新管幕法在中間風井施工方案中的研究

周軍海

(中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070)

0 引言

地鐵已成為一種城市非常重要的交通主干線，經常穿行交通繁忙的地段。對于區間設置中間風井等附屬結構，其施工方案經常受到道路、管線、地下構筑物等周圍環境因素制約。常用的施工方法有明挖法、暗挖法以及蓋挖法等。其中蓋挖法具有對周圍環境影響較小，安全、實用等特點，應用比較廣泛。蓋挖法根據具體實際情況，延伸很多具體工藝，本次中間風井施工方案，采用蓋挖逆筑法，即在頂板覆蓋下，自上而下逐層開挖，每挖完一層，即澆筑本層的底板(同時也是下一層的頂板)和邊墻，逐層建造主體結構直至整體結構的底板［1］。

管幕法是20世紀70年代后發展起來的新施工工藝，具有對道路交通、地下管線等影響小的優點，在地下工程中應用比較廣泛。本次采用改進的管幕法，即S.T.S工法。與以往管幕相比，S.T.S工法中在鋼管與鋼管之間增加連接件，并且鋼管內部及鋼管之間澆筑混凝土。所以，S.T.S管幕具有強度大、剛度大等特點。本文主要研究了中間風井蓋挖逆筑法與新管幕法相結合的施工方案。

1 中間風井施工方案

1.1 工程條件

中間風井位于既有道路下，道路東側是管理區，西側是苗圃(見圖1)。既有道路屬于城市的干道，道路寬10 m，雙向兩車道，車道寬3.5 m，而且既有道路為連線內環和外環之間的重要交通干道，車流量大，交通繁忙。道路地下管線主要有:供暖熱力管(2根直徑900 mm)、污水管、排水管、通訊電纜等;地上線纜有10 kV架空高壓線，架空通訊電纜等。

圖1 區間風井平面布置圖

主井(線路范圍內部分)結構為地下3層，副井(線路范圍外部分)結構為地下2層。主井基坑深24.93 m，覆土4.23 m;副井基坑深14.01 m，覆土1.8 m。區間風井地質地層從上至下巖層分別為①雜填土、③-1粉質粘土、③-3中粗砂、④-1粉質粘土、④-3中粗砂，其中管幕和風井主體位于③-1粉質粘土內。地下穩定水位，地面下14.5 m。

1.2 風井總體施工方案

主井采用蓋挖逆筑法和新管幕法相結合的施工方案，即先施工管幕，在管幕的支護下，開挖地下1層空間，施工基坑邊樁圍護結構及中柱結構，然后施工頂板結構，形成由邊樁、中柱、頂板和管幕組合的支撐體系后，施工主井的地下2層和3層。蓋挖逆筑法中，施工頂板需要臨時占用道路及管線遷改，在施工完蓋板后恢復;而本施工方案中，利用了管幕支護，完成支承構件的施工，這樣避免了對既有道路交通和管線的影響。副井位于苗圃內，周圍環境無控制因素，因此采用明挖法施工。在管幕頂進施工時，頂進工作井與副井基坑綜合考慮。

1.2.1 平面布置

根據新管幕法施工工藝，在管幕段兩側分別布置頂進工作井和接收井。結合中間風井周邊環境情況，管幕段主要布置在既有道路及管線范圍內主井部分。在既有道路和管理區之間設置鋼管幕的接收井;在苗圃內設置頂進工作井，頂進工作井結合副井基坑設置。中間風井沿線路方向20.62 m范圍布置21根鋼管，間距0.99 m;兩側邊墻6.18 m深度范圍，布置了6根鋼管。管幕段鋼管總長27 m。

1.2.2 縱斷面布置

管幕段鋼管垂直線路方向布置(見圖2)，覆土厚度主要由污水管埋深的控制，污水管管底至鋼管頂不小于0.2 m，管頂至地面的覆土厚度為3.2 m。接收井基坑長21.8 m、寬3.5 m、深10.1 m;圍護結構采用φ800 mm鉆孔灌注樁和型鋼。頂進工作井基長25 m、寬21.4 m、深8 m(苗圃地面比既有道路低2 m左右);圍護結構采用φ800 mm鉆孔灌注樁。主井地下3層，結構底距地面24.7 m。副井基坑開挖至管幕邊墻底標高處，先頂進鋼管，地下2層結合主井地下2層一起施工。在頂進工作井基坑的后背應采取加固處理。

