自由斷面管幕法在飽和軟土地區(qū)桂橋路站地鐵工程的應(yīng)用

朱雁飛, 郭 彥, 潘偉強(qiáng), 趙笑鵬

(上海隧道工程有限公司， 上海 200032)

0 引言

城市快速發(fā)展導(dǎo)致建筑規(guī)模和人口數(shù)量與日俱增，隨之產(chǎn)生建筑空間擁擠、交通道路堵塞、基礎(chǔ)設(shè)施落后等一系列“城市問題”[1-2]。城市地下空間因其顯著的節(jié)地性大大拓展了人類的生存空間，在城市可持續(xù)發(fā)展中得到廣泛的開發(fā)和利用。但隨著地下工程結(jié)構(gòu)形式日趨復(fù)雜，與周圍既有構(gòu)筑物間距逐漸縮小，同時(shí)，人們對生活品質(zhì)的要求日益提升，傳統(tǒng)的明挖法因進(jìn)行地下空間施工時(shí)會(huì)帶來市政管線搬遷、周邊交通繞行、粉塵噪聲污染、綠化景觀破壞等不良影響，已不適用于人口密集、用地緊張的城市中心區(qū)域。因此，在城市中心區(qū)域采用對周邊環(huán)境影響較小的地下工程暗挖施工方法已成為必然趨勢。

管幕法作為一種新型暗挖施工方法，以其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在地下空間開發(fā)利用中得到廣泛應(yīng)用。該方法是在始發(fā)井和接收井之間利用小型頂管將鋼管頂進(jìn)到土體中，各單管之間依靠鎖扣在鋼管側(cè)面相接形成管排，并在鎖扣空隙處注入止水材料隔斷周圍水土，形成超前支護(hù)體系；隨后，在管幕支護(hù)作用下頂推箱涵或開挖土體[3-7]。管幕斷面形式多樣，可為半圓型、圓型、門字型、口字型等，故該方法又稱為自由斷面管幕法。由于后續(xù)開挖土體和箱涵頂進(jìn)都是在管幕保護(hù)下進(jìn)行的，且管幕具有隔離地下水的作用，故該方法施工時(shí)無需降低地下水位，地面沉降可控，加之該方法具有噪聲振動(dòng)污染小，不影響道路、管線等地面及淺層地下設(shè)施的正常使用等特點(diǎn)，因此在國內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用[8-13]。張鵬等[14]假設(shè)泥漿壓力作用下孔壁保持穩(wěn)定，管道與孔壁土體發(fā)生部分接觸，采用協(xié)調(diào)表面Persson接觸模型分析管土接觸角度和接觸壓力分布規(guī)律；魏綱等[15]對長距離頂管管道失穩(wěn)進(jìn)行分析，提出管道失穩(wěn)時(shí)假定接頭處為鉸接的管土相互作用宏觀模型；景路等[16]基于開挖面周圍土體擾動(dòng)分區(qū)，提出了頂管推進(jìn)過程土體變形計(jì)算公式；何爽等[17]基于港珠澳大橋拱北隧道工程，對管幕凍結(jié)法管間凍結(jié)止水效果進(jìn)行分析。

大多數(shù)管幕工程是在砂土、卵石或巖層等較為理想的地質(zhì)條件下完成施工，而以上海為代表的飽和軟土地區(qū)，其土體含水量大、孔隙比高、固結(jié)沉降時(shí)間長、流變塑性顯著，工程地質(zhì)條件復(fù)雜，給管幕法施工帶來極大困難，近年來多采用管幕箱涵相結(jié)合的方式進(jìn)行淺埋地下工程施工[18]。但是，隨著城市快速發(fā)展，土地供應(yīng)日趨緊張，施工現(xiàn)場無法提供箱涵制作及頂推的場地，因此，迫切需要提出一種施工空間要求小，且能適應(yīng)飽和軟土地區(qū)土質(zhì)條件的管幕施工工藝。

本文結(jié)合上海市軌道交通14號(hào)線桂橋路站工程，針對飽和軟土地區(qū)土層特性，開展了帶油脂的外鎖扣管幕頂管頂進(jìn)技術(shù)、軟土地層土體水平加固技術(shù)和管幕內(nèi)土體分層開挖技術(shù)等管幕工法關(guān)鍵技術(shù)研究，以期為后續(xù)類似工程提供參考。

