粉细砂地层PBA工法地铁车站管幕法超前支护施工技术

姚文花

(北京城建轨道交通建设工程有限公司, 北京 100081)

城市地下空间的开发与利用,将会成为城市发展的必然趋势[1]。随着中国地铁工程的快速建设,在建地铁施工引起的管线断裂、道路下沉、地表建筑物变形开裂、原有地铁轨道变形等问题引起社会的广泛关注,如何对地表建筑物、自然环境、人文环境等进行保护和避免对人民群众日常生活的干扰[2],迫在眉睫。

传统的暗挖法利用超前支护易于成拱的原理,辅以注浆、钢拱架和管棚等措施[3],包括超前锚杆、超前小导管、超前管棚、超前旋喷加固等。王科甫[4]在超前小口径管幕在广州地铁浅埋暗挖隧道中的应用中对这些传统超前加固方法的局限性进行了阐述,而粉细砂地层具有无黏性、压缩性小、自稳性差、注浆加固效果差等特点,传统的暗挖超前支护难以适用。

根据建设工程的实际情况,选用合理的超前支护技术,有利于提升工程结构的稳定性[5]。管幕工法是一种新型地下工程暗挖支护方法,该工法依靠锁扣进行侧向钢管水平连接形成管排,管排顶进注浆后形成管幕系统,最后在管幕系统的保护下进行土方开挖[6-7]。

管幕支护地质适应能力强,结构刚度大,可提供临时挡土及止水作用[3],且具有施工精度高、施工噪声小、振动小等优点[7],同时管幕法施工不受限于断面形式,操作灵活,可在狭窄空间下运用小型化设备建造复杂断面的大型隧道,近年来在国内外地下施工中广泛采用。

杨丹萍等[8]对管幕结构的技术特点及国内外研究现状进行了阐述。李铁生[6]在管幕洞桩法地铁车站设计施工关键技术研究中,明确在砂卵石地层管幕法施工技术要点,阐明管幕洞桩法施工对周边环境和地表沉降影响较小。张小伟等[9]以北京地铁8号线三期前门站工程为例,提出管幕施工、导洞施工、桩基沉降及后期沉降控制等变形控制关键技术。邬秋实[10]以某地的车站为工程背景,对车站超浅埋管幕施工工序进行了简述,指出管幕施工质量控制要点。刘军安等[11]以创源路项目暗挖管廊下穿成都市天府大道为例,阐述了强、中风化泥岩地层中水平螺旋导向扩孔钻进管幕施工技术。张启[12]以新机场线草桥站后折返线暗挖区间为例,阐述了砂卵石地层管内出土+导向顶管跟进的方法及质量控制要点。但在粉细砂地层中管幕超前支护施工少有研究。

鉴于此,以北京地铁12号线蓟门桥站为工程背景,提出在粉细砂地层PBA(pile beam arc)工法[即由边桩、中桩(柱)、顶底梁、顶拱共同构成初期受力体系,承受施工过程的荷载]地铁车站管幕法超前支护施工技术,为类似粉细砂地层管幕施工提供参考。

1 工程概况

1.1 总体概况

北京地铁蓟门桥站位于北京市北三环中路与西土城路交叉路口处,是地铁12号线与昌平南延线的换乘车站。

北京地铁12号线车站,主体结构为三层双柱三跨连拱直墙断面,沿北三环路东西向布置,总长246.5 m;地铁昌平南延线车站,主体结构为双层双柱三跨连拱直墙断面,沿西土城路南北向布置,总长263 m。两车站采用T型节点换乘,均采用PBA工法施工。

1.2 车站T型换乘节点工程概况

1.2.1 T型换乘节点概况

车站T型换乘节点主体结构为三层双柱三跨连拱直墙断面,长度43.5 m,断面宽度23.7 m,PBA工法(四导洞)。车站T型换乘节点主体结构剖面如图1所示。

图1 车站换乘节点剖面图Fig.1 Cross-section diagram of station transfer node

车站T型换乘节点东侧为1号横通道,1号横通道初期支护施工完成,内净空宽4.0 m。

1.2.2 地质及水文地质情况

车站T型节点结构穿越地层自上而下为:杂填土①1层、素填土①层、粉土③层、粉细砂③3层、粉质黏土④层、粉细砂④3层、卵石⑤层、粉细砂⑤2层、粉质黏土⑥层、粉细砂⑦2层、卵石-圆砾⑦层、粉质黏土⑨3层。车站拱顶位于粉细砂④3层。

