超級管幕技術在城市地鐵中的應用

杜欣

一、工程概況

某地鐵位于XY市中心，車站為島式車站，站臺寬15m、長336.8m，總建筑面積為24590.9m2，車站標準段為暗挖雙層雙柱三跨結構，中間下穿既有線區間隧道為暗挖單層單洞結構（長36.5m），北端為暗挖雙層三柱四跨結構（長49.7m）。有效站臺中心里程處雙層結構覆土約15.2m，車站有效站臺中心處底板埋深約33.6m。車站共設置4個出入口通道及2組風亭。設置南、北兩側換乘通道與既有6號線東大橋站換乘。車站南、北端區間均采用礦山法施工。

二、深埋、富水地層暗挖工法相關研究

（1）盾構法。盾構法是國外進行深層隧道施工的主要工法之一，不少地鐵車站也在盾構法的基礎上進行拓展成站，如日本和俄羅斯。

（2）注漿法。目前的淺埋暗挖工法（PBA法、分部開挖法等）在工藝上均以無水條件作為實施前提，無法解決在水中構筑暗挖車站的難題。北京地鐵建設中，在沒有降水條件下，一般采用了大量注漿加固洞室周邊土體形成隔水層的方式，來實現地下結構的開挖作業。

（3）新意法。上世紀70年代，意大利在某地鐵建設過程中首次運用了“巖土控制變形分析法”（ADECO-RS），后更名為“新意法”。該施工方法是在新奧法的基礎上逐漸衍生出來的一種新的施工方法，指的是通過項目所在區域內巖體類型確定支護體系和支護參數的一種地鐵建設方法，其目的是通過核心土的強度和剛度控制圍巖產生變形問題。

（4）新管幕法。意大利米蘭在上世紀90年代通過運用新管幕法建設完成了外界條件復雜多件（即區域內具有多層建筑物基礎、地形地質條件較差）的Venzia大跨度單拱車站，該車站開挖跨度超過了29m，覆土僅為4m。隨后，韓國也通過應用這一工法，并依據該國的實際情況對這一工法進行了改良和創新。

我國在2008年的沈陽地鐵2號線的新樂遺址站主體結構及風道建設中首次引進了新管幕工法，并在土層中完成了大型暗挖地下室建設，積累了盾構過站與車站建設同時開展的經驗。

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三、超級管幕法（SPR工法）施工設備和方法

1. 水平螺旋鉆進法

水平螺旋鉆進法具有精度較高、造價較低的特點，廣泛應用于鋪設鋼管和套管，用來穿越鐵路、公路和路基。該工法主要通過以下2個步驟完成：利用軌道式水平螺旋鉆進、掉架式水平螺旋鉆進。

在通常情況下，水平螺旋鉆鋪管長度在30～100m之間，需要使用專業的機械設備，并鋪設200m以上的管道，鋼管直徑范圍為100～1600mm，常見的管道直徑為200～900mm。水平螺旋鉆進法適用于砂層、黏土、小卵石、軟巖甚至是大卵石地層（卵礫石最大直徑小于套管直徑1/3），最適宜于密實含砂黏土層。

2. 頂管法

頂管法是當前地鐵建設中一種新興的地下管道施工方法，可穿越各種類型的障礙物，比如公路、鐵道、山川、河流以及復雜的地下管線等。現階段，隨著頂管掘進施工技術的不斷發展，頂管施工方法可適用于超過250～3500mm等不同長度的管徑。

3. 夯管法

顧名思義，夯管法指的是使用夯管錘組織和實施施工的一種方法，是一種無需開挖的施工技術，夯管法僅可以對鋼管進行施工，使用的是無縫鋼管，且無縫鋼管的厚度需要滿足國家規定的相關要求，管徑為200～2000mm，目前施工速度可達15～30m/h。

4. 盾構法

盾構法是一種借助機械設備且無需開挖的一種施工方法，它指的是將盾構機械設備在地層中推進，通過盾構外殼和管片支撐四周的圍巖，防止發生坍塌，同時在開挖面的前方通過使用切削裝置完成對土體的開挖，將渣土通過機械設備運出洞外，再借助千斤頂在后部施加頂進壓力，拼裝預制混凝土管片，完成隧道建設的一種機械化的施工技術。

