管幕施工工法關鍵技術研究

彭海中

北京城建軌道交通建設工程有限公司，北京 100088

隨著城市建設的發展，城市既有道路、橋梁、地下管線等對后建地下工程形成了諸多制約條件，建設過程中遇到的問題也更加復雜。僅采用傳統淺埋暗挖法施工，往往會擾動土層的應力狀態，引起地層沉降，對周邊環境的影響大，施工風險大。

儲柯鈞[1]通過研究管幕洞柱法車站支護結構設計和施工，解決了超淺埋條件下暗挖車站實施的難題。李豫東等[2]通過研究淺埋隧道大管幕施工臺階法幾何參數優化，采用數值模擬方法分析不同臺階參數對初支、圍巖施工的影響，表明拱頂沉降和水平收斂隨臺階高度增大而減少。趙智慧等[3]在管幕下穿既有盾構隧道技術的研究中，利用全斷面深孔注漿+鎖扣管幕加固方案，有效控制了既有盾構隧道變形。胡寶生等[4]通過研究拱北隧道暗挖段曲線管幕頂管施工精度控制技術，表明利用UNS導向系統并在合理頂進參數及有效控制措施條件下，可通過糾偏手段和精度控制有效降低后行管對先行管的不利影響。潘偉強[5]通過分析軟土地區管幕群頂管施工地面沉降監測，表明管幕群頂管施工過程影響地面變形的因素有管幕摩擦和同步注漿。王歡[6]通過對淺覆軟土中鋼管幕頂進施工沉降控制技術的研究，表明通過管幕-箱涵穿越既有道路，路面沉降可控制在±2cm以下。劉冬冬等[7]通過研究管幕法在綜合管理暗挖施工中的應用，得出管幕施工有整體剛度強、土體擾動小、精度控制高、周邊影響小、施工周期短等優勢。路剛[8]通過研究通道下穿土體沉降控制理論與管棚施工技術，得出運用管棚施工技術能有效控制表明變形，采用不同的注漿壓力，可動態調整地表變形。

某地鐵暗挖車站采用管幕工法，在施工中采取了嚴格的技術控制措施，對既有道路、橋梁、管線進行了有效保護，為后續PBA施工提供了有利條件。

1 工程概況

該工程為地下T型換乘車站，東西向為地下3層島式車站，車站主體長度237.3m，斷面寬度為23.7m；南北向為地下2層島式車站，車站主體長度為263m，斷面寬度為23.1m；車站均采用PBA暗挖工法施工，為雙柱三跨拱形斷面。車站兩端均為礦山法區間。車站總平面圖如圖1所示，東西向車站標準段橫剖面圖如圖2所示。

圖1 車站總平面圖（單位：m）

圖2 東西向車站標準段橫剖面圖（單位：mm）

該工程地下T型換乘部位，地下管線較多，較為重要的管線有給水、燃氣、污水、雨水等，兩站接口部位地下管線情況明細表如表1所示。

表1 兩站接口部位地下管線情況明細表

該工程地下T型換乘部位，存在城市主干道橋梁，該橋梁為單孔預應力簡支梁橋，跨越現狀道路的快、慢車道，凈跨26m，凈寬45m，上部結構為預應力工型梁與現澆鋼筋混凝土橋面組成的組合梁；下部結構均為擴大基礎，現澆混凝土重力式橋臺，風險等級為一級。

2 工程地質與水文地質

2.1 工程地質

地層自上而下為粉細砂③3層、粉土④2層、粉質黏土④層、粉細砂④3層、粉細砂⑤2層、卵石-圓礫⑤層、粉質黏土⑤4層、粉細砂⑤2層、粉土⑥2層、粉質黏土⑥層、粉細砂⑦2層、卵石-圓礫⑦層、粉質黏土⑨3層、粉細砂⑨2層、卵石⑨層。

2.2 水文地質

車站主要賦存有2層地下水，其類型分別為層間潛水（三）和層間潛水（四）。層間潛水（三）：含水層巖性為粉細砂④3層、卵石-圓礫⑤層及粉細砂⑤2層等，水位標高為36.75～37.64m，水位埋深為11.20～13.90m。層間潛水（四）：含水層巖性為卵石-圓礫⑦層及以下各層，水頭標高為18.66～20.90m，水頭埋深為27.80～31.99m。

3 管幕支護施工

3.1 管幕布設介紹

該工程采用管幕法保護施工，管幕鋼管采用Q235B無縫鋼管φ299mm×12mm；鎖扣采用63mm×40mm×6mm角鋼；管幕沿車站小導洞及扣拱結構輪廓線外側環向布設，單根長43.45m，中心距350mm。采用外側焊接角鋼相互扣接形成支護體，施工采用“螺旋出土、鋼管頂進”工藝。具體管幕布設如圖3、圖4所示。

圖3 T型換乘處管幕布置縱剖（東西向）圖（單位：mm）

圖4 T型換乘處管幕布置橫剖（南北向）圖

3.2 管幕施工技術控制措施

（1）鋼管加工管幕鋼管接頭單側打設坡口，采用焊接連接。管幕鋼管兩側焊接63×40×6mm角鋼鎖扣，在鎖扣鋼管母鎖扣一側焊接φ42mm×4mm管外注漿鋼管，注漿管縱向間隔1m設φ8mm注漿擴散孔，端部進行封堵處理。管幕鋼管制作大樣圖如圖5所示。

