管棚法在地铁出入口暗挖施工中的应用研究

尤旭东 付 财 韩圣铭 李方政

（1.上海轨道交通十三号线发展有限公司，200070，上海；2.北京中煤矿山工程有限公司，100013，北京；3.天地科技建井研究院，100013，北京∥第一作者，高级工程师）

在城市地铁施工中普遍采用明挖大揭盖的方法，虽然其技术较成熟，应用较广泛，却严重干扰了地面交通，并且破坏环境。浅埋暗挖法是一种在离地面很近的地方施行各种地下结构暗挖施工的方法，对地面交通影响较小［1-2］。由于施工中场地环境、地下管线错综复杂，如何在有效加固地层的基础上，防止施工过程中土方坍塌并有效控制地表和管线沉降，是暗挖工程施工中经常遇到的难题之一［3-4］。为解决这一难题，目前工程中常采用管棚法与冻结法相结合的施工方法。

1 工程概况

上海某地铁出入口位于交通繁忙的金沙江路上，由于地铁车站施工原因，出入口所处路段为单向2车道，车流量十分大。出入口顶板覆土较浅，仅为6.4m。地下管线众多，主要有上水管、煤气管道、雨污水管道等。出入口所处地层为②1砂质粉土、②3－1灰色砂质粉土、④淤泥质黏土及⑤1－1黏土层。出入口土层及管线位置如图1所示。

综合考虑交通影响、管线安全、施工安全及施工工期等因素，决定采用管棚法加冻结法相结合的方法进行施工。

管棚是利用钢管作为纵向支撑、钢格栅拱架作为横向环形支撑，构成纵、横向整体刚度较大，能阻止和限制围岩变形，并能提前承受早期围岩压力的一种超前支护形式。

冻结法是利用人工制冷技术，使地层中的水冻结，把天然岩土变成冻土，增加其强度和稳定性，隔绝地下水与地下工程的联系，以便在冻结壁的保护下进行隧道、立井和地下工程的开挖与衬砌施工。其实质是利用人工制冷技术临时改变岩土的状态以固结地层。

本工程即利用低碳无缝钢管作为管棚支护，并在其中循环低温冷媒剂进行冻结，形成冻土帷幕后在管棚及冻土帷幕的双重保护下进行暗挖作业施工。

2 数值模拟

如何减小冻结施工过程中冻胀对管线及地面的影响，防止结构变形及失稳破坏，避免出现地面过量沉降和坍塌，是本工程的重点。根据本工程的工况，首先利用ANSYS软件进行数值模拟。

模型平面选取应变单元，模型尺寸为长50m、高20m。由于热分布与应力分布相互影响较小，故先进行热力学计算，得到温度场分布，然后转入力学计算。热力学计算单元类型选取plane55单元。力学计算选用与之对应的plane182单元。计算模型如图2所示。

图1 土层及管线位置示意图

图2 数值模拟计算模型

由于出入口结构跨度较大，考虑在结构面中轴线增加2排加强冻结孔，以减小开挖面跨度。假定积极冻结天数为40d，计算得出不卸压情况下40d时土体位移分布图，如图3所示。可以看出，土体内部最大位移量达到＋0.159m，地表最大隆起达到＋0.14 m。可见，对土体冻结时的冻胀效应引起高度重视，必须采取措施减小冻胀对地下管线及地表的影响。

根据数值模拟的结果，针对冻结时土体冻胀效应对地表及管线的影响，对冻结孔布设进行相应改进：在结构面顶部及结构内部增设卸压孔，冻结施工过程中根据沉降数据进行卸压工作，以控制冻胀对地面及管线的影响。增设卸压孔后，通过在ANSYS软件中对非冻土设置线膨胀系数的方法，模拟卸压孔卸压过程。卸压后地表位移云图如图4所示。

图3 积极冻结40d土体位移分布图

由图4中数据可以看出，利用卸压孔进行卸压操作后，地表隆起值明显减小。

冻结壁化冻过程会使土体原有结构破坏，土颗粒固结，引起融沉现象。模拟假设融沉率为10%，计算冻结壁融化后土体位移变化情况。如图5所示，土体最大沉降量为－0.22m。可见，在冻结壁融化过程中必须及时进行融沉补偿注浆，保证把地表沉降控制在合理范围内。

图4 利用卸压孔卸压后地表位移云图

图5 冻结壁融化后地表沉降分布云图

3 冻结设计

参考数值模拟的计算结果，针对本工程的特点及施工控制要求，进行冻结设计。工作井侧冻结孔布置如图6所示。车站侧冻结孔布置见图7。

主要冻结参数如下：

（1）冻结壁设计有效厚度，1.8m；

（2）冻结壁设计平均温度，≤－10℃；

（3）积极冻结时间，40d；

（4）冻结孔，91个；

（5）卸压孔，37个；

（6）解冻孔，10个；

（7）测温孔，19个。

图6 工作井侧冻结孔布置图

图7 车站侧冻结孔布置图

工作井侧上部温控区域（图6中泄压孔Xx1－Xx17、泄压孔Xp13－Xp20、解冻孔Fx1－Fx3、解冻孔Fp1－Fp7、测温孔Cp8－Cp14）及最上排冻结孔（Dp2－Dp14）的低碳无缝钢管兼作管棚作用，在开挖作业施工时，可增强开挖面前上部地层的承载力。