四、新型地鐵車站阻水暗挖工法研究-超級管幕法（SPR工法）

1. 超級管幕法（SPR工法）

超級管幕法車站以標準雙層三跨暗挖車站為原型設計的。其初期支護體系為：大直徑（3m）鋼管+小直徑（1m）鋼管幕形成的縱向受力構件配合每隔一定間距（一般可設置為20m）形成的內撐環梁環向受力構件共同組成了大管幕受力的三維框架體系；防水體系為：環向大小管幕+管幕間閉水鎖扣構成的環向防水結構和每隔一定間距（一般可設置為50m）由大直徑管幕向待開挖土體內注漿形成的縱向注漿防滲墻組成。縱向注漿防滲墻一方面可以有效封堵縱向地下水的滲入，將已經開挖的土體劃分為無水分區，另一方面可以作為一種受力構件起到支撐內墻的重要作用，是大管幕重要的受力指點，減少了降低大管幕的跨度，改變其受力狀況。

2. 大管幕工法基本工序

（1）通過利用車站端部的豎井，通過非開挖的方式（頂管、夯管）沿著車站的縱向方向設置大直徑為3m和小直徑為1m的鋼管管幕，管幕和管幕之間通過止水鎖扣連接在一起，鎖扣內注滿防水油脂。

（2）大直徑管幕每隔一段距離（50m）從鋼管至待開挖的土體內設置注漿管，并進行注漿，形成注漿防滲加固墻和縱向止水阻塞體，縱向管幕阻塞體將管幕內的土體分為不同的無水土倉。

（3）每隔15～20m的距離在大直徑管幕內開洞，沿著車站輪廓線通過曲線頂管或者人工挖孔的方式施作鋼筋混凝土，形成內撐環梁，然后分別在兩組大直徑鋼管中同時施工，形成豎向鋼管混凝土永久結構。

（4）在直徑為3m的管幕內綁扎縱向鋼筋，形成頂（底）縱梁。利用端部豎井橫通道分別對大直徑（3m）和小直徑（1m）鋼管完成混凝土的回填。

（5）在已經形成的縱向管幕混凝土與橫向內撐環梁結構體系的保護下，采用“全斷面棚架法”完成對隧道內剩余土體的開挖，對于兩層或多層車站，可在中樓板位置處設置臨時橫向支撐（或自上而下逆作先施工上半斷面二襯結構，及時施工中板，為結構提供強支撐）。

（6）自下而上修筑二襯混凝土永久結構。待車站全部施工完成后，使用渣土回填永久結構和圍護結構之間的孔隙。

五、SPR工法管幕鎖扣閉水室內試驗

1. 管幕間止水鎖扣的形式

本次通過對半圓形鋼管鎖扣、圓形鋼管鎖扣、雙環型鋼管鎖扣、T型鋼管鎖扣和一字型鋼管鎖扣五種形式鎖扣的實驗，不同鎖扣之間通過卡扣連接在一起，卡扣采用鋼管或者角鋼制作與焊接而成，鎖扣和鋼管的長度均為1m，毛刷使用帶狀的毛刷，使用防水膠粘接于卡扣內。

管幕間止水鎖扣的優勢和創新之處在于：在鎖扣內部加入了盾尾密封油脂，并使用毛刷涂抹，盾尾油脂中含有豐富的纖維，形狀為粘稠狀，可以有效抵抗水壓力。同時，盾尾密封油脂還具有超強的疏水性能，將其注入鎖扣內部，可以實現良好的管幕隔水效果。同時，為了增加盾尾密封油脂在鎖扣內的摩阻力，防止其被水壓沖走，需要在鎖扣內部設置毛刷。這樣一來，毛刷與盾尾密封油脂的組合使用，就會形成一個柔性閉水阻塞結構，這種形式的鎖扣在防水和耐壓的同時，還可以更好地阻隔地下水的滲入。

2. 試驗結果統計

根據對實驗室內盾尾密封油脂和不同類型鎖扣組合后地下水滲透效果的統計，鎖扣最大的耐水壓力、保持時間達到了施組設計中的相關要求。同時，由于是以0.5MPa進行逐級施壓的，穩定耐水壓力（不滲透水超過了20min）減去破壞壓力0.05MPa。