1.2.3 施工工序

根據上述確定的中間風井施工方案，先施工主井部分，然后施工副井部分，主要施工工序如下:

1)前期工作(包括施工場地整理、施工圍擋)。

2)主井施工(見圖3)，主要步驟:

a.施工管幕的工作井(開挖至管幕邊墻標高處)及接收井;管幕施工(頂進鋼管、布設連接件、灌入混凝土，形成臨時支護)，然后開挖地下1層空間，及時架設支撐，封閉坑底(底部采用型鋼、鋼筋網、噴混凝土);

b.在主井地下1層開挖出的空間內，施工邊樁圍護，以及施工中柱鋼管混凝土;

c.施工邊樁冠梁上部混凝土及頂板結構，在新的支撐體系下，拆除型鋼支撐;

d.拆除封底支護，開挖基坑至地下1層底板底，澆筑地下1層邊墻及底板結構;

e.開挖至地下2層底板底，施作地下2層底板及邊墻結構;

f.開挖至地下3層底板底，施作地下3層底板及邊墻結構。

圖2 區間風井縱剖面布置圖

圖3 主井橫斷面圖

3)主井施工完后，施工副井結構。

2 管幕設計

2.1 管幕作用

新管幕法(即S.T.S工法)［2］的鋼管通過加強連接及澆筑混凝土后，具有比較大的強度和剛度。管幕作為臨時支撐構件，承載上部覆土及車輛荷載，確保在地下1層空間的安全開挖，以及施工邊樁圍護結構、中柱和頂板結構等。由此，避免了蓋挖逆筑法施工支承構件時，道路封閉和管線臨時遷改。

在頂板及邊樁上冠梁上部混凝土澆筑后，支撐體系發生了變化，由原來管幕單獨支撐體系變成管幕和頂板組合構件支撐體系，形成強度及剛度更大的支護體系。在組合支撐體系防護下，確保了地下2層及地下3層的開挖及主體結構的施工。組合頂板增加了支承構件的剛度和強度，保證安全。

2.2 鋼管及混凝土

根據工藝要求，管幕鋼管的直徑一般要求不小于800 mm。鋼管的直徑越大，包圍相同周長所需的鋼管數量越少，因此鋼管的直徑差異對用量影響較小。選擇鋼管規格需根據工程自身的特點確定，即:采用的管幕具有強度及剛度大的優點;管幕作為臨時支護結構應兼具施工方便等要求;覆土厚度及管線埋深等周圍環境影響因素。因此綜合分析，鋼管采用外徑為820 mm，壁厚為12 mm的鋼管。

管幕采用澆筑的混凝土不應低于C30混凝土。混凝土的坍落度、可泵性及收縮性能應符合有關標準的規定。

2.3 支撐體系

主井管幕的凈跨約為19 m，跨度比較大。根據主井的施工步序安排，支撐體系分兩個階段，施工過程中需轉換一次。第一階段支撐體系是地下1層開挖及邊樁施工期間的支撐體系。為了控制管幕的變形，需要對大跨度的結構內部布置一定數量的支撐。本階段布置3道豎向支撐，主要考慮在邊跨空間內需要施工邊樁圍護結構?？v向間距采用2 m～3m間距布置。支撐采用H型鋼(H300×300×10×15)。第二階段支撐體系是邊樁和中柱的組合支撐體系。頂板澆筑完后，上部荷載主要由邊樁和中柱一起承擔，支撐體系進行了轉換。圍護邊樁冠梁上部澆筑混凝土，使頂板兩端架在冠梁上;中柱結合風井結構立柱布置4根鋼管混凝土柱。鋼管混凝土柱采用直徑1 000 mm鋼管，壁厚12 mm。

