管幕施工工法关键技术研究

彭海中

北京城建轨道交通建设工程有限公司，北京 100088

随着城市建设的发展，城市既有道路、桥梁、地下管线等对后建地下工程形成了诸多制约条件，建设过程中遇到的问题也更加复杂。仅采用传统浅埋暗挖法施工，往往会扰动土层的应力状态，引起地层沉降，对周边环境的影响大，施工风险大。

储柯钧[1]通过研究管幕洞柱法车站支护结构设计和施工，解决了超浅埋条件下暗挖车站实施的难题。李豫东等[2]通过研究浅埋隧道大管幕施工台阶法几何参数优化，采用数值模拟方法分析不同台阶参数对初支、围岩施工的影响，表明拱顶沉降和水平收敛随台阶高度增大而减少。赵智慧等[3]在管幕下穿既有盾构隧道技术的研究中，利用全断面深孔注浆+锁扣管幕加固方案，有效控制了既有盾构隧道变形。胡宝生等[4]通过研究拱北隧道暗挖段曲线管幕顶管施工精度控制技术，表明利用UNS导向系统并在合理顶进参数及有效控制措施条件下，可通过纠偏手段和精度控制有效降低后行管对先行管的不利影响。潘伟强[5]通过分析软土地区管幕群顶管施工地面沉降监测，表明管幕群顶管施工过程影响地面变形的因素有管幕摩擦和同步注浆。王欢[6]通过对浅覆软土中钢管幕顶进施工沉降控制技术的研究，表明通过管幕-箱涵穿越既有道路，路面沉降可控制在±2cm以下。刘冬冬等[7]通过研究管幕法在综合管理暗挖施工中的应用，得出管幕施工有整体刚度强、土体扰动小、精度控制高、周边影响小、施工周期短等优势。路刚[8]通过研究通道下穿土体沉降控制理论与管棚施工技术，得出运用管棚施工技术能有效控制表明变形，采用不同的注浆压力，可动态调整地表变形。

某地铁暗挖车站采用管幕工法，在施工中采取了严格的技术控制措施，对既有道路、桥梁、管线进行了有效保护，为后续PBA施工提供了有利条件。

1 工程概况

该工程为地下T型换乘车站，东西向为地下3层岛式车站，车站主体长度237.3m，断面宽度为23.7m；南北向为地下2层岛式车站，车站主体长度为263m，断面宽度为23.1m；车站均采用PBA暗挖工法施工，为双柱三跨拱形断面。车站两端均为矿山法区间。车站总平面图如图1所示，东西向车站标准段横剖面图如图2所示。

图1 车站总平面图（单位：m）

图2 东西向车站标准段横剖面图（单位：mm）

该工程地下T型换乘部位，地下管线较多，较为重要的管线有给水、燃气、污水、雨水等，两站接口部位地下管线情况明细表如表1所示。

表1 两站接口部位地下管线情况明细表

该工程地下T型换乘部位，存在城市主干道桥梁，该桥梁为单孔预应力简支梁桥，跨越现状道路的快、慢车道，净跨26m，净宽45m，上部结构为预应力工型梁与现浇钢筋混凝土桥面组成的组合梁；下部结构均为扩大基础，现浇混凝土重力式桥台，风险等级为一级。

2 工程地质与水文地质

2.1 工程地质

地层自上而下为粉细砂③3层、粉土④2层、粉质黏土④层、粉细砂④3层、粉细砂⑤2层、卵石-圆砾⑤层、粉质黏土⑤4层、粉细砂⑤2层、粉土⑥2层、粉质黏土⑥层、粉细砂⑦2层、卵石-圆砾⑦层、粉质黏土⑨3层、粉细砂⑨2层、卵石⑨层。

2.2 水文地质

车站主要赋存有2层地下水，其类型分别为层间潜水（三）和层间潜水（四）。层间潜水（三）：含水层岩性为粉细砂④3层、卵石-圆砾⑤层及粉细砂⑤2层等，水位标高为36.75～37.64m，水位埋深为11.20～13.90m。层间潜水（四）：含水层岩性为卵石-圆砾⑦层及以下各层，水头标高为18.66～20.90m，水头埋深为27.80～31.99m。

3 管幕支护施工

3.1 管幕布设介绍

该工程采用管幕法保护施工，管幕钢管采用Q235B无缝钢管φ299mm×12mm；锁扣采用63mm×40mm×6mm角钢；管幕沿车站小导洞及扣拱结构轮廓线外侧环向布设，单根长43.45m，中心距350mm。采用外侧焊接角钢相互扣接形成支护体，施工采用“螺旋出土、钢管顶进”工艺。具体管幕布设如图3、图4所示。

图3 T型换乘处管幕布置纵剖（东西向）图（单位：mm）

图4 T型换乘处管幕布置横剖（南北向）图

3.2 管幕施工技术控制措施

（1）钢管加工管幕钢管接头单侧打设坡口，采用焊接连接。管幕钢管两侧焊接63×40×6mm角钢锁扣，在锁扣钢管母锁扣一侧焊接φ42mm×4mm管外注浆钢管，注浆管纵向间隔1m设φ8mm注浆扩散孔，端部进行封堵处理。管幕钢管制作大样图如图5所示。