3. 試驗結果分析

通過對實驗數據的分析可以得出：在閉水環節，盾尾油脂有著明顯的區別，主要表現在鎖扣類型的選擇上，從不同類型鎖扣地下水滲透的情況來看，雙環形鎖扣＞圓形鎖扣＞T字形鎖扣＞一字型鎖扣。但是，由于鎖扣內的毛刷吸收了一部分盾尾油脂，環形鎖扣和圓形鎖扣留給盾尾油脂的空間少之又少，十分容易出現油脂填充不密實的問題。故此，T型鎖扣更具有一定的優勢。實驗結果表明：鑫山盟牌盾尾油脂填充下的T字形鎖扣的止水效果良好，最大耐力壓為0.55MPa，試驗在5min的情況下依然不會破壞，穩定性壓力為0.5MPa，不滲水超過了20min。

4. 試驗結論

本次試驗分析得出初步結論如下：

（1）管幕和管幕之間通過鎖扣連接于一起，并配合使用毛刷和盾尾油脂組合的方式可以達到預期的效果；

（2）毛刷和盾尾油脂共同組合而成的閉水柔性阻塞結構，不僅具有良好的隔水性能，還具有一定的耐水壓力和承受能力。

六、工程永久防水解決方案法

大管幕工法施工的車站永久防水依據車站二襯結構施工情況采取以下幾種方案：

1. 復合式襯砌防水

對于三跨兩柱施做標準二襯、兩跨單柱并施作薄層二襯等施做有二襯結構的深層車站站型而言，其防水與傳統地鐵車站并無太大差異，也采用防水性能較好的復合式襯砌防水結構。主要包括三道防水防線：

（1）直徑不同的鋼管和不同類型的鎖扣共同構成了一道主要的防水防線。在管幕打設過程中，鎖扣內填充防水油脂解決了施工期地下結構的防水問題。在管幕施工完成后，由鎖扣內預埋的注漿導管向鎖扣內壓力注漿，將防水油脂擠入地層中并注入混凝土漿液填充鎖扣及管幕之間的空隙，以此注漿材料作為永久防水的一部分。

（2）在大管幕初支結構內測、二襯結構外側施做一層柔性外包防水。外包防水材料選用高分子樹脂板材，常見的如ECB、EVA防水板材等。柔性外包防水材料不僅具有很好的防水性能，而且起到了隔離和潤滑初支結構和二襯混凝土的作用。

（3）柔性外包防水內施做二襯永久鋼筋混凝土結構，二襯結構不僅是地鐵車站永久受力結構，也是最重要的一道防水防線。依靠“高性能補償收縮防水混凝土”來實現結構自防水，常用的混凝土為P10抗裂防水混凝土。

2. 大管幕結構防水

對于無二襯大管幕地鐵車站而言，環向防水需依靠大管幕結構來完成，端墻防水為傳統外包防水形式。

大管幕鋼管和管幕之間的鎖扣永久防水構成環向防水。鋼管不能直接作為永久防水材料，需在外表面包裹防水卷材，考慮到外包防水卷材在管幕打設過程中很容易損壞，故提出了鋼管管幕+防水卷材+薄層鋼板保護層復合式結構。依靠管幕完成后在鎖扣內壓力注漿顯然不能滿足管幕間鎖扣永久防水，需在管幕內側焊接防水鋼板，并在鎖扣與鋼板間注入“高性能補償收縮防水混凝土”形成第二層防水層。鎖扣永久防水節點圖如圖1所示。

圖1 鎖扣永久防水節點圖

七、結語

SPR工法（超級管幕法）形成的地下結構形式是一種新型的地下結構形式，其采取了與傳統淺埋暗挖法（新奧法）不同的施工方式和手段，完成了地下大型空間的建造。其工藝思路即為充分利用非開挖機械工藝，以形成一個封閉的地下隔水環境，在此基礎上進行無水施工作業，完成地下結構建造的方法。該工法解決了承壓水給深層地鐵工程建設帶來的難題，一線城市下一步軌道交通線路設計，部分車站在埋深腹水地層施工中的難題得到了根本的解決。