1 工程概況

上海市軌道交通14號(hào)線桂橋路站工程位于上海市浦東新區(qū)王家橋路與曹家溝交界處，其管幕段長100 m，下穿曹家溝，埋深5.4 m，工程平面圖見圖1。開挖斷面寬21.99 m、高7.2 m，由52根大直徑厚壁鋼管組成，其中，橫斷面為口字型的管幕由44根鋼管組成(上排設(shè)置22根直徑為1 m的鋼管、兩側(cè)各設(shè)置4根直徑為1.6 m的鋼管、底排設(shè)置14根直徑為1.6 m的鋼管)，管幕中隔墻處再設(shè)置2列共8根直徑為1 m的鋼管，確保形成的管幕具有強(qiáng)度高、剛度大、承載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。鋼管參數(shù)見表1，管幕立面見圖2。由圖2可知，該工程管幕段主要穿越③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和④淤泥質(zhì)黏土，土層力學(xué)性能參數(shù)見表2。

圖1 工程平面圖

鋼管參數(shù)數(shù)值凈長/m102.8選材Q235b內(nèi)徑/mm960/1 560壁厚/mm20分節(jié)長度/m3.4/6管節(jié)數(shù)量18節(jié)(3.4 m×1+6 m×16+3.4 m×1)連接方式鴛鴦坡口對接焊接

相對于傳統(tǒng)地下工程暗挖施工方法存在地表沉降大、地面凹陷事故頻發(fā)等問題，自由斷面管幕法將地面沉降的風(fēng)險(xiǎn)分散于各小頂管的頂進(jìn)施工中，從而有效減小對地面道路或既有建筑的影響。同時(shí)，已完成的管幕頂管可作為臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)，避免施工過程中發(fā)生塌方等安全事故。

圖2 管幕立面圖(單位： m)

層號(hào)地層名稱重度γ/(kN·m-3)黏聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)靜探Ps/MPa②粉質(zhì)黏土18.62416.50.66③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土17.31216.00.58③夾黏質(zhì)粉土18.4628.51.43④淤泥質(zhì)黏土16.61410.50.61⑤1-1黏土17.01611.50.79

2 帶油脂的外鎖扣管幕頂管頂進(jìn)技術(shù)

2.1 管幕鎖扣密封止水設(shè)計(jì)

由于該工程位于含水量豐富的飽和軟土地區(qū)，為了確保管幕頂進(jìn)過程相鄰鋼管有效連接和隔離內(nèi)外水土，在管幕鋼管上設(shè)計(jì)雌雄接口鎖扣，其中雌接口為T形子扣，雄接口為門式母扣，材質(zhì)均為Q345b。圖3示出管幕鋼管連接形式。鋼管頂進(jìn)時(shí)通過將T形子扣插入門形母扣來將鋼管相互搭接形成整體受力體系，同時(shí)在T形子扣和門形母扣間隙內(nèi)填充管幕鎖扣密封油脂確保管幕的止水性能，其實(shí)物圖見圖4。

圖3 管幕鋼管連接形式

(a) (b)

圖4 帶油脂的管幕鎖扣實(shí)物圖

Fig. 4 Picture of pipe lock with sealing material

管幕鎖扣密封油脂由油脂、纖維、高黏度油和粉料按一定比例混合而成，需達(dá)到方便施工、在T形母槽內(nèi)抗流掛、頂進(jìn)過程損耗少、密封性能佳等綜合性能要求。本工程選用的密封油脂性能指標(biāo)如表3所示。為了解管幕鎖扣的抗?jié)B性能，在鎖扣上方焊接封閉鋼板箱，連接水壓測試管進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，見圖5。試驗(yàn)結(jié)果表明，鎖扣間的油脂抗?jié)B壓力可達(dá)0.2 MPa，實(shí)現(xiàn)頂進(jìn)過程鎖扣縱向止水。

表3 管幕鎖扣密封油脂性能指標(biāo)

圖5 管幕鎖扣抗?jié)B性能試驗(yàn)

