李鐵生

(1. 北京市軌道交通設計研究院有限公司， 北京 100068； 2. 北京市軌道交通工程技術研究中心， 北京 100068)

0 引言

受道路、地下管線和建(構)筑物等環(huán)境設施的限制，城市中心城區(qū)的地鐵車站大多不具備明挖條件而采用暗挖法施工[1]。洞樁法因具有結構安全性高、地層變形控制效果較好、結構型式靈活等優(yōu)勢，已逐漸成為地鐵暗挖車站施工的主流工法[2]。

為改善暗挖初期支護及二次襯砌受力狀態(tài)，洞樁法地鐵車站多采用拱頂直墻框架結構型式，拱頂超前支護措施一般采用超前小導管、深孔注漿和大管棚等[3-5]。然而暗挖地鐵工程多位于城市建成區(qū)，地下空間已被各種市政管線、建(構)筑物所占據(jù)，某些情況下受限于周邊環(huán)境設施，車站頂板不具備起拱條件，因此車站不得不采用平頂直墻的結構型式。平頂直墻車站開挖跨度較大，在土方開挖初期不利于形成土拱，采用常規(guī)的超前支護措施難以保證開挖面穩(wěn)定和控制土體變形[6-7]。

為解決這一問題，在常規(guī)的洞樁法基礎上進行改進，利用車站上層先行導洞沿車站頂板結構上方打設橫向大直徑密排管幕[8-10]，形成一個能夠抵御結構上部土體荷載的強支護結構，繼而在管幕保護下進行洞樁法后續(xù)施工。管幕洞樁法的最大優(yōu)勢在于解決了傳統(tǒng)洞樁法車站頂板必須起拱的問題，能夠將暗挖車站做成平頂，大大減少了地鐵車站對地下空間的占用，進而減少了地下既有建(構)筑物的拆改量。

目前對傳統(tǒng)拱頂直墻洞樁法地鐵車站小導洞、邊樁及扣拱等設計與施工關鍵技術研究較多[11-14]，但由于管幕洞樁法地鐵車站應用案例較少，僅在北京個別車站采用，國內(nèi)外對于該工法的相關研究較少。文獻[15]結合北京地鐵19 號線某車站，研究了管幕結合洞樁法地鐵車站地層加固及管幕支護技術，但未對管幕洞樁法全過程技術要點進行闡述。本文以北京地鐵19號線工程右安門外站為工程背景，闡述管幕洞樁法地鐵車站的施工工序及工藝特點，對復雜環(huán)境條件下管幕打設、導洞開挖、打樁、扣拱等關鍵技術環(huán)節(jié)進行分析，明確其設計施工中的技術要點。

1 工程概況及施工工藝概述

1.1 工程概況

北京地鐵19號線右安門外站位于南北向右安門外大街與玉林南路路口北側，沿右安門外大街南北向設置，與既有14號線右安門外站換乘。右安門外站為島式車站，有效站臺寬度為13 m。車站主體結構總長248.8 m，為暗挖雙層雙柱3跨結構，標準段結構寬22.6 m，高15.62 m，底板埋深約23 m，頂板覆土厚度約為7.4 m。

站位處右外大街路下市政管線密集，控制性管線主要集中在路下偏西側，南北走向，主要有2 000 mm×2 300 mm電力溝、5 000 mm×3 000 mm熱力溝、D1 100 mm污水管、D1 400 mm雨水管。

右安門外站南側區(qū)間上跨既有地鐵14號線區(qū)間，為避開車站上方大直徑污水管線，車站主體需設計為平頂直墻結構型式，采用上層4導洞管幕洞樁法施工。

車站主體結構所處地層主要為粉細砂②3、卵石圓礫②5、卵石圓礫③5、粉細砂③3、卵石⑦層。本站結構圍巖范圍主要賦存地下水為潛水(二)，水位標高為20.9 m，賦存于卵石⑦層及卵石⑨層中。潛水水位位于車站底板結構上方約2.7 m，車站采用降水施工。右安門外站典型橫斷面如圖1所示。