施工范围内有两层地下水,潜水(三)、潜水(四)。本工程地下水处理采用管井降水。

1.2.3 周边环境情况

车站T型节点结构从蓟门桥东桥下方穿过,桥梁基础距车站拱顶最小垂直距离为8.0 m,为一级风险源。

蓟门桥东桥为单孔预应力简支梁,跨越西土城东侧路,南北向长度45 m,东西向跨度26 m,上部结构为预制预应力工型梁,下部结构为现浇混凝土重力式桥台。

北三环路及西土城路车流量大,同时路下有多种管线,其中一级风险源涉及Φ1 250 mm/Φ1 500 mm污水管线,管线位于西土城路主路下方,南北走向,管底埋深约为6.1～8.8 m,管线接口采用企口连接,管线材质为混凝土,投入使用年代1956年,水流方向由南向北。管内为满管水量,因修建时间较早,管道内可能存在腐蚀和小的裂缝,管节接头存在错缝,可能存在渗漏现象。污水管线位于蓟门桥站T型换乘节点的正上方,两者之间最小净距3.83 m。

2 风险分析及方案选择

2.1 风险分析

地铁蓟门桥站T型换乘节点采用PBA工法施工,主体结构为三层双柱三跨连拱直墙断面,为自身一级风险源。

周边环境复杂,道路交通流量大,路下污水管线为环境一级风险源,蓟门东桥桥梁为环境一级风险源,地面无注浆加固条件。

车站T型换乘节点拱顶位于粉细砂中,自稳性极差,施工中极易造成坍塌。

2.2 监测控制值

蓟门东桥桥梁:桥梁竖向均匀沉降控制值为15 mm;桥台纵、横向新增倾斜不大于1.5/1 000。

污水管变形控制要求:沉降量≤20 mm,斜率≤0.002 5,最大沉降速率≤2 mm/d。

车站主体结构导洞结构拱顶沉降设计控制值:沉降不大于20 mm,沉降速率不大于2 mm/d。

2.3 超前预支护方案选择

2.3.1 方案选择原则

车站T型换乘节点结构为三层,PBA工法施工过程中各工序转换多,易造成累计沉降量大。

粉细砂地层矿山法施工,常规注浆超前加固措施,浆液无法均匀扩散,即使加大注浆压力,也只能产生劈裂注浆效果,浆液常呈片状或脉状扩散,很难将粉细砂固结成整体,难以形成封闭承载拱。

为保证车站T型换乘节点施工过程中,初支拱顶下沉控制值与环境风险源控制要求相协调,导洞结构拱顶沉降控制值按照环境风险中沉降控制值最小的进行控制,对施工控制提出更高的要求。

车站T型换乘节点下穿桥梁及多条管线,地面无注浆加固条件。

为满足施工中各项监测控制值,减小累积变形,车站T型换乘节点长度43.5 m范围一次性超前支护。

车站T形换乘节点东侧1号横通道,初期支护内净空4.0 m,施工作业空间有限,施工设备选择受限。

管幕法超前支护,可适用于任何断面形式,且可用于砂土、粉土、黏土、软土等多种地层,在跨度范围内能独立承担其上的全部水土压力;同时可在狭窄空间下运用小型化设备施工,且施工过程中噪音及振动小,可有效控制地面沉降及对周围环境的影响。

2.3.2 管幕布设

车站T型换乘节点暗挖导洞拱部施工,管幕法超前支护,单孔支护长度为43.45 m,管幕采用“螺旋出土、套管掘进”工艺施工,从换乘节点东侧的1#横通道内向西沿车站小导洞及扣拱轮廓线外打设一排管幕。车站T型换乘节点导洞拱部管幕布置如图2～图4所示。

图2 管幕布置平面图Fig.2 Layout plan of pipe curtain

图3 管幕布置横剖面图Fig.3 Cross-section diagram of pipe curtain arrangement

图4 管幕布置大样图Fig.4 General layout of pipe curtain

2.3.3 设备配备

采用2台管幕钻机,主要设备配备如表1所示。

表1 机械设备Table 1 Mechanical equipment

3 管幕法超前支护施工

3.1 管幕施工工艺

采用螺旋出土套管掘进施工工艺。管幕施工时,随着螺旋钻杆切削土层,实现边掘进、边切削、边出渣。管幕施工工艺流程如图5所示。

图5 管幕施工流程图Fig.5 Diagram of curtain grouting construction process

3.2 管幕施工参数

管幕钢管规格Φ299×12 mm,Q235B热轧无缝钢管。管幕锁扣材料为L63×40×6 mm角铁,经裁剪、焊接加工制作,锁扣等强焊接在钢管两侧。相邻钢管之间中心间距350 mm,4个导洞共95根。管幕从换乘节点东侧横通道向西单侧掘进施工,标准管节长度2 m,单根全长为43.45 m,环向间距350 mm。钢管水平角度入孔,施工中随钻测量控制,控制精度0.5%。管幕施工时掘进与管内出土同步,配合适当辅助措施,施工可控制零沉降。锁扣间钢管开设注浆孔,管内填充采用微膨胀水泥浆,管内注浆时同步填充锁扣间隙,管外填充采用水泥-水玻璃双液浆。