2.2 管幕頂管頂進(jìn)精度控制

本工程采用φ1 m的泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)和φ1.6 m的土壓泥水雙平衡頂管掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行管幕頂管施工，其頂管掘進(jìn)機(jī)見圖6和圖7。根據(jù)鋼管位置及頂進(jìn)順序不同，將鋼管分為基準(zhǔn)管、順接管、閉合管和轉(zhuǎn)角鋼管，見圖2。鋼管頂進(jìn)時(shí)，先頂進(jìn)底排左右兩側(cè)基準(zhǔn)管，再同時(shí)逐一頂進(jìn)底排和側(cè)排順接管，待U形管幕頂進(jìn)結(jié)束后，頂進(jìn)上排中心基準(zhǔn)管，然后按由基準(zhǔn)管向兩側(cè)和兩側(cè)向中心的順序頂進(jìn)順接管，最后在閉合管處閉合。頂管頂進(jìn)的總阻力由機(jī)頭迎面阻力、機(jī)頭外壁摩阻力和管外壁摩阻力3部分組成。經(jīng)計(jì)算，上排管幕頂管施工所需總頂力為1 664.1 kN，下排管幕頂管施工所需總頂力為3 456.1 kN。本工程φ1 m的頂管掘進(jìn)機(jī)主頂油缸為3 000 kN，φ1.6 m的頂管掘進(jìn)機(jī)主頂油缸為4 000 kN，其提供的頂力可以滿足頂進(jìn)要求。

圖6 泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)(φ1 m)

圖7 土壓泥水雙平衡頂管掘進(jìn)機(jī)(φ1.6 m)

Fig. 7 Pipe-jacking machine with soil pressure balance and mud-water balance (φ1.6 m)

由于管幕頂管需要依靠鎖扣形成整體受力體系，因此頂管頂進(jìn)時(shí)要嚴(yán)格控制其在水平、高程和扭轉(zhuǎn)方向的頂進(jìn)精度，防止頂管頂進(jìn)過程存在較大偏差，管幕鎖扣角鋼變形、脫焊和碰撞，管幕無法閉合。為此，設(shè)計(jì)了一種新型頂管支架，如圖8所示。頂管支架由前底座、后底座和頂進(jìn)后靠組成。前、后底座包括支架、水平支撐、垂直支撐、導(dǎo)軌架和滾輪裝置。通過調(diào)節(jié)上述裝置可以有效減小因連接誤差、放置誤差、主頂油缸受力偏心等因素導(dǎo)致的頂管姿態(tài)偏差和軸線偏差，從而提高頂進(jìn)精度。同時(shí)，在頂管內(nèi)設(shè)置前后2道鉸接段，分別用于調(diào)整機(jī)頭高程和平面偏差。圖9為頂管雙鉸示意圖。通過“預(yù)判趨勢、提前糾偏、勤糾小糾”，本工程各管幕頂管最大軸線偏差均控制在3.5 cm以內(nèi)。

圖8 新型頂管支架

圖9 頂管雙鉸示意圖(單位： mm)

Fig. 9 Schematic diagram of double hinge of pipe jacking machine (unit: mm)

3 軟土地層土體水平加固技術(shù)

雖然管幕法作為一種新型隧道和暗挖車站施工方法被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外地下工程項(xiàng)目中，但針對流變塑性顯著的上海地區(qū)超軟富水地層在設(shè)計(jì)和施工方面依然存在較多不可預(yù)知的風(fēng)險(xiǎn)和困難。為提高管幕內(nèi)土體強(qiáng)度和剛度，采用P ·O 42.5普通硅酸鹽水泥(水灰質(zhì)量比為0.5∶1，添加0.5%分散劑)對管幕內(nèi)土體進(jìn)行水平MJS(metro jet system，全方位高壓噴射)工法加固。圖10為水平MJS工法加固土體方案縱斷面圖，圖11為水平MJS工法加固土體方案橫斷面圖。由圖10和圖11可知，管幕內(nèi)共施工7排水平MJS工法樁，其中第1排采用直徑為1.4 m的全圓工法樁水平向搭接20 cm加固，第2排和第3排采用直徑為2.4 m的半圓工法樁水平向搭接20 cm加固，剩余各排采用直徑為2.4 m的半圓工法樁不搭接加固。結(jié)合洞門鑿除風(fēng)險(xiǎn)、變形指標(biāo)控制、土體開挖安全性及后期施工便捷4個(gè)方面考慮，土體加固段分為3 m滿堂加固段、24 m強(qiáng)加固段和68 m弱加固段，其中弱加固段按做1.5 m隔1.5 m間隔加固。由于土體加固長度較長，故從南北工作井一同施工。