圖1 右安門外站典型橫斷面圖(單位： mm)

1.2 施工工藝

管幕洞樁法，即在車站上方先行導洞內(nèi)利用小型頂管設備將大直徑鋼管頂入車站頂板初期支護結構上方土體內(nèi)，相鄰鋼管間通過鎖扣進行連接，并在鋼管中灌注水泥砂漿，最終形成管幕支護體系。然后，在管幕保護下開挖小導洞，并在導洞內(nèi)施作邊樁、中樁及鋼管柱、頂縱梁及頂板，與管幕共同構成豎向支撐體系，承受施工過程中的外部荷載，然后分層向下開挖土體，施作二次襯砌，最終形成車站結構。

車站主體結構主要施工步序如圖2所示。

(a) 超前加固地層,開挖先行導洞,自先行導洞內(nèi)沿垂直于車站方向打設管幕 (b) 在管幕保護下開挖上層導洞,各上層導洞間沿縱向錯開一定距離 (c) 在上層導洞內(nèi)施作邊樁、中樁及中柱,在中導洞內(nèi)施作頂縱梁 (d) 開挖拱部土體并施作初期支護,澆筑拱部二次襯砌結構 (e) 向下開挖中板上方土體并澆筑中板及地下1層側墻結構 (f) 向下開挖底板上方土體并澆筑底板及地下2層側墻結構

圖2 右安門外站主體結構施工步序

Fig. 2 Construction sequences of You′anmenwai Station

2 管幕洞樁法設計與施工關鍵技術

管幕洞樁法地鐵車站施工工藝復雜，結構受力轉換頻繁，在設計和施工過程中應對管幕洞樁法的關鍵技術進行全面細致地分析，并給出相應的對策措施，確保施工安全和風險可控。

2.1 管幕設計與施工

管幕打設是管幕洞樁法的控制重點，只有管幕施工達到設計標準、滿足設計剛度，才能保證后續(xù)車站施工的順利實施和周邊環(huán)境的安全。

2.1.1 管幕設計

2.1.1.1 設計參數(shù)

管幕采用D402 mm×12 mm熱軋無縫鋼管，水平間距為452 mm。根據(jù)先行導洞凈寬及管幕操作平臺尺寸，單節(jié)鋼管長度最大為2.65 m，標準段管幕設計總長度為23.6 m(2.65 m×8+2.40 m)。鋼管管節(jié)之間采用等強焊接連接，相鄰鋼管焊縫錯開1 m布置。鋼管之間通過鎖扣進行連接，形成一個連續(xù)的支護結構。管幕打設過程中，標準管先行打設用于定位，而后向兩側打設常規(guī)管。為增強管幕剛度，鋼管內(nèi)填充M10水泥砂漿。

在鋼管側壁焊接DN32 mm×2.75 mm注漿管，頂管完成2～3根后利用管壁注漿管及時進行管外補償注漿，控制地層變形。補償注漿一般采用水泥漿進行灌注，注漿擴散半徑不小于0.3 m。嚴格控制注漿壓力不大于0.3 MPa，防止注漿對周邊管線及路面造成破壞。管幕節(jié)點大樣如圖3所示。

2.1.1.2 管幕結構計算

管幕結構的最不利受力工況是： 邊樁、中樁及中柱施工完成，上層導洞間土體開挖完成，頂板扣拱二次襯砌尚未澆筑。此時，管幕豎向承載結構為邊樁及樁頂結構頂板、中柱及柱頂縱梁，所受荷載為管幕上方的地層土體重力。管幕結構計算采用荷載結構模型，按平面桿系有限元法進行計算，計算過程中不考慮結構初期支護的作用，管幕與下方結構之間的相互作用用只壓彈簧來模擬。管幕結構計算簡圖如圖4所示。

圖3 管幕節(jié)點大樣圖(單位： mm)

