jié)點(diǎn)要求高，通道的施工需要與地下室結(jié)構(gòu)逆作相結(jié)合，故對(duì)通道的施工選型有較大的挑戰(zhàn)。

綜合上述因素，管幕工藝因能很好滿足施工空間、環(huán)境保護(hù)等問題，故該工程最終選用管幕工藝進(jìn)行施工。管幕工藝與結(jié)構(gòu)逆作相結(jié)合在國(guó)內(nèi)外也尚屬首次，需要在設(shè)計(jì)與施工部署上進(jìn)行研究。

3.4 管幕鋼管選型及總體布置

鋼管直徑選型一般考慮以下幾個(gè)方面：鋼管變形、工藝要求、管幕與結(jié)構(gòu)空隙。

鋼管直徑最主要受鋼管帷幕的變形控制，管幕工法設(shè)計(jì)計(jì)算是以管幕的變形為主要設(shè)計(jì)依據(jù)。日本以將地表沉降控制在5 mm左右為目標(biāo)，但上海的軟土地質(zhì)與其性質(zhì)相差較大，以20 mm為控制目標(biāo)。

在軟土地區(qū)，一般采用泥水平衡功能頂管進(jìn)行鋼管推進(jìn)施工，根據(jù)工藝要求，鋼管直徑一般不能小于700 mm，鋼管直徑越大，包圍相同周長(zhǎng)所需的鋼管數(shù)量越少，且所需鎖口接頭數(shù)量也越少。因此在條件允許的情況下，宜采用大直徑的鋼管。

此外，鋼管直徑的選擇還需考慮結(jié)構(gòu)外包尺寸與鋼管帷幕的內(nèi)尺寸之間的空隙，一般將空隙保持在10～20 cm?？障短螅Y(jié)構(gòu)與鋼管間需進(jìn)行大量填充，經(jīng)濟(jì)性較差；空隙太小，鋼管可能侵入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，造成結(jié)構(gòu)不完整。綜合上述因素，本次鋼管采用φ760 mm、長(zhǎng)24.4 m、壁厚12 mm的大直徑鋼管，共46根，鋼管分段長(zhǎng)度根據(jù)工作井的空間尺寸（一個(gè)結(jié)構(gòu)跨度8.6 m）確定為4 m，節(jié)間采用坡口焊連接。

鋼管間鎖口外扣采用∠70 mm×8 mm角鋼，內(nèi)扣采用∠56 mm×8 mm角鋼，嵌入黃油填充，鋼管鎖口間設(shè)置注漿孔，在鋼管推進(jìn)完成后進(jìn)行注漿。

根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸及鋼管尺寸，最終管幕外包尺寸為11.966 m×9.386 m（圖2）。

圖2 管幕橫斷面示意

3.5 管幕洞口止水體系

對(duì)于需要連續(xù)在結(jié)構(gòu)上開洞的管幕工程，止水處理較為繁瑣，洞口由于連續(xù)搭接，傳統(tǒng)的鏡面止水無法施工，且相鄰間鏡面易被破壞。

管幕洞口連續(xù)止水體系的原理為于管幕鋼管推進(jìn)前，在結(jié)構(gòu)外墻處相應(yīng)管幕位置設(shè)置止水橡膠密封板，并采用圓環(huán)壓板及扇形橡膠壓板與結(jié)構(gòu)墻面進(jìn)行連接。在相鄰鋼管施工時(shí)，對(duì)相鄰止水橡膠板間的搭接處進(jìn)行切割，以形成整體，保證相鄰鋼管間的止水性能（圖3）。

圖3 管幕洞口止水

對(duì)于鋼管與結(jié)構(gòu)洞口之間的縫隙，采用在鋼管內(nèi)預(yù)埋注漿管路的方式，在該處進(jìn)行注漿。

3.6 管幕內(nèi)部支撐體系

通道結(jié)構(gòu)內(nèi)部土方采用分段開挖、分段支護(hù)的方式進(jìn)行施工，支撐系統(tǒng)的設(shè)置需結(jié)合鋼管強(qiáng)度變形、支撐吊裝便利性、土方開挖的間距要求等確定。

背景工程支撐系統(tǒng)采用2H400型鋼圍檁及2H400十字支撐系統(tǒng)，間隔3 m，支撐間設(shè)置剪刀撐以保證支撐的整體穩(wěn)定性（圖4）。

第1次開挖前需在洞口處設(shè)置1道支撐體系，以保證第一段土體開挖后，管幕端口位置的懸臂長(zhǎng)度不至于太大，以免引起地下連續(xù)墻及上部土體的沉降位移。

3.7 管幕與結(jié)構(gòu)逆作工況結(jié)合及節(jié)點(diǎn)處理

由于地下室采用逆作法，工期決定管幕的推進(jìn)需要與逆作相結(jié)合，故在結(jié)構(gòu)逆作設(shè)計(jì)及施工階段，均已考慮相關(guān)工況：地下室逆作至地下1層后，完成洞口處的止水板施工，在結(jié)構(gòu)樓板開洞區(qū)域進(jìn)行換撐，分塊開洞開始鋼管頂進(jìn)；地下1層完成后，封閉管幕洞口區(qū)域內(nèi)襯墻，交付建設(shè)單位先行使用；地下室逆作至地下2層，完成止水體系及換撐體系后開始鋼管頂進(jìn)；地下室逆作至地下3層，除止水及水平換撐外，設(shè)置豎向換撐以保證鋼管封閉時(shí)端頭處樓板的豎向支撐。