3.3 钢管加工

3.3.1 管节连接

管节间采用坡口满焊连接,钢管单侧打设坡口,坡口角度55°±5°,底部留(2±1) mm不剖。施工时,将待顶进钢管的坡口端与已顶进钢管的外露端紧密焊接。车站换乘节点同一横断面管节连接焊口数量不超过总数量的50%。

3.3.2 锁扣连接形式

为保证锁扣连接过渡顺滑,按照车站顶部拱形,排出管幕形状,锁扣角钢母扣间距内净空为112 mm,子扣外净空为102 mm。角钢与钢管间断等强焊接,即焊缝长度300 mm间隔长度为400 mm。锁扣连接形式如图6所示。

图6 锁扣连接示意图Fig.6 Diagram of locking connection

3.3.3 钢管管口封闭及注浆管安装

钢管管口封闭采用圆形封孔钢板,与钢管管口焊接封闭。管内填充通过管口焊接的Φ25 mm自来水管注浆,水平方向为注浆口,垂直方向为排气口兼作观察孔。管幕钢管管口封闭及注浆管安装如图7所示。

图7 管幕钢管管口封闭及注浆管安装示意图Fig.7 Diagram of pipe locking connection and grouting pipe installation

3.4 钢管掘进

管幕施工时,按开挖轮廓线外放50 mm控制。

钢管位置采用水平管或灯光经纬仪定位,施工位置允许偏差≤2 cm,轴线偏差≤0.3%,成孔长度偏差≤10 cm。

第一根孔为基准孔,其控制精度影响整体管幕的施工精度。基准孔钻进时,应严格进行全程角度测量,并及时进行纠偏。

掘进过程欠土顶进,螺旋钻杆缩进钢管长度不小于0.5 m。

在螺旋钻进过程中,同步进行掘进、纠偏、排渣出土。根据监控量测的结果反馈及排渣出土量比较,如有钢管掘进轨迹发生偏差或排渣出土量偏差过大,及时进行纠偏或探明情况及时采取处理措施。

3.5 管内注浆

单个导洞上方管幕施工完成后,钢管尾部设止浆封堵钢板,并在封堵钢板上设注浆孔,采用注浆泵向注浆孔内注入浆液。

管内注浆浆液采用单液微膨胀水泥浆,水泥采用P.O42.5普通水泥,水灰比为1∶1,注浆压力不大于0.5 MPa。采用多次低压填充,最低压浆量不小于1.3倍钢管容积,保证管内固结体充盈。

3.6 管外注浆管布置及注浆顺序

管外注浆管采用Φ32×2.75 mm钢管,沿管幕钢管母锁扣一侧纵向通长布设并点接牢固。管幕钢管及注浆管布置如图8所示。

a～e为管外注浆管;1～5为管幕钢管图8 钢管及注浆管布置示意图Fig.8 Schematic diagram of Steel pipe and grouting pipe arrangement

a～e为管外注浆管;1～5为管幕钢管图9 注浆顺序示意图Fig.9 Schematic diagram of grouting sequence

根据施工沉降监测情况,当发生施工沉降时,通过管幕外注浆钢管注入水泥-水玻璃双液浆,注浆压力不大于0.2 MPa,填充扰动土层缝隙。注浆顺序采用隔管注浆, 钢管掘进及管外注浆顺序如图9所示。

4 施工控制要点

4.1 导向测量及纠偏控制

在导向钻头内安装导向装置,通过传感器与钻尾的显屏连接,在显屏上可以实时显示钻头的位置变化,测量人员可根据屏幕上钻头的显示位置,适时调整钻头进行纠偏。掘进过程中须勤测量、多微调,从而有效确保后续钢管施工精度。

4.2 掘进精度控制

管幕钢管内螺旋钻杆空腔安装有测量光源,采用经纬仪跟踪测量。标准孔施工时,全程进行严格角度测量,如有偏差随时进行纠偏。确保后续施工管幕之间顺利咬合。在钢管两侧锁扣内,安装水位测量管,每节测量2、3次并如实记录数据。管幕施工发现多组测量数据不符,必须拔出钻具,管内测量真实数值。制定严格精度控制标准,当钢管掘进轨迹临近偏差控制值必须进行纠偏,每节钢管施工必须做好施工时间、地质情况、测量数据以及纠偏措施记录。

