管幕结合洞桩法地铁车站施工关键技术

2019-03-19徐沛龙龙宝宾

山西建筑 2019年7期

徐沛龙王刚龙宝宾

(1.河南理工大学土木工程学院，河南焦作 454000； 2.中铁隧道集团有限公司勘察设计研究院，河南洛阳 471000)

目前，我国地铁车站多修建在繁华市区主干道下面，周边建筑物密集，地下管线众多，为了减少对城市生活干扰，多采用暗挖法施工。暗挖法车站断面大，技术要求高，施工存在较大风险。洞桩法由于结构安全性高，施工地层扰动小，地表沉降控制效果明显等优点，被广泛用于地表沉降控制严格的地区[1-3]。关于洞桩法国内学者做了很多理论研究，文献[4]结合大连松江路车站，运用有限元软件建立车站—地层结构模型，得出了地表沉降、沉降槽以及塑性区的发展规律。文献[5]依托沈阳地铁青年大街站，采用有限元数值模拟软件对车站主体结构进行模拟，并将模拟结果与监测数据进行对比，分析和总结了采用洞桩法动态开挖过程中地层以及支护结构的位移变形规律。文献[6]采用有限元软件数值模拟软件，研究了洞桩法施工过程中地层位移及地层应力的变化规律。

虽然洞桩法在控制地表沉降方面有一定的优势，但随着周边环境约束越来越大，也面临着超浅埋施工地表沉降大的问题。管幕作为超前支护技术，能够有效控制地表沉降，保证开挖面稳定性[7]。在此基础上提出了管幕结合洞桩法暗挖地铁车站修建方法，该方法国内外研究较少，施工经验少。本文依托北京地铁19号线某车站，旨在归纳总结成功施工经验，以期形成施工关键技术，为类似工程提供经验参考。

1 工程背景

1.1 工程概况

车站位于赵登禹路与平安里西大街交叉路口北侧，沿赵登禹路南北布置，与已建成地铁6号线呈“L”型换乘。车站中心里程K46+441.352，主体结构总长225.45 m，标准段宽25.10 m，高15.44 m，底板埋深20.25 m～20.70 m，结构顶部覆土厚度为6.58 m～7.03 m，覆跨比为0.27，属于超浅埋地铁车站。车站采用14 m岛式站台，两柱三跨平顶直墙结构(见图1)，主体采用管幕结合洞桩法施工，共8个施工导洞，包括1个用于管幕施工的先行导洞，3个上导洞，4个下导洞。车站共设置4个出入口，2座风道，1座外挂厅，其中外挂厅采用盖挖法施工，风道、出入口均采用明挖法施工。

1.2 水文地质条件

通过工程地质勘查，车站下层导洞位于粉细砂层、卵石层，地层松散，自稳能力差；经地质雷达检测，先行导洞位于古河道内，地层呈软塑状态；由于导洞位于软弱地层，施工存在安全风险。该车站地下水类型有上层滞水，含水层为粉土填土层，水头埋深6 m，对上层导洞开挖有渗漏水影响。

1.3 地下管线情况

车站主体下穿管线复杂，包括D1 600雨水管，D1 000污水管，D600上水管，D300中压燃气管；各管线与管幕初支结构距离较近，其中D1 000 mm污水管净距仅0.66 m，顶管施工对管线安全影响较大。

2 车站施工方法

车站覆土较浅，无起拱条件，主体设计采用平顶直墙结构。用管幕对上层导洞进行初期支护，然后用洞桩法修建地铁车站，即利用小型顶管设备将大直径钢管顶入车站顶部初支结构轮廓线土体内，相邻钢管间通过锁扣进行连接，然后在钢管中灌注混凝土，锁扣间注入水泥浆，最终形成管幕支护体系。在管幕支护下开挖小导洞，并在导洞内施作边桩、钢管柱、顶底梁，与管幕共同构成支撑框架体系，承受施工过程中的外部荷载，然后分层向下开挖土体，施作二次衬砌，最终形成由顶部管幕、边桩、钢管柱和二次衬砌组成的永久承载体系[8,9]。

平安里站施工方法如下：1)注浆预加固下导洞地层，台阶法开挖并施作初期支护；下导洞贯通后，注浆预加固先行导洞地层，台阶法开挖并施作初期支护；先行导洞贯通后施作管幕；管幕施作完成后开挖上层导洞土体，台阶法开挖并施作初期支护；2)导洞全部贯通后，下边导洞施作条基，上边导洞施作边桩和冠梁，中下导洞施作底纵梁，中上导洞施作钢管混凝土柱、顶纵梁；3)台阶法开挖顶部土体并挂网片喷射混凝土，顶部贯通后，分段拆除导洞边墙施作顶部二衬；4)待顶部混凝土达到设计强度后，分层向下开挖至站厅层标高，施作站厅侧墙和中楼板；5)站厅层混凝土达到设计强度后，分段开挖至底板标高，拆除下导洞部分初支并施作封底，然后浇筑站台侧墙和底板结构，车站主体施工完成。施工步序见图2。

