中心城區管幕法構筑地下通道的設計與施工

張云海

1. 上海市基礎工程集團有限公司 上海 200002；2. 上海市非開挖建造工程技術研究中心 上海 200002

1 面臨的問題

在中心城區構筑地下通道主要面臨2個問題[1-4]，即外界的環境保護問題及施工空間的綜合利用問題。

1.1 環境保護問題

1.1.1 優秀建筑、重要管線的保護

城市的發展往往以同心圓式向外輻射，在中心城區往往聚集著較多的優秀歷史建筑，以及繁雜的管線系統；歷史建筑年代久遠，往往以剛性條形基礎、磚砌或磚木結構為主，這種結構體系在地基土發生不均沉降時，條形基礎易開裂，木結構連接點易發生滑移脫落，整體性較差。

城區的管線由于使用需求的增加，往往十分復雜，埋深深淺不一，管線的材質也主要以剛性管線為主，在接頭部位容易發生脫落，對于壓力管線而言危害較大。

1.1.2 土壤、古樹名木的保護

2016年國務院印發《土壤污染防治行動計劃》，將土壤環境保護上升至一個國家戰略計劃。在工程施工中，由于工程需要會施工水泥加固體系、外加劑、重金屬或含有有害物質的工程材料，在日積月累的擴散過程中與地下水結合遷移，污染土壤，并影響土壤酸堿平衡，導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、加工場地、大型機械的進出場、?？恳约皸壨翀龅氐葐栴}。因此在設計方案選型時就需要兼顧施工階段的籌劃，根據項目特點確定施工各個階段的部署是否能滿足項目要求，從而選取最為合適的工藝。

2 暗挖工藝特點及適用范圍

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

1）矩形頂管是在圓形頂管的基礎上發展而來的，矩形的通道結構能更充分地利用結構斷面，減少地下掘進面積，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，采用工廠預制的管片結構在現場進行吊裝能顯著減少工期，降低造價，其優勢是顯而易見的。但其缺點也存在：首先需要較大的施工場地，管片及機頭的體積較大，材料的運輸、堆置及吊裝均需要較大的施工場地，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，對土壤的酸堿平衡有較大影響，不利于植株的保護。

2）箱涵頂進是在工作井內預制箱涵，再進行頂進開挖的一種方式，由于頂進時沒有超前支護，故對環境有一定影響；此外由于采用現場預制頂進，場地的要求比矩形頂管要求更高，因此在環境敏感的中心城區該頂進方式已漸漸退出舞臺。

3）管幕法主要是在地下通道外圍進行小直徑鋼管連續水平頂進，鋼管之間利用鎖口形成鋼管帷幕，隨后在帷幕內部進行土方開挖及支護，制作通道結構。連續搭接的鋼管帷幕作為超前支護抵御外部荷載，并能有效隔斷周邊水土，防止滲流，在起到支護作用的同時不影響地面活動，后期鋼管帷幕與結構協同承受外部水土壓力，增加結構使用年限。其優勢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，目前國外也已采用預制混凝土管節作為帷幕的體系，在造價上有一定優勢。

在中心城區，由于面臨環境保護問題及施工空間的綜合利用問題，若同時考慮上述因素，管幕工藝無疑更符合中心城區地下空間開發的要求[5-6]，本文結合上海外灘源某通道工程，對管幕工藝在軟土地區構筑地下通道的設計施工關鍵技術作介紹。

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，結構尺寸為8.5 m×5.3 m，長度為23.4 m，根據地勘報告，通道位于②3層黏質粉土及④層淤泥質黏土層中。

圖1 總平面示意

3.2 環境概況

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

另外，由于工程位于外灘區域，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構逆作相結合，以完成世博會的既定工程節點。

3.3 工程難特點

本工程在環境、地質及結構自身上均有一定的特點。

3.3.1 環境復雜敏感，對土壤pH值要求高

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

3.3.2 通道處于高水位軟土層，易產生變形

通道位于黃浦江外灘附近，水位較高，砂層在動水作用下容易發生流砂事故，引起水土流失，造成周邊土體變形，④層的淤泥質黏土強度低，易受擾動產生變形。

3.3.3 場地狹小，且需與結構同時逆作施工

場地處于中心城區，無法提供較大的施工場地，且材料運輸也受到道路限制，大型機械無法進出。在工期節點上，由于該工程作為世博會的配套項目，工期節點要求高，通道的施工需要與地下室結構逆作相結合，故對通道的施工選型有較大的挑戰。

綜合上述因素，管幕工藝因能很好滿足施工空間、環境保護等問題，故該工程最終選用管幕工藝進行施工。管幕工藝與結構逆作相結合在國內外也尚屬首次，需要在設計與施工部署上進行研究。

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方面：鋼管變形、工藝要求、管幕與結構空隙。

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

在軟土地區，一般采用泥水平衡功能頂管進行鋼管推進施工，根據工藝要求，鋼管直徑一般不能小于700 mm，鋼管直徑越大，包圍相同周長所需的鋼管數量越少，且所需鎖口接頭數量也越少。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構外包尺寸與鋼管帷幕的內尺寸之間的空隙，一般將空隙保持在10～20 cm?？障短螅Y構與鋼管間需進行大量填充，經濟性較差；空隙太小，鋼管可能侵入結構內部，造成結構不完整。綜合上述因素，本次鋼管采用φ760 mm、長24.4 m、壁厚12 mm的大直徑鋼管，共46根，鋼管分段長度根據工作井的空間尺寸（一個結構跨度8.6 m）確定為4 m，節間采用坡口焊連接。