2.4 構造要求

鋼管之間的鎖口，形式很多，常用的形式有“T”形鎖口和雙“L”形鎖口等［3］。本次采用的“T”形鎖口，由“T”形鋼和角鋼組成。“T”形鋼采用T100×200×8×12型鋼;角鋼采用∠100×80×10角鋼。在鎖口上下分別布置一排連接件，主要加強鋼管之間的連接，形成一個整體。連接件采用螺紋鋼筋，兩端用螺栓扣緊。連接件鋼筋的大小根據計算確定。鋼管之間外側設置鋼板，鋼板厚度為8 mm，主要用于澆筑混凝土時，防止混凝土外溢，使鋼管、混凝土形成具有一定強度和剛度的蓋板。管幕鋼管之間結構示意圖見圖4。

圖4 管幕構造圖

開挖地下1層時，型鋼支撐直接支撐在鋼管上，則頂板施工時影響鋼筋綁扎。為此，型鋼與頂板進行特殊處理，型鋼端頭焊接一塊鋼板，在型鋼端頭板與頂板之間采用4根小鋼管進行支撐連接。這樣可以減少支撐對頂板鋼筋施工的影響。

管幕的混凝土澆灌施工，宜連續進行，必須間歇時，間歇時間不應超過混凝土的終凝時間?；炷翍獫仓軐?，而且無離析、無脫粘現象;澆灌混凝土后，應將管口封閉。

3 周圍環境影響分析

中間風井采用管幕法和蓋挖逆筑法相結合的施工方案，目的在于減少對既有道路和管線的影響。為此，施工過程中控制地面沉降是關鍵。地面沉降在不同的施工階段，引起的因素不一樣，主要包含以下幾方面的內容:鋼管的頂進施工;管幕支護或者管幕和頂板組合構件的自身變形;支撐體系的變形;支撐體系基礎的沉降等。

管幕鋼管的頂進施工時，在擠入土體過程中，會同時產生擠土效應和土塞效應，由此產生了對地層進行擾動。根據研究，地層的豎向變形，主要與土體的物理參數、鋼管的埋深、鋼管的大小等密切相關［4］。管幕或者管幕與頂板組合的自身變形，主要由于地下1層的開挖，上部覆土、車輛荷載及自重作用產生的變形。自身的變形與管幕結構形式、材料、支撐的布置等相關。支撐體系的變形，在管幕支護下主要為型鋼支撐的豎向變形;在管幕和頂板組合構件支護下，鋼管中柱和邊樁在外力作用下的豎向變形。支撐體系的沉降，由于支撐體系基礎局部沉降引起的地層的變形。

根據地層變形的影響因素，為了控制沉降，根據需要可以采用以下輔助措施:

1)鋼管施工需要采用專業的頂管機施工，水平頂進時，控制鋼管頂進的速度;

2)覆土層內可考慮局部注漿加固;

3)地下1層開挖時，根據實時監測數據，可以及時調整支撐布置的間距或調整支撐的型號;

4)地下1層開挖時，控制開挖進尺，及時假設支撐、封閉坑底，必要時應及時封閉開挖面。

4 結語

新管幕法與蓋挖逆筑法相結合施工方案，主要利用新管幕法的強度大、剛度大以及對周圍環境影響小等優點，避免了對既有道路交通、管線的影響。

［1］ 蕭 巖，汪 波，王光明.蓋挖法和蓋挖法施工［J］.市政技術，2004，22(6):359-370.

［2］ 金正官.蘭芝漢江公園連接通道暗挖段STS施工工藝［J］.地基構造物(韓國)，2010，26(2):52-53.

［3］ 劉博海，楊 亮，羅昊沖.管幕法概述［J］.城市道橋與防洪，2011(5):141-143，149.

［4］ 邸 成.管幕夯進施工的環境效應分析［D］.北京:北京交通大學土木建筑工程學院，2008.

［5］ CECS 28∶2012，鋼管混凝土結構技術規程［S］.

［6］ GB 50017-2003，鋼結構設計規范［S］.