4.3 管幕变形控制

管道处安装自动监控量测装置,及时准确报送测量数据。在螺旋定向掘进过程中,出土与掘进同步实施,实现管幕自身变形控制。通过测量实际出土量,优化掘进与旋转出土的速度匹配。管幕掘进过程中,同步挤压土体并封闭钻孔,改善周围岩体的物理力学性质,并降低掘进施工产生的振动。管幕施工完成后,通过管幕外侧的注浆管对管幕四周土体进行注浆充填,补偿因管幕施工引起的周围土体的变形。

4.4 施工沉降控制

管幕施工前对地表或建构筑物进行监控量测,管幕施工期间对沉降进行监控和测量,按规范建立预警机制。

为防止管口土体坍塌,禁止将螺旋钻头长时间超出管口外旋转出土,造成出土量过大。施工过程匀速掘进,严格控制出土量,并对出土量进行统计和计算,当实际出土量与理论值出现差异,控制实际出土量在理论出土量的95%以内。在掘进过程中,严禁通过钢管向周围地层内注入大量清水,引起钢管周围土体流失。

出土过多时,通过管幕钢管附带的外侧注浆管及时补偿注浆。

根据监测反馈,为控制地层沉降,地表沉降数据在0～-1 mm,采取少量出土的措施;地表沉降数据在-1～-2 mm,通过管幕附带的外侧注浆管向地层内进行注浆填充;地表沉降数据大于-2 mm,停止掘进作业,分析原因,同时对钢管内及外侧注浆管进行全面注浆。

现场必须储备充足的水泥、水玻璃等应急物资,保证施工安全。

5 施工监测分析

根据《城市轨道交通工程监测技术规范》(GB 50911—2013)中有关监测等级的规定,本工程监测等级为一级。

5.1 监测点埋设布置要求及监测点布置

污水管线沉降监测点采用钻孔埋设方式,布设于管线的侧面,沿管线纵向每4 m布设一点,深度与管线底齐平。污水管线监测点布置如图10所示。

图10 监测点布置示意图Fig.10 Diagram of monitoring point

蓟门桥东桥沉降测点埋设采用在重力式承台上直接钻孔,每3 m布设一个监测点,埋入“L”形钢筋,埋入端用水泥或锚固胶与监测对象浇筑连成一个整体,另一端打磨成半圆形,监测时放置铟钢尺保证测量的准确性。桥梁监测点布置如图10所示。

5.2 监测数据分析

管幕施工工期14周,共计100 d。根据监测数据,位于T型换乘节点中部的监测点比两侧的监测点,沉降数值明显较大。污水管线最大沉降点为WSG-05,位于车站T型换乘节点的上方中部,最大沉降值为-14.61 mm。蓟门桥东桥东侧桥台沉降较西侧桥台沉降明显,东侧桥台最大沉降点为QCJ-01-11,位于车站T型换乘节点的上方中部,最大沉降值为-8.31 mm。管幕施工过程中蓟门桥东桥东侧桥台及污水管线沉降变化如图11、图12所示。

图11 蓟门桥东桥东侧桥台沉降曲线图Fig.11 Bridge abutment settlement curve diagram of Jimen East Bridge

根据监测数据,T型换乘节点中部比两侧沉降明显,一方面是由于管幕掘进施工过程中,中部土体受两侧施工扰动的影响时间长;另一方面换乘节点中部道路为主路,车流量大,对地层的振动影响较大。

蓟门桥东桥东侧桥台比西侧桥台监测点沉降明显,是由于1号横通道暗挖施工时,对临近的东侧桥台周围的土体有一定的扰动,同时管幕施工时,机械设备布置在1号横通道内,距离东侧桥台较近,机械施工振动、管幕施工多次钻进,对相邻的东侧桥台产生影响,两者影响叠加,使东侧桥台沉降数值明显。

6 结论

(1)PBA法地铁车站,受地面建构筑物的影响,在主体结构导洞开挖前,在粉细砂地层中,采用管幕法对导洞上方土体进行超前预支护,在初支导洞外侧形成一个有一定刚度的壳体,能够较好地控制施工过程中的整体变形,有效控制地表沉降,保证地面建构筑物的正常使用。

(2)在粉细砂地层,采用“螺旋出土、套管掘进”工艺进行管幕施工,采取控制钻进压力、速度及出土量、同步注浆及补浆等措施,对主体导洞上方土体进行预支护,形成一定刚度的管幕,在其保护下,能够有效保证后续暗挖施工安全,规避采用常规小导管超前注浆带来的隧道开挖时坍塌风险,避免地层产生较大变形,有效控制地表沉降,确保工程施工安全。