超淺埋管幕頂進支護試驗研究

宋增亮

摘要 為研究超淺埋下鋼管幕頂進施工引起的沉降、成品的精度控制以及選取合適的施工方案，文章以濟南R3線奧體中心西換乘站工程為依托，通過采用現場試驗及后期施工效果驗證，對整個管幕頂進周期內進行分析，研究不同工況下管幕頂進的規律。試驗表明：采用插入型鋼作為管幕頂進后背兼做基坑支護、設置限位器控制管幕精度、同步頂進、破巖截齒鉆頭組合方案采滿足施工要求，且在該地層條件下可行，且施工精度及沉降可控，施工效率高。

關鍵詞 超淺埋管幕;現場試驗;管幕頂進

中圖分類號 TU990.3 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）01-0167-04

0 引言

管幕法作為暗挖工藝的一種，其原理是通過利用小口徑頂管機建造暗挖初期支護，同時也可將支護和結構做成一個整體，進而大大縮短了工期。1971年，日本在kawase-Inae通道工程中首先采用了管幕法，隨后得益于其施工產生的小沉降，對上方已有建筑的影響較小，比利時、新加坡等國家開始將該方法應用到地下工程中[1]。

管幕法在國外有40多年的發展歷史，很多項目都取得了不錯的效果[2]。在國內，1984年，香港在修建地下通道時首次應用管幕工法。蘇榮軍等對軟土地層淺覆土下鋼管幕頂進施工引起的地層沉降規律與機制，采用現場試驗方法，對管幕頂進周期內地表沉降進行分析，結果表示單根鋼管頂進時后半段隆起，但其值在精度允許范圍之內[3]。該文結合在已有研究的基礎上，對管幕頂進行試驗分析，為實際施工提供保證。

1 工程簡述

1.1 工程概況

奧體中心西換乘站采用暗挖法（橫向洞蓋法）施工，車站全長273 m，寬24.1 m，基坑深度約為18.5 m，結構覆土約3～4 m，屬于超淺埋大斷面暗挖車站施工。施工平面圖如圖1所示。

1.2 管幕概況

為保證小導洞施工及扣拱施工過程中沉降、安全可控，在拱部以上設置Φ406，t=18 mm管幕進行支護，作為下部開挖的保護措施。管幕位于黏土（摻雜較多較大的塊狀石）地層內，無地下水，管幕下1 m位置為中風化石灰巖層，圖2為管幕縱斷面圖。

車站位于經十路（路口處雙向18車道）下方，車流量極大，管幕覆土僅3 m，且地面1.5 m以下存在多個濟南市各專業主管道，因此管幕施工核心是精度控制及過程沉降控制。

2 現場試驗

2.1 試驗準備

管幕試驗前將場地整平，場地平整時避免臨時填土，且為保證試驗結果的真實有效性，該次試驗管幕工作坑采用型鋼支護，工作坑的寬度值與實際工作坑寬度值保持一致，取5.4 m，基坑深度為4.5 m。

為保證管幕能順利從型鋼中間穿過，要求型鋼施工時，平面定位及樁體打設傾斜值沿車站縱向累計最大誤差不超過20 mm，同時應保證基坑兩側型鋼位置的對應關系，確保兩側管幕能夠在基坑內順利連接。

另外，管幕參數與實際工程保持一致：鋼材為Q355B，φ406x18@600，在其內部填充微膨脹水泥砂漿（M20），管幕外側旁焊φ42注漿管，隨管幕一同頂進。

2.2 管幕試驗

車站土層中管幕約374根，管頂覆土深度為3.3～3.6 m。試驗管幕采用3臺設備進行頂進，每臺設備施工3根管幕，管幕頂埋深取3.4 m，相鄰管的間距為600 mm，單根管頂進長度為16.5 m。

通過對比設置型鋼導向器、管幕限位器，來明確試驗管幕的偏差結果。

該次試驗采用三種形式的鉆頭如圖3所示，1#鉆機采用錐心鉆頭，2#鉆機采用糾偏斜板鉆頭，3#鉆機采用破巖截齒鉆頭，另外每種鉆頭也分別采用三種不同的頂進方式：欠土頂進、鉆頭超前以及正常同步頂進。通過對比試驗管幕的偏差結果，從而確定正式施工時可選用最佳的施工工藝。

3 試驗結果分析

為方便統計數據，該次試驗管幕編號及對應設備工藝如表1所示。

3.1 沉降分析

在每根試驗管幕地面上方設置兩處沉降監測點，經測量統計，當采用破巖截齒鉆頭頂進施工時，管幕最大累計沉降為3.3 mm，滿足沉降要求。各鉆孔累計沉降圖表如圖4所示。

3.2 功效分析

在每根試驗管幕頂進過程均進行記錄，該次統計時間包含管節焊接時間，經統計，最長頂進時間為32 h，最短頂進時間為21 h。各管幕頂進周期如圖5所示。

由柱狀圖可知當采用錐心鉆頭或糾偏斜板鉆頭時，每個周期內管幕頂進平均時間約為30 h。當采用破巖截齒鉆頭時，每根管幕頂進的平均時間約為25 h，較前兩種鉆頭節省16.7%的時間。

3.3 精度分析

3.3.1 型鋼支護樁精度分析

基坑開挖后，測量型鋼支護樁的垂直度，經測量數據如表2所示：

根據試驗結果統計可得出，在該地層條件下，在沒有限位器的情況下，型鋼支護樁精度能滿足要求。

3.3.2 管幕精度分析

為確定管幕精度控制效果，在管幕另一端進行開挖測量驗證，試驗管幕偏差統計如表3所示。

經實際測量驗證，1#、2#鉆機管幕頂進末端水平及豎向誤差均小于20 mm，偏差較小。3#鉆機管幕頂進末端水平誤差、豎向誤差數據略大于1#、2#鉆機，但偏差仍在允許范圍內，滿足要求。

4 結論和建議

（1）錐心鉆頭及糾偏斜板鉆頭對精度控制、沉降控制優于破巖截齒鉆頭，三者在允許偏差范圍內，均滿足沉降要求。

（2）對比三者的能效分析，在土層中夾雜石塊的地層、砂卵石層、風化石層的地層條件下，破巖截齒鉆頭功效最高，每根管幕頂進時間節省約16.7%。

（3）通過沉降及精度分析，在超淺埋管幕頂進施工中，采用頂進限位器加型鋼導向器方式進行施工控制，精度及沉降能得到有效控制，且偏差在允許范圍內[4]。

（4）通過進行多組試驗，設備機具配置及工藝流程工效都得以驗證，得到了所需主要施工參數。在該地層條件下，管幕頂進宜采用破巖截齒鉆頭，采取正常同步頂進的方式進行施工。

參考文獻

[1]None.Jacking under Singapore's busiest street：Darling，P Tunn TunnlgPacific Rim Special Issue，Summer 1993，P19-23[J].International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences & Geomechanics Abstracts，1994（1）：A58.

[2]袁金榮，陳鴻.利用小口徑頂管機建造大斷面地下空間的一種新手段——管幕工法[J].地下工程與隧道，2004（1）：23-26+56-57.

[3]蘇榮軍，陳立生.軟土地層淺覆土下鋼管幕頂進沉降分析[J].隧道建設（中英文），2018（7）：1236-1242.

[4]孫旻，徐偉.軟土地層管幕法施工三維數值模擬[J].巖土工程學報，2006（S1）：1497-1500.