鋼管間鎖口外扣采用∠70 mm×8 mm角鋼，內扣采用∠56 mm×8 mm角鋼，嵌入黃油填充，鋼管鎖口間設置注漿孔，在鋼管推進完成后進行注漿。

根據結構尺寸及鋼管尺寸，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

對于需要連續在結構上開洞的管幕工程，止水處理較為繁瑣，洞口由于連續搭接，傳統的鏡面止水無法施工，且相鄰間鏡面易被破壞。

管幕洞口連續止水體系的原理為于管幕鋼管推進前，在結構外墻處相應管幕位置設置止水橡膠密封板，并采用圓環壓板及扇形橡膠壓板與結構墻面進行連接。在相鄰鋼管施工時，對相鄰止水橡膠板間的搭接處進行切割，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

對于鋼管與結構洞口之間的縫隙，采用在鋼管內預埋注漿管路的方式，在該處進行注漿。

3.6 管幕內部支撐體系

通道結構內部土方采用分段開挖、分段支護的方式進行施工，支撐系統的設置需結合鋼管強度變形、支撐吊裝便利性、土方開挖的間距要求等確定。

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

第1次開挖前需在洞口處設置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度不至于太大，以免引起地下連續墻及上部土體的沉降位移。

3.7 管幕與結構逆作工況結合及節點處理

由于地下室采用逆作法，工期決定管幕的推進需要與逆作相結合，故在結構逆作設計及施工階段，均已考慮相關工況：地下室逆作至地下1層后，完成洞口處的止水板施工，在結構樓板開洞區域進行換撐，分塊開洞開始鋼管頂進；地下1層完成后，封閉管幕洞口區域內襯墻，交付建設單位先行使用；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；地下室逆作至地下3層，除止水及水平換撐外，設置豎向換撐以保證鋼管封閉時端頭處樓板的豎向支撐。

地下室工程采用逆作法施工，鋼管推進順序在設計及施工時按照先頂排及兩側再底排的施工順序，此時必須要考慮頂排鋼管施工產生的塑性變形對下部鋼管的影響。另外，為控制精度，在施工時設置基準管。為減小頂部鋼管施工對底部的不良影響，在鋼管內外設置洞口圈梁（圖5），既對洞口進行加固，又將鋼管連接為整體。通過與主體結構相連接（圖6），其沉降影響也相應減少，洞口圈梁可兼作內襯墻一部分，在洞口圈梁內預埋洞口止水體系。

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，邊幅地下連續墻接縫處穩定性較差，采用臨時支撐進行固定，保證墻體穩定性。在工作井及接收井處，由于對地下連續墻洞口進行切割，地下連續墻被上下切斷，豎向力傳遞不能連續，故采用豎向臨時鋼支撐進行換撐。

圖6 管幕與結構連接

圖7 現場通道頂板澆筑示意

3.8 管幕通道加固及土方開挖

3.8.1 通道加固

軟土地區土體不能自立，在進行土方開挖之前應先對該段土體進行加固處理，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行釋放，以緩解其對上部土體的擠壓。

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

3.8.2 通道開挖

土方開挖采用臺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個臺階4層開挖，上下段土體之間留有寬約1.5 m的平臺，開挖步距與支撐間距相適應，并及時架設支撐，在鋼管上預留吊裝環以保證支撐的內部吊裝。

3.9 結構體系施工

通道澆筑一般按照底板→側墻→頂板的順序進行施工。頂板采用自流平混凝土，從通道一側向另一側進行澆筑，澆筑采用固定泵，3根主管預留在管幕鋼管之間，每次向后退一定距離澆筑，在管幕鋼管間預埋注漿管，待混凝土澆筑完畢后進行注漿施工；在澆筑時及時觀測，判斷頂板混凝土是否澆筑到設計標高，方法為在管幕縫隙中離工作井不同的距離處設置不同顏色的小球，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 監測結果

監測結果顯示，管幕結構的變形主要產生在土方開挖階段，管幕推進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，最大豎向位移發生在鋼管中間段；內部支撐的軸力最大值出現在間距較大的第3道支撐，豎向軸力大于水平向。根據土體測斜反映的情況，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到9.8 mm，在結構施工期間達到最大值13.3 mm，在施工完成后達到14 mm。其最大位移點均位于地面下3.5～10.0 m附近。該變形區域從側面印證了管幕結構的變形主要出現在土方開挖階段。此外，該變形趨勢也說明結構施工階段對周邊土體也有一定的影響，淤泥質土層對施工擾動較為敏感，不僅需要控制土方開挖對土體的變形影響，還需控制結構施工中的振動對土體強度的削弱，增加土體的變形。

4 結語

1）在中心城區復雜環境下，管幕法可有效應對變形控制嚴格、施工空間小、土壤保護要求高等問題，更適用于城市地下空間的開發。

2）背景工程創新性地將管幕與地下室結構逆作相結合，不僅完成了業主的既定工期，保護古樹及周邊管線位移均處于允許范圍內，而且施工活動沒有對環境造成大的影響。

3）在軟土地區進行管幕法施工，應注意對淤泥質土層的擾動影響，并控制開挖階段內部土體的變形，以減少后續變形量。