圖4 管幕結構計算簡圖

計算結果表明，本工程選用的管幕結構強度及剛度均滿足規(guī)范要求。

2.1.2 管幕施工

管幕施工采用TY-LD600-1250螺旋頂管機，施工工序主要包括施工前準備、機械設備就位、鋼管頂入、鋼管連接、密封注漿及補償注漿，其控制要點如下。

1)為減小管幕施工引起的地層變形，管幕施工采用螺旋鉆孔頂管法，鋼管中間安裝螺旋出土器，以外管頂進為主、管內(nèi)螺旋出土為輔。鋼管的頂進采用欠土方式，出土跟頂進同步進行，鋼管跟土體之間無縫隙，以減小對地層的擾動。該工法具有安全性高、適應性強、打設精度高等優(yōu)點。

2)頂管過程中應嚴格控制頂進速度，使頂進速度與出土相協(xié)調，以減少頂力，控制管幕頂進過程中對土體的擾動。

3)管幕在頂進過程中，如出現(xiàn)出土超量的情況，會加劇管幕上方的地層擾動。施工時應根據(jù)設計出土量對現(xiàn)場進行實時監(jiān)控，若出現(xiàn)頂進速度與出土量不匹配或出土方量嚴重超標的情況，應及時停止頂進并分析原因，在確保地層穩(wěn)定后繼續(xù)頂進。

4)管幕施工過程中應嚴格控制打設精度，若管幕上抬，無法與后續(xù)施工的導洞及頂板結構密貼，將引起較大的地層沉降；若管幕下沉，侵入主體結構，后續(xù)施工時需將侵入管幕割除，將增大暗挖施工風險。同時，若精度控制不當，會對鎖扣造成較大的破壞。管幕施工的允許偏差如下： 圓度允許偏差為±1%；孔位偏差為±20 mm；軌跡偏差為1%。管幕施工時，利用鉆桿內(nèi)裝入的光學裝置，通過全站儀來測量方位，及時發(fā)現(xiàn)管幕鉆進的偏差，通過鉆桿及時調整鉆頭前端的楔形板方向進行糾偏，嚴格控制軸線，確保施工精度。施工結果表明，管幕打設精度控制滿足設計要求，管幕鎖扣基本未破壞。

5)管幕打設完成后，及時拔出鉆桿，對管幕端頭進行封堵，并預留砂漿填充口和出氣孔。根據(jù)設計要求，應對管幕內(nèi)部采用砂漿填充，砂漿填充過程中應嚴格把控預拌砂漿質量，利用出氣觀察孔，確保砂漿充填密實。同時，利用管幕外側補償注漿管，及時對管幕外側的地層進行補償注漿。

6)車站管幕上方鄰近多條市政管線，其中與直徑1 100 mm污水管凈距不足0.5 m，施工中應加強控制，防止對管線造成破壞，主要采取以下措施： 施工前做好對管線的調查工作，確切掌握管線類型、材質、接口形式、建設年代及滲漏情況等信息，特別要注意準確核查管線埋深； 施工過程中及時進行糾偏，記錄每缸頂進高程變化，對數(shù)據(jù)進行分析，及時采取措施，防止打設過程中管幕上浮對管線造成破壞； 施工過程中關注油缸頂力變化，當頂力數(shù)據(jù)異常時，應立即停止施工，對原因進行分析，得出明確結論無風險后方可繼續(xù)施工。

2.2 導洞設計與施工

2.2.1 導洞設計

車站上層設置4個導洞，其中，先行導洞作為管幕和邊樁打設的工作空間，上方并無管幕支護，采用拱頂直墻的結構型式；上層其他導洞是邊樁、中樁及中柱的工作空間，在管幕打設完成后實施，采用平頂直墻結構型式。導洞凈空尺寸應滿足管幕、邊樁、中樁及中柱施工的作業(yè)要求，同時由于上層導洞覆土較淺且鄰近諸多市政管線，出于結構自身及環(huán)境安全的考慮應盡量減小導洞尺寸。車站管幕采用頂管法施工，邊樁及中樁采用機械成孔施工，中柱采用鋼管混凝土柱且分節(jié)下放安裝，綜合考慮后導洞凈空尺寸確定如下： 先行導洞取4.6 m×5 m(寬×高)，其他導洞取4 m×4.5 m(寬×高)。各導洞凈空尺寸如圖5所示。