圖12示出軟土地層土體水平MJS加固工藝流程。由圖12可知，這種適用于軟土地層的土體水平MJS加固工法在傳統(tǒng)水平高壓旋噴加固工法基礎(chǔ)上增加了防噴裝置和地內(nèi)壓力調(diào)整。通過在施工孔口安裝防噴裝置，防止施工時(shí)水、砂以及泥漿從孔口突涌，保證了在地下水位線下開孔作業(yè)時(shí)的基坑安全。同時(shí)，該工法基于地內(nèi)壓力監(jiān)控，通過調(diào)整孔內(nèi)強(qiáng)制排漿量來使地內(nèi)壓力維持穩(wěn)定，有效降低施工過程地表變形的風(fēng)險(xiǎn)，減小對周邊環(huán)境的影響。此外，研制了移動(dòng)式泥漿脫水處理設(shè)備，可對施工過程中產(chǎn)生的廢棄泥漿及時(shí)進(jìn)行脫水處理形成渣土和清水，分離出的清水可用于水泥漿的拌制或施工場地的沖洗，這樣既節(jié)約水資源，改善施工環(huán)境，又使軟土地層土體水平加固施工不受泥漿外運(yùn)排放的影響，確保施工進(jìn)度。

由于水平鉆頭與鉆桿自身重力作用，采用水平MJS工法長距離加固土體時(shí)會(huì)出現(xiàn)旋噴鉆頭偏離水平軸線的現(xiàn)象，導(dǎo)致施工精度難以保證。為克服該問題，研發(fā)了一種糾偏型多孔管水平旋噴鉆頭，見圖13。當(dāng)鉆頭偏斜時(shí)，將鉆頭作相反方向往返擺動(dòng)并向前鉆進(jìn)，通過鉆頭糾偏斜面的超前掘削與阻力作用，使整個(gè)鉆頭段受到反向的作用力，達(dá)到糾偏效果。圖14示出某水平MJS工法樁鉆進(jìn)軸線偏差曲線。由圖14可知，水平MJS工法樁鉆進(jìn)軸線偏差小于25 cm，滿足50 m超長鉆進(jìn)精度控制在1/200以內(nèi)的設(shè)計(jì)要求。其余水平MJS工法樁鉆進(jìn)軸線偏差曲線均和圖14類似，說明上述多孔管水平旋噴鉆頭糾偏效果明顯，可以保證超長水平鉆進(jìn)精度。

圖10 水平MJS工法加固土體方案縱斷面圖

(a) 滿堂加固

(c) 弱加固

Fig. 11 Transverse section profile of MJS soil reinforcement scheme (unit: mm)

圖12 軟土地層土體水平MJS加固工藝流程圖

Fig. 12 Technological process of MJS soil reinforcement method applied in the saturated soft soil area

(a) (b)

圖13 糾偏型多孔管水平旋噴鉆頭

Fig. 13 Horizontal rotary jet drill with function of deviation rectification

為了解該MJS加固體豎向抗壓承載能力，在相同土層試驗(yàn)基坑內(nèi)施工與實(shí)際工程相同的MJS加固體進(jìn)行平板載荷試驗(yàn)，如圖15所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，本工程水平MJS加固處理地基極限承載力不小于300 kPa，滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，對MJS加固體進(jìn)行鉆孔取芯以了解其抗壓強(qiáng)度，結(jié)果顯示，芯樣強(qiáng)度較高，最小6.59 MPa，最大11.41 MPa，平均9.66 MPa。

圖14 某水平MJS工法樁鉆進(jìn)軸線偏差曲線

Fig. 14 Drilling axis deviation curve of a pile constructed by horizontal MJS method

圖15 水平MJS加固處理地基平板載荷試驗(yàn)

Fig. 15 Plate loading test of consolidated foundation by horizontal MJS method

4 管幕內(nèi)土體分層開挖技術(shù)

因?yàn)樵摴こ坦苣粰M斷面尺寸較大，在進(jìn)行管幕內(nèi)土體開挖時(shí)會(huì)存在以下問題： 1)若為減少土體沉降，開挖無支護(hù)長度需設(shè)計(jì)較短，會(huì)導(dǎo)致開挖土方坡度較大，開挖面易坍塌； 2)若為避免開挖面坍塌，需減小開挖土方坡度，延長開挖無支護(hù)長度，則土體沉降明顯，周圍環(huán)境保護(hù)困難。為解決上述問題，本工程采用BROKK機(jī)器人、扒渣機(jī)、自卸式土方運(yùn)輸車和含頂力設(shè)備的叉車按分艙分層、隨挖隨撐方式開挖管幕內(nèi)土體，即利用分艙管將管幕分成若干艙，每艙再分為多層，按“先開挖邊艙、后開挖中艙；先開挖上層、后開挖下層；開挖后及時(shí)設(shè)撐”的原則進(jìn)行土方開挖。圖16示出管幕內(nèi)土體開挖順序。圖17示出管幕內(nèi)土體開挖縱斷面圖。為了避免因管幕內(nèi)土體沉降和支撐安裝間隙引起的鋼支撐不能充分有效發(fā)揮支撐管幕頂管的作用，導(dǎo)致開挖過程周圍土體產(chǎn)生較大變形，研發(fā)了含頂力設(shè)備的叉車，如圖18所示。圖19示出豎向頂力。通過對鋼支撐頂梁和底梁施加豎向頂力來壓實(shí)土體和減小支撐安裝間隙，達(dá)到控制土體沉降的目的。管幕內(nèi)土體開挖完成見圖20。