圖5 管幕鋼管制作大樣圖（單位：mm）

（2）鋼管頂進施工按照設計位置測設每根管幕的中心位置和標高，鋼管中心位置采用經緯儀定位，位置允許偏差2cm，成孔長度允許偏差10cm，施工軸線偏差不大于0.3%。鋼管標高采用導向測量控制，根據連通器原理，在管幕鋼管端頭安裝連通管，鋼管頂進過程中，通過可視化的測量端，觀測液位高度測量前方鉆頭位置高度，實現標高的準確控制。管幕施工采用螺旋出土套管頂進工藝，管幕設備提供螺旋鉆桿的旋轉動力和套管的頂推力。管幕鋼管頂進時，螺旋鉆桿向鉆頭傳遞鉆壓和扭矩切削土層，將管幕鋼管逐段向前一邊旋轉一邊頂進，出土過程中記錄螺旋鉆桿與鋼管位置關系，出土量控制在理論出土量的95%以下。施工過程中嚴格頂進軌跡，反復進行后續單元施工，形成“縱向成梁、橫向成拱”的鋼管帷幕。

（3）管外注漿采用水泥-水玻璃雙液漿，管幕施工過程中，管外注漿管采取隔管注漿，并預留二次注漿孔，施工過程中進行注漿壓力和注漿量的控制。終止注漿標準：穩壓0.2MPa條件下，注漿5min，且注漿量達到理論注漿量的85%。

（4）管內填充管幕鋼管采用10mm鋼板封孔，預留φ25mm鋼管注漿孔，頂部預留排氣口兼觀察孔。單個導洞上方管幕施工完成后，向管內注純水泥漿，水泥漿水灰比為1∶1，注漿壓力不大于0.5MPa；鋼管壓漿量不小于1.3倍鋼管容積；注漿終止標準：穩壓0.5MPa條件下，注漿5min，且注漿量達到理論注漿量的85%。

4 施工監測

4.1 監測方法

管線沉降監測，分為直接監測和間接監測。該工程污水管線，由于埋深大，均采用間接監測方法。

4.2 監測點布置

針對管線及橋梁的沉降要求，該工程采用了信息化施工，針對開挖工程中的位移敏感位置進行了測點的布設，管線沉降監測點沿管線縱向每5m布設，布設于管線側面，深度至管線底土層；構筑物沉降監測點沿構筑物每4m布設。監測點布置示意圖如圖6所示。

圖6 監測點布置示意圖（單位：mm）

4.3 監測成果分析

選取控制性污水管（φ1250mm、φ1500mm）、東側橋臺處的土體沉降作為控制性指標，對管幕施工前、后的監測數據進行分析，具體如下。

（1）污水管沉降變化最大的點為WS-05，沉降值為-19.8mm，沉降變化最小的點為WS-01，沉降值為-0.3mm。根據《北京市軌道交通工程建設安全風險技術管理體系（第三版）》中雨、污水管變形控制要求，沉降量≤20mm，經現場巡視管線未發現滲漏現象，運營正常。管幕施工引起的土體沉降值（污水管處）如圖7所示。

圖7 管幕施工引起的土體沉降值（污水管處）

（2）東側橋臺沉降變化最大的點為QC-07，沉降值為-8.3mm，沉降變化最小的點為QC-01、QC-15，沉降值為-0.3mm。根據評估要求橋梁豎向均勻沉降控制值為15mm，管幕施工引起的沉降值滿足要求。管幕施工引起的土體沉降值（東側橋臺處）如圖8所示。

圖8 管幕施工引起的土體沉降值（東側橋臺處）

綜上數據，可以看出，施工過程中由中間向兩側施工，由于鉆進過程中土體的擾動、擱置時間長，土體時空效應相對顯著，導致中間位置QC-07處沉降值較大。兩端QC-01、QC-15處，由于沒有其他鉆進施工，土體擾動較小，擱置時間較短，沉降值較小。根據監測數據和評估要求，可見施工過程中土體相對穩定安全。

5 結論

文章通過分析該工程管幕施工的具體實施情況，得出了以下結論。

（1）在粉細砂、粉質黏土地層，大直徑（φ1250mm、φ1500mm）污水管線，埋深5m，距離暗挖大斷面拱頂結構4m的情況下，采用文章所述的管幕施工工法可以保證管線等周邊環境的安全。

（2）管幕施工采用螺旋出土套管頂進工藝施工，出土量控制在理論出土量的95%以下，螺旋鉆桿的頂進轉速控制在5cm/min，可以在保證有效出土的同時，平衡土壓控制塌孔。

（3）管外注漿采用水泥-水玻璃雙液漿，填充與固結圍巖擾動土體。管內填充純水泥漿，水灰比為1∶1，注漿壓力不大于0.5MPa，充盈系數為1.3，可以保證管幕的整體剛度和土體的自穩性。

（4）通過管幕施工引起的土體沉降數據可以看出，管幕施工引起的管線、橋臺等周邊建構筑物沉降量的變化較小，可見采取由中間向兩側對稱施工，盡量縮短施工時間，及時注漿填充，有利于控制土體沉降。

（5）近距離下穿橋臺，采用管幕法施工，需要加密監測及時進行數據分析，根據監測結果及時調整管幕頂進壓力、出土量、注漿量等，并進行動態管理，以有效控制地層沉降。