圖5 導洞凈空尺寸設計圖(單位： mm)

2.2.2 導洞施工

為減小導洞開挖對周邊環(huán)境的影響，先行導洞拱部采取深孔注漿進行土體加固，注漿范圍為開挖輪廓線外1.5 m，開挖輪廓線內(nèi)0.5 m。注漿漿液根據(jù)地層確定，注漿壓力為0.6～0.8 MPa，每開挖10 m進行1次深孔注漿，注漿長度為12 m，注漿區(qū)域搭接長度為2 m。注漿孔位按0.6 m×0.6 m梅花形布置。

導洞采用臺階法施工，上部臺階預留核心土，上下臺階間錯開3～5 m。導洞開挖順序采取“先邊后中、錯洞開挖”的原則，首先，開挖先行導洞，在先行導洞內(nèi)打設橫向管幕；然后，開挖右側上層邊導洞； 最后，開挖上層中導洞，相鄰導洞縱向錯開距離不小于2d(d為小導洞開挖寬度)。同時，導洞開挖應及時進行初期支護背后注漿，嚴格控制注漿壓力，若出現(xiàn)較大地層沉降應進行多次補漿。

為保證豎向力的傳遞從而減小導洞上方的地層沉降，導洞頂板初期支護應與管幕結構密貼，若兩者之間存在空隙，應在導洞上部格柵架立時，在側墻頂部采用鋼板將空隙塞實，然后再噴射混凝土。

2.2.3 先行導洞側壁加強

管幕在先行導洞側壁向外打設，由于管幕自身直徑較大且密排設置，對導洞側壁格柵的削弱很大。為保證導洞結構的整體性，設計時采取如下加強措施： 在管幕開洞位置上方和下方的格柵鋼架上分別焊接500 mm×300 mm×10 mm(長×高×厚)預埋鋼板，沿縱向密排設置；在預埋鋼板外側設置402 mm×250 mm×10 mm(長×高×厚)異形幫焊鋼板，分別與預埋鋼板和鋼管焊接。先行導洞側壁開洞加強做法如圖6所示。

(a) 剖面圖 (b) 立面圖

圖6 先行導洞側壁開洞加強圖(單位： mm)

Fig. 6 Strengthening measures for sidewall opening of pilot tunnel (unit: mm)

2.3 洞樁設計與施工

2.3.1 洞樁設計

車站邊樁兼顧擋土和支頂?shù)碾p重作用，承擔底板結構封閉前的側向土壓力及頂拱傳遞的豎向荷載，為臨時受力構件，應按壓彎構件進行承載能力驗算。經(jīng)計算，邊樁選用D800 mm@1 400 mm鉆孔灌注樁，樁底位于底板下6 m。

車站中樁承擔底板結構封閉前頂拱通過中柱傳遞下來的豎向荷載，中樁與中柱對應設置，縱向間距一般取6～8 m。因中樁縱向間距較大且頂板覆土較厚，故其承擔很大的豎向荷載。中樁按端承摩擦樁進行豎向承載力驗算，并采取后注漿措施，對樁端、樁側進行復式注漿。經(jīng)計算，邊樁選用D1 800 mm@7 000 mm鉆孔灌注樁，樁底位于底板下13 m。

同時，應嚴格控制施工過程中邊樁與中樁之間的相對升沉，施作結構底板前，相對升沉的累計值不得大于0.003l(l為邊樁和中樁軸線間的距離)，同時也不宜大于20 mm。

2.3.2 洞樁施工

由于邊樁和中樁在暗挖小導洞內(nèi)施作完成，施工時需要局部破除導洞底部初期支護，對導洞的穩(wěn)定性和整體沉降有一定影響。成樁時導洞底部初期支護破口處采用6根φ25 mm環(huán)形鋼筋(分為上下2層)搭接焊成環(huán)，與底板格柵主筋焊接牢固。

為防止邊樁施工時因相鄰2樁施工距離太近或間隔時間太短造成塌孔，邊樁采取“隔3挖1”的跳孔法施工，且需在相鄰樁混凝土達到75%的設計強度后，邊樁才可進行成孔施工。由于中樁間距較大，中樁采用順序鉆孔方式施工。