3 地层加固技术

3.1 深孔注浆

先行导洞采用深孔注浆技术加固地层。注浆采用二重管后退式分段注浆，范围为整个上台阶及开挖轮廓线外2 m范围内，注浆孔环形布置，间距0.5 m。浆液采用普通水泥—水玻璃双液浆，配合比见表1，注浆压力控制在0.5 MPa～1.0 MPa，每一循环注浆长度10 m，搭接长度2 m。深孔注浆施工要点：1)采用C25喷射混凝土挂网封闭掌子面，厚度0.3 m，保证止浆墙强度。2)注浆孔严格按照设计孔位，角度，深度施作，防止破坏管线。3)采取跳孔注浆、由外侧向内侧注浆方法，实现约束注浆，保证注浆质量。4)严格控制注浆压力，注浆速度控制在20 L/min～40 L/min，同时加强监控量测和巡视工作。5)当单孔注浆压力达到设计终压，注浆速度小于5 L/min～10 L/min时，可进行下一孔注浆，直至注浆结束。6)注浆完成后，采用钻孔取芯的方法检查注浆效果，要求加固土体抗压强度不小于0.8 MPa。

表1 水泥—水玻璃双液浆配合比

3.2 超前小导管注浆

下层导洞超前支护采用小导管注浆技术加固。小导管采用DN32,t=2.75 mm焊接钢管，单根长度2 m，导管环向布置，间距0.3 m，外插角15°～20°，纵向每榀格栅打一环。小导管采用吹风管成孔施工，以降低对松散地层的扰动。浆液采用单液水泥浆，水泥强度等级P.O42.5普通硅酸盐水泥，水灰比1∶1，注浆压力控制在0.3 MPa～0.5 MPa。

4 管幕支护技术

4.1 管幕设计参数

先行导洞管幕单根长度为35 m,导洞东、西两侧管幕长度分别为12.4 m,18.7 m，导洞间管幕长度为3.9 m，单根钢管长度为2 m,2.6 m，连接方式为坡口焊接。管幕采用φ402@450 mm热轧无缝钢管，管壁厚度t=16 mm。管幕横向采用锁扣连接为整体，锁扣采用75×50×8角钢，管幕外注浆采用φ42 mm×3.25 mm注浆管。管幕连接见图3。

4.2 管幕施工

管幕采用水平螺旋导向钻机出土方法施工，该方法具有施工安全性高、精确度高、施工效率高等优点。管幕施工以先行导洞为顶管施工井，顶管方向垂直于先行导洞纵向。管幕施工步骤如下：

1)施工准备。先搭设钻机施工的可移动台架，移动方向为先行导洞纵向，然后进行钻机安装调试工作，保证钻机各项参数正常。

2)导向孔施工。用全站仪确定出导向孔施工位置，破除导洞初支格栅，顶进装有导向钻头的导向钻杆。导向钻头是一个斜面，旋转顶进用以控制钻进方向。导向钻头内安装有激光发射器，激光可以通过中空结构的导向钻杆传到设置在钻机后方的水准校核仪上，实现对顶进方向实时调整[10]。

3)顶管施工。导向孔施工完成后，沿导向钻杆安装螺旋出土钻杆，并在螺旋出土钻杆外安装待顶进的钢管。油缸推动管幕向前顶进时，螺旋钻杆向钻头传递钻压和扭矩来切削土体，并将钢管内泥土屑排出。单根钢管顶进完成后，重新安装螺旋出土钻杆和钢管，直到钢管顶进到设计位置。第一根标准管幕施工完成后，后续相邻管幕沿锁扣导向顶进。

4)管幕外注浆。管幕完成2根～3根后，要及时进行管外补偿注浆，控制地层沉降。浆液采用水泥浆，水灰比1∶1，注浆压力控制在0.1 MPa～0.3 MPa，同时加强周边巡视和管线监测工作。

5)管幕内充填。管幕灌浆前要清理干净钢管内残留土屑，然后用预留注浆孔、排气孔的注浆阀封堵管口，用C30微膨胀水泥砂浆灌注，灌浆结束标准以灌浆量和排气孔砂浆溢出为准，确保钢管内水泥砂浆密实。

5 施工监测数据分析

5.1 地表监测数据分析

土方开挖不可避免地对地层产生扰动，引起地表沉降。现选取试验段车站主监测断面中心点进行车站导洞开挖阶段地表沉降分析，沉降曲线见图4。

如图4所示，导洞开挖支护阶段引起地表沉降值为45.4 mm；下导洞和先行导洞施工引起地表沉降值为29.28 mm，约占地表累计沉降量的64.5%；管幕施工引起地表沉降值为2.45 mm，约占地表累计沉降量的5.3%，上导洞施工引起地表沉降值为13.7 mm，约占地表累计沉降量30.2%。监测结果表明，地表沉降主要发生在先行导洞、下层导洞施工阶段，该阶段需加强地表沉降控制；管幕施工阶段地层扰动小，地表沉降较小；上层导洞施工阶段，管幕支护体系减少了导洞开挖引起的地表沉降。

5.2 洞内监测数据分析

截止到2018年2月26日，先行导洞拱顶沉降最大值为5.90 mm，导洞收敛最大值为4.46 mm；管幕支护下上导洞拱顶沉降值最大4.07 mm，导洞收敛最大值为4.13 mm；下导洞拱顶沉降最大值为5.59 mm，导洞收敛最大值为4.77 mm，均满足施工要求。监测结果表明，导洞施工阶段，采用小导管注浆、深孔注浆技术，地层沉降控制效果较好；管幕支护体系刚度大、整体受力好，能够控制拱顶沉降。