地下室工程采用逆作法施工，鋼管推進(jìn)順序在設(shè)計(jì)及施工時(shí)按照先頂排及兩側(cè)再底排的施工順序，此時(shí)必須要考慮頂排鋼管施工產(chǎn)生的塑性變形對(duì)下部鋼管的影響。另外，為控制精度，在施工時(shí)設(shè)置基準(zhǔn)管。為減小頂部鋼管施工對(duì)底部的不良影響，在鋼管內(nèi)外設(shè)置洞口圈梁（圖5），既對(duì)洞口進(jìn)行加固，又將鋼管連接為整體。通過與主體結(jié)構(gòu)相連接（圖6），其沉降影響也相應(yīng)減少，洞口圈梁可兼作內(nèi)襯墻一部分，在洞口圈梁內(nèi)預(yù)埋洞口止水體系。

圖5 管幕洞口圈梁布置示意

樓板交界處，由于需要開洞處理，邊幅地下連續(xù)墻接縫處穩(wěn)定性較差，采用臨時(shí)支撐進(jìn)行固定，保證墻體穩(wěn)定性。在工作井及接收井處，由于對(duì)地下連續(xù)墻洞口進(jìn)行切割，地下連續(xù)墻被上下切斷，豎向力傳遞不能連續(xù)，故采用豎向臨時(shí)鋼支撐進(jìn)行換撐。

圖6 管幕與結(jié)構(gòu)連接

圖7 現(xiàn)場(chǎng)通道頂板澆筑示意

3.8 管幕通道加固及土方開挖

3.8.1 通道加固

軟土地區(qū)土體不能自立，在進(jìn)行土方開挖之前應(yīng)先對(duì)該段土體進(jìn)行加固處理，一般采用水平加固方式，但由于漿液受到重力作用，只能形成半圓形，且加固中的漿液壓力必須進(jìn)行釋放，以緩解其對(duì)上部土體的擠壓。

考慮到環(huán)境要求的嚴(yán)格性，在背景工程中采用水平旋噴進(jìn)行加固，加固直徑1.2 m，橫向間距1 m，豎向間距610 mm，呈格柵布置，在施工中應(yīng)控制注漿壓力，并在旋噴孔附近設(shè)置應(yīng)力釋放孔。在施工方式方面應(yīng)從上至下，左、右交替跳躍式成樁，成樁應(yīng)均勻。

3.8.2 通道開挖

土方開挖采用臺(tái)階式分層順序流水開挖，將挖土總坡度控制在60°，總高度上分3個(gè)臺(tái)階4層開挖，上下段土體之間留有寬約1.5 m的平臺(tái)，開挖步距與支撐間距相適應(yīng)，并及時(shí)架設(shè)支撐，在鋼管上預(yù)留吊裝環(huán)以保證支撐的內(nèi)部吊裝。

3.9 結(jié)構(gòu)體系施工

通道澆筑一般按照底板→側(cè)墻→頂板的順序進(jìn)行施工。頂板采用自流平混凝土，從通道一側(cè)向另一側(cè)進(jìn)行澆筑，澆筑采用固定泵，3根主管預(yù)留在管幕鋼管之間，每次向后退一定距離澆筑，在管幕鋼管間預(yù)埋注漿管，待混凝土澆筑完畢后進(jìn)行注漿施工；在澆筑時(shí)及時(shí)觀測(cè)，判斷頂板混凝土是否澆筑到設(shè)計(jì)標(biāo)高，方法為在管幕縫隙中離工作井不同的距離處設(shè)置不同顏色的小球，通過觀察小球是否浮起來判斷混凝土是否澆筑到位（圖7）。

3.10 監(jiān)測(cè)結(jié)果

監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，管幕結(jié)構(gòu)的變形主要產(chǎn)生在土方開挖階段，管幕推進(jìn)施工階段基本無豎向及水平位移。土方開挖階段管幕的變形主要以豎向變形為主，變形主要呈拋物線形，兩頭小，中間大，最大豎向位移發(fā)生在鋼管中間段；內(nèi)部支撐的軸力最大值出現(xiàn)在間距較大的第3道支撐，豎向軸力大于水平向。根據(jù)土體測(cè)斜反映的情況，管幕施工完成至開挖前變形僅2 mm，在開挖完成后土體變形達(dá)到9.8 mm，在結(jié)構(gòu)施工期間達(dá)到最大值13.3 mm，在施工完成后達(dá)到14 mm。其最大位移點(diǎn)均位于地面下3.5～10.0 m附近。該變形區(qū)域從側(cè)面印證了管幕結(jié)構(gòu)的變形主要出現(xiàn)在土方開挖階段。此外，該變形趨勢(shì)也說明結(jié)構(gòu)施工階段對(duì)周邊土體也有一定的影響，淤泥質(zhì)土層對(duì)施工擾動(dòng)較為敏感，不僅需要控制土方開挖對(duì)土體的變形影響，還需控制結(jié)構(gòu)施工中的振動(dòng)對(duì)土體強(qiáng)度的削弱，增加土體的變形。

4 結(jié)語

1）在中心城區(qū)復(fù)雜環(huán)境下，管幕法可有效應(yīng)對(duì)變形控制嚴(yán)格、施工空間小、土壤保護(hù)要求高等問題，更適用于城市地下空間的開發(fā)。

2）背景工程創(chuàng)新性地將管幕與地下室結(jié)構(gòu)逆作相結(jié)合，不僅完成了業(yè)主的既定工期，保護(hù)古樹及周邊管線位移均處于允許范圍內(nèi)，而且施工活動(dòng)沒有對(duì)環(huán)境造成大的影響。

3）在軟土地區(qū)進(jìn)行管幕法施工，應(yīng)注意對(duì)淤泥質(zhì)土層的擾動(dòng)影響，并控制開挖階段內(nèi)部土體的變形，以減少后續(xù)變形量。