图5 管幕钢管制作大样图（单位：mm）

（2）钢管顶进施工按照设计位置测设每根管幕的中心位置和标高，钢管中心位置采用经纬仪定位，位置允许偏差2cm，成孔长度允许偏差10cm，施工轴线偏差不大于0.3%。钢管标高采用导向测量控制，根据连通器原理，在管幕钢管端头安装连通管，钢管顶进过程中，通过可视化的测量端，观测液位高度测量前方钻头位置高度，实现标高的准确控制。管幕施工采用螺旋出土套管顶进工艺，管幕设备提供螺旋钻杆的旋转动力和套管的顶推力。管幕钢管顶进时，螺旋钻杆向钻头传递钻压和扭矩切削土层，将管幕钢管逐段向前一边旋转一边顶进，出土过程中记录螺旋钻杆与钢管位置关系，出土量控制在理论出土量的95%以下。施工过程中严格顶进轨迹，反复进行后续单元施工，形成“纵向成梁、横向成拱”的钢管帷幕。

（3）管外注浆采用水泥-水玻璃双液浆，管幕施工过程中，管外注浆管采取隔管注浆，并预留二次注浆孔，施工过程中进行注浆压力和注浆量的控制。终止注浆标准：稳压0.2MPa条件下，注浆5min，且注浆量达到理论注浆量的85%。

（4）管内填充管幕钢管采用10mm钢板封孔，预留φ25mm钢管注浆孔，顶部预留排气口兼观察孔。单个导洞上方管幕施工完成后，向管内注纯水泥浆，水泥浆水灰比为1∶1，注浆压力不大于0.5MPa；钢管压浆量不小于1.3倍钢管容积；注浆终止标准：稳压0.5MPa条件下，注浆5min，且注浆量达到理论注浆量的85%。

4 施工监测

4.1 监测方法

管线沉降监测，分为直接监测和间接监测。该工程污水管线，由于埋深大，均采用间接监测方法。

4.2 监测点布置

针对管线及桥梁的沉降要求，该工程采用了信息化施工，针对开挖工程中的位移敏感位置进行了测点的布设，管线沉降监测点沿管线纵向每5m布设，布设于管线侧面，深度至管线底土层；构筑物沉降监测点沿构筑物每4m布设。监测点布置示意图如图6所示。

图6 监测点布置示意图（单位：mm）

4.3 监测成果分析

选取控制性污水管（φ1250mm、φ1500mm）、东侧桥台处的土体沉降作为控制性指标，对管幕施工前、后的监测数据进行分析，具体如下。

（1）污水管沉降变化最大的点为WS-05，沉降值为-19.8mm，沉降变化最小的点为WS-01，沉降值为-0.3mm。根据《北京市轨道交通工程建设安全风险技术管理体系（第三版）》中雨、污水管变形控制要求，沉降量≤20mm，经现场巡视管线未发现渗漏现象，运营正常。管幕施工引起的土体沉降值（污水管处）如图7所示。

图7 管幕施工引起的土体沉降值（污水管处）

（2）东侧桥台沉降变化最大的点为QC-07，沉降值为-8.3mm，沉降变化最小的点为QC-01、QC-15，沉降值为-0.3mm。根据评估要求桥梁竖向均匀沉降控制值为15mm，管幕施工引起的沉降值满足要求。管幕施工引起的土体沉降值（东侧桥台处）如图8所示。

图8 管幕施工引起的土体沉降值（东侧桥台处）

综上数据，可以看出，施工过程中由中间向两侧施工，由于钻进过程中土体的扰动、搁置时间长，土体时空效应相对显著，导致中间位置QC-07处沉降值较大。两端QC-01、QC-15处，由于没有其他钻进施工，土体扰动较小，搁置时间较短，沉降值较小。根据监测数据和评估要求，可见施工过程中土体相对稳定安全。

5 结论

文章通过分析该工程管幕施工的具体实施情况，得出了以下结论。

（1）在粉细砂、粉质黏土地层，大直径（φ1250mm、φ1500mm）污水管线，埋深5m，距离暗挖大断面拱顶结构4m的情况下，采用文章所述的管幕施工工法可以保证管线等周边环境的安全。

（2）管幕施工采用螺旋出土套管顶进工艺施工，出土量控制在理论出土量的95%以下，螺旋钻杆的顶进转速控制在5cm/min，可以在保证有效出土的同时，平衡土压控制塌孔。

（3）管外注浆采用水泥-水玻璃双液浆，填充与固结围岩扰动土体。管内填充纯水泥浆，水灰比为1∶1，注浆压力不大于0.5MPa，充盈系数为1.3，可以保证管幕的整体刚度和土体的自稳性。

（4）通过管幕施工引起的土体沉降数据可以看出，管幕施工引起的管线、桥台等周边建构筑物沉降量的变化较小，可见采取由中间向两侧对称施工，尽量缩短施工时间，及时注浆填充，有利于控制土体沉降。

（5）近距离下穿桥台，采用管幕法施工，需要加密监测及时进行数据分析，根据监测结果及时调整管幕顶进压力、出土量、注浆量等，并进行动态管理，以有效控制地层沉降。