洞樁施工采用泵吸反循環(huán)成孔施工工藝，應做好清孔處理，控制沉渣厚度，保證樁端承載力滿足設計要求。本工程洞樁穿越松散的粉細砂層，在鉆孔過程中應控制鉆進速度并提高泥漿護壁質量，根據(jù)砂層的孔隙度、水壓配置相應稠度的泥漿，防止塌孔。成樁地層大部分為砂卵石地層，其中卵石⑦層、⑨層卵石粒徑較大，局部分布大塊漂石，應嚴控鉆孔垂直度，保證樁體不侵入主體結構。

2.4 扣拱及后續(xù)工序

對于常規(guī)的拱頂直墻洞樁法車站，扣拱施工引起的地表沉降較大。對管幕洞樁法而言，扣拱實施之前，管幕下方的豎向支撐體系已經(jīng)形成，而且密排大直徑管幕具有非常大的抗彎剛度，故扣拱施工對結構自身安全和周邊環(huán)境的影響很小。因管幕洞樁法車站扣拱采用平頂結構，施工時要加強初期支護背后和二次襯砌背后注漿，確?？酃芭c管幕之間密貼不脫空。

扣拱完成后，管幕洞樁法后續(xù)施工工序還包括： 地下1層土方開挖、中板及側墻二次襯砌澆筑、地下2層土方開挖、底板及側墻二次襯砌澆筑。上述工序引起的地層沉降很小，且在相關文獻中已有較多論述，故本文不再贅述。

3 施工監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析可知，車站地表最大沉降點位于車站中部。選取一典型監(jiān)測斷面，車站主體結構施工完成后中部地表沉降值為55.8 mm。各施工階段引起的地表沉降值統(tǒng)計如表1所示。

表1 車站中部各施工階段地表沉降值統(tǒng)計表

Table 1 Statistics of surface settlement of each construction stage in middle of station

施工階段 地表沉降值/mm占最終沉降比例/%先行導洞開挖8.214.7管幕打設16.329.2導洞開挖完成22.740.7扣拱完成5.29.3后續(xù)工序3.46.1 合計55.8100

由表1可知： 1)管幕洞樁法車站主體結構完成后的最終沉降值為55.8 mm，該數(shù)值與常規(guī)的拱頂直墻洞樁法車站相比較?。?2)管幕打設和導洞開挖(包括先行導洞開挖和導洞開挖完成)引起的地表沉降占最終沉降值的比例為84.6%，是管幕洞樁法引起地層沉降的關鍵工序； 3)管幕打設引起的地表沉降值為16.3 mm，其對周邊環(huán)境的不利影響在可控范圍內(nèi)。

4 結論與討論

本文以北京地鐵19號線工程右安門外站為工程背景，論述了管幕洞樁法地鐵車站設計施工過程中的關鍵技術，并對施工監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了分析，得出結論如下：

1)管幕洞樁法施工可減小地鐵車站對地下空間的占用，且對周邊環(huán)境和地表沉降影響較小，適合修建超淺埋、大斷面、復雜地質條件下的暗挖地鐵車站。

2)管幕打設和導洞開挖引起的地表沉降占最終沉降值的比例較大，是管幕洞樁法設計與施工的關鍵工序，應采取有效工程措施減小其對環(huán)境的影響。

管幕洞樁法起步較晚，工程經(jīng)驗積累較少，目前僅依托個別工程對其施工引起的變形特點及控制措施進行研究，并未形成系統(tǒng)性結論。尤其是在導洞內(nèi)進行的管幕施工目前各單位施工水平差異較大，尚未形成統(tǒng)一規(guī)范的做法，不利于安全、進度及成本控制。下階段應綜合考慮環(huán)境條件、地層狀況、結構跨度等因素確定管幕施工參數(shù)，總結施工經(jīng)驗，優(yōu)化管幕打設工藝，進一步減小管幕施工的造價、工期及對環(huán)境的不利影響。