4 冻结法施工

4.1 土体改良

由于开挖区域位于砂质粉土地层，含水量高，为防止在钻孔和开挖施工时造成塌孔等不良现象，在钻孔之前需对结构面的土体进行注浆改良。在工作井侧均匀布置25个注浆孔，利用双液注浆泵进行注浆，注浆量按照土体松散状态体积的15%来计算。注浆孔位置图见图8。

图8 预注浆孔位置图

4.2 冻结孔施工

冻结孔成孔采用二次开孔工艺，然后用水平钻机和夯管锤成孔。冻结管选用Φ89×8mm低碳钢无缝钢管，采用内节箍对焊连接。供液管采用Φ48×4.5mm焊接钢管。冻结孔施工完毕进行管路打压试漏，试压合格后进行安装工作。

4.3 积极冻结

冻结管路安装完毕后，进行冻结设备调试及试运转。在试运转时，要逐步调节能量、压力、温度和电机负荷等状态参数，使机组在有关设备规程和运行要求的技术参数条件下运行。试运转正常后转入正式冻结。

在冻结过程中，每天必须巡视冻结情况，检测测温孔温度，并根据测温数据，分析冻土帷幕的扩展速度和厚度，预计冻土帷幕达到设计厚度的时间。

4.4 冻胀控制措施

在出入口地面主要管线的下部设置温控区域，以卸压及临时加热控制冻结壁发展的方式减轻冻胀对地面及管线的影响。温控区包含卸压孔、解冻孔、测温孔，其孔位布置如图9所示。

图9 温控区孔位布置图

对测温孔进行观测，一旦测温孔温度降至0℃以下，即通过解冻孔进行人工强制解冻，确保卸压孔周边土体不被冻结，保证卸压孔有效性。根据地面沉降监测，如地面出现持续隆起趋势时，立刻打开卸压孔阀门，使用清水冲洗卸压孔。

4.5 开挖构筑施工

根据本工程的特点，将通道分为6块区域进行开挖。开挖分区示意图如图10所示。

图10 通道开挖示意图

先进行Ⅰ区的开挖及初期支护，开挖进尺达3 m后进行Ⅲ区的开挖及初期支护。Ⅰ区及Ⅲ区开挖至对侧地连墙后，进行Ⅱ区的开挖及初期支护工作，开挖进尺达3m后进行Ⅳ区的开挖及初期支护。通道挖通后对顶部和侧墙喷射素混凝土，以提高初期支护强度。

左右侧通道完全挖通并完成初期支护后，对侧墙喷射素混凝土。最后进行V区和VI区的开挖及初期支护工作。

开挖施工完成后进行防水施工。采用PVC（聚氯乙烯）防水板进行全包防水处理，缓冲层采用土工布。

防水施工完成后进行钢筋绑扎，然后再安装模板并浇筑混凝土。

4.6 地层融沉注浆

结构施工完成后进行融沉补偿注浆工作，注浆浆液以水泥－水玻璃双液浆为主，遵循多点、少量、多次、均匀的原则，注浆范围为整个冻结区域。

4.7 沉降监测

施工完成后，本工程管线最大隆起量为＋11.4 mm，地表最大沉降量为－12.4mm。煤气管线及雨水管线沉降数据如图11、图12所示。从图中可以看出：积极冻结前期，管线抬升较为明显，通过一系列卸压措施后，管线及地表抬升速率明显变小，冻胀融沉控制效果较为理想。

4.8 数值对比

将数值模拟结果及工程实测数据进行汇总，如表1所示。

通过数据对比可以看出，在冻结阶段，数值模拟值基本与实测值相吻合；在融沉阶段，实测地表沉降数值明显小于数值模拟数值，这是因为现场控制融沉措施比较到位，融沉注浆工作比较及时，有效地控制了地面沉降。

图11 煤气管线沉降数据

图12 雨水管线沉降数据

表1 数值模拟与地表及管线沉降实测数值对比

5 结语

面对地面交通流量巨大、市政管线众多、周边环境复杂的情况，本工程成功运用管棚法加冻结法相结合的方法进行地层加固，并进行暗挖施工修建了地铁出入口，冻胀及融沉控制效果较为理想，为城市地下结构施工积累了成功经验。

［1］王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论［M］.合肥：安徽教育出版社，2004.

［2］张成平，张顶立，王梦恕.浅埋暗挖隧道施工引起的地表塌陷分析及其控制［J］.岩石力学与工程学报，2007（12）：3601.

［3］周文.浅谈地铁车站出入口的浅埋暗挖法施工［J］.科技创新与生产力，2012（12）：59.

［4］朱径，马进.冻胀在浅埋暗挖冻结法施工中的影响分析［J］.西部探矿工程，2007（9）：38.

［5］殷波，童刚强.盾构进洞盐水冻结加固施工技术［J］.城市轨道交通研究，2012（6）：93.