圖16 管幕內(nèi)土體開挖順序

(a) 開挖上層土方

(b) 開挖下層土方

(c) 全部開挖完成

Fig. 17 Vertical sectional profile of soil excavation inside the pipe-roof

采用自由斷面管幕法進(jìn)行地下工程暗挖施工時(shí)，由于管幕和鋼支撐對土體的共同支護(hù)作用，其地表沉降控制效果良好。地表沉降曲線見圖21。由圖21可知： 地表沉降曲線峰值隨著開挖深度加大依次后移；當(dāng)開挖至土體弱加固段時(shí)，地表沉降曲線出現(xiàn)明顯突變；當(dāng)開挖完成時(shí)，地表沉降量最大，為25.25 mm，且位于弱加固段中心線附近。圖22示出洞內(nèi)拱頂變形曲線。由圖22可知，底排管幕頂管有隆起現(xiàn)象，其拱頂變形曲線峰值隨著開挖深度增大依次后移，開挖完成后，頂管隆起量最大，為6.85 mm。

圖18 含頂力設(shè)備的叉車

圖19 豎向頂力示意圖

圖20 管幕內(nèi)土體開挖完成圖

圖21 地表沉降曲線

圖22 洞內(nèi)拱頂變形曲線

5 結(jié)論與討論

飽和軟土地區(qū)土層含水量大、孔隙比高、固結(jié)沉降時(shí)間長、自穩(wěn)能力弱等不良地質(zhì)特性給自由斷面管幕法的推廣應(yīng)用帶來一定困難。為此，依托上海市軌道交通14號(hào)線桂橋路站管幕工程，針對軟土地區(qū)特有的地質(zhì)特點(diǎn)，開展了帶油脂的外鎖扣管幕頂管頂進(jìn)技術(shù)、軟土地層土體水平加固技術(shù)和管幕內(nèi)土體分層開挖技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)研究，并得到以下結(jié)論。

1)鋼管頂進(jìn)時(shí)，通過將T形子扣插入門形母扣，同時(shí)在T形子扣和門形母扣間隙內(nèi)填充由油脂、纖維、高黏度油和粉料按一定比例混合而成的管幕鎖扣密封油脂，可以有效確保管幕的整體性和止水性。

2)管幕頂管頂進(jìn)時(shí)需遵循“預(yù)判趨勢、提前糾偏、勤糾小糾”的原則來控制其頂進(jìn)精度。本工程各管幕頂管最大軸線偏差均控制在3.5 cm以內(nèi)，可以保證管幕鎖扣的良好連接。

3)通過對傳統(tǒng)水平高壓旋噴加固工法進(jìn)行改進(jìn)，增加防噴裝置、地內(nèi)壓力監(jiān)控、移動(dòng)式泥漿脫水處理設(shè)備和糾偏型多孔管水平旋噴鉆頭，克服了傳統(tǒng)工法存在的地表隆起變形嚴(yán)重、水平軸線精度較低、生態(tài)環(huán)境污染問題突出、施工安全無法保證等難題。本工程水平MJS工法樁鉆進(jìn)軸線偏差小于25 cm，加固處理后地基極限承載力不小于300 kPa，鉆孔取出的芯樣抗壓強(qiáng)度不小于6.59 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

4)對于管幕內(nèi)土體開挖，可參照“分艙分層、隨挖隨撐”方式，同時(shí)通過對鋼支撐頂梁和底梁施加豎向頂力來壓實(shí)土體和減小支撐安裝間隙，達(dá)到控制土體沉降的目的。

為了進(jìn)一步提高管幕結(jié)構(gòu)的整體性和安全性，使斷面尺寸更大、開挖無支撐、經(jīng)濟(jì)成本更低，提出橫向承載管幕法，其力學(xué)分析方法、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和關(guān)鍵施工技術(shù)值得深入研究。