新型管幕預(yù)筑施工安全控制研究

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1引言

管幕預(yù)筑法施工，在預(yù)先支護條件下進行土體開挖，既能夠確保施工安全，同時又盡可能減少對地面環(huán)境的干擾，也不會影響地面通行［1］。黎永索、張可能等［2－3］根據(jù)工法施工特點將改進后的新管幕法命名為管幕預(yù)筑法，并分析管幕預(yù)筑法與管幕法的異同、優(yōu)化了管幕預(yù)筑法頂管排列間距，對頂管施工過程中豎井井壁變形規(guī)律、隧道預(yù)筑前管幕地表沉降進行了大量研究［4］;楊仙［5－6］在管幕預(yù)筑法施工單拱大跨度地鐵車站地表沉降研究中指出，管幕預(yù)筑法頂管施工其頂進順序?qū)刂频乇沓两抵陵P(guān)重要。本文依托太原市迎澤大街下穿火車站通道工程，介紹管幕預(yù)筑一體化結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵流程、安全控制技術(shù)、施工工藝和沉降變形監(jiān)測情況。相關(guān)技術(shù)成果對類似工程具有較好的指導(dǎo)意義。

2工程概況

太原火車站為運營中的特級火車站，火車站建設(shè)工程包括兩條1－15m的車輛通道。通道總長463m，管幕段總長210.1m。施工過程不能影響太原站的正常運營，且具有沉降控制嚴、障礙物多、結(jié)構(gòu)埋深淺等難點。項目組提出了支護結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計理念，將地下工程傳統(tǒng)施工方法由先開挖或先超前加固、開挖，后初支、二襯形成地下工程結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新為先支護結(jié)構(gòu)一體化施作剛性結(jié)構(gòu)，再開挖土體的管幕預(yù)筑結(jié)構(gòu)。本技術(shù)適用于城市變形敏感區(qū)地下大空間工程［7］。

3關(guān)鍵技術(shù)

3．1總體施工方案管幕預(yù)筑一體化結(jié)構(gòu)方案主要思想為:通過頂進→切割、焊接→綁扎鋼筋、澆筑混凝土后形成管幕結(jié)構(gòu)→開挖管幕內(nèi)部土體后形成類似矩形大跨度通道，工程橫斷面如圖1所示。該工法主要分為四個工序:工序一:修建始發(fā)、接收工作井;進行線路扣軌加固及φ180鎖扣式管棚施工;在工作井內(nèi)沿結(jié)構(gòu)橫斷面輪廓線依次分段頂進直徑2m的鋼管。上部采用敞開式頂管機施工，下部采用土壓平衡式頂管機施工。工序二:在工作井內(nèi)頂進所有鋼管后，形成管排，先將相鄰鋼管重疊部分割除，再將切割后相鄰鋼管與安裝的鋼板進行焊接。鋼管切割、支護施工按照分層和分段原則垂直分為上、中、下三層。工序三:支撐柱焊接完成后，進行結(jié)構(gòu)鋼筋綁扎，澆筑混凝土，依次循環(huán)，最終在廊道內(nèi)形成穩(wěn)固長久的主體結(jié)構(gòu)。主體結(jié)構(gòu)施工同樣按照分層、分段原則。工序四:在結(jié)構(gòu)內(nèi)部進行土方開挖，切割側(cè)向拱肋。

3．2工作井施工主要包括基坑施工、砂墊層和混凝土墊層施作、豎井襯砌施工、鋼筋混凝土封底。開挖之前，地下水位降至井底0.5m以下，在井內(nèi)設(shè)置頂進鋼管所需的后背墻、頂管支架及導(dǎo)軌等。始發(fā)工作井的結(jié)構(gòu)布置應(yīng)具備足夠的后座反力:當反力墻用于支撐千斤頂時，應(yīng)充分利用土體阻力;當墻后土體抗力和變形不能滿足頂管機始發(fā)和墻體變形要求時，應(yīng)采取相應(yīng)措施。工作井結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足頂管機施工過載要求，預(yù)留洞門直徑應(yīng)滿足頂管機始發(fā)和接收要求，洞門處設(shè)置滿足頂管機始發(fā)和接收要求的洞門密封裝置。

3．3超淺埋鎖扣管棚為保持土體穩(wěn)定，形成安全作業(yè)面，南、北通道各打設(shè)φ180鎖扣管棚69根，最小埋深2.2m。鎖扣管棚穿越10條運營鐵路線，處于眾多障礙物的雜填土層中。施工流程:鎖扣管棚加工→施工平臺搭設(shè)→調(diào)整鉆機及鋼管軸線、坡度→鋼管頂進、出土→面向角、傾斜角數(shù)據(jù)記錄→循環(huán)進尺裝管焊接→頂進完成、拔桿清土、拔探棒→根據(jù)需要進行管內(nèi)測量→堵頭板焊接→鎖扣管棚注漿。

3．4鋼管頂進

3．4．1頂管掘進機選型經(jīng)多方論證，上部雜填土中存在障礙物區(qū)域采用敞開式頂管掘進機，下部原狀土區(qū)域采用土壓平衡式掘進機，如圖2所示。在頂管始發(fā)前通過可移動導(dǎo)軌調(diào)整頂管位置，保證工作面移動導(dǎo)軌與目標頂管處于水平［8］。圖2管幕結(jié)構(gòu)頂進施工設(shè)備3．4．2頂進工序(1)施工準備:做好導(dǎo)軌后靠板、洞門內(nèi)安裝內(nèi)接導(dǎo)軌、主頂千斤頂和千斤頂支架，安裝止水裝置等前期準備工作，精確放樣，控制好導(dǎo)軌高程與洞門等高。(2)頂管機就位:頂進機下吊，置于導(dǎo)軌之上，下吊頂鐵，調(diào)試頂管系統(tǒng)。(3)頂管始發(fā):主頂千斤頂開始頂進，將頂管機機頭頂置開挖洞口處，開始切削土體，并輸送工作泥漿。(4)管節(jié)拼接:將注漿管道斷開，油缸收縮，對管節(jié)進行焊接，焊接完成重復(fù)步驟(3)，繼續(xù)頂進。(5)管節(jié)頂進:主頂千斤頂頂進，并輸送觸變泥漿，頂進過程同步驟(3)。頂進時需實時關(guān)注軸線，保持復(fù)測，持續(xù)糾偏。(6)頂管接收:提前做好接收準備，破除部分洞門，并安裝好接收導(dǎo)軌。(7)循環(huán)上述過程直到頂管全部結(jié)束。所示。

3．4．3障礙物處理基于“先長后短、先宏后專、先易后難的探測原則［9］，持續(xù)跟進開挖驗證”為指導(dǎo)思想的綜合預(yù)報方法，建立“勘察地質(zhì)分析－現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查－物探分析－鉆探分析”的障礙物綜合探測技術(shù)體系，解決隱蔽障礙物探測識別難題，為風險分析和控制提供技術(shù)保障。

3．5鋼管切割、焊接

3．5．1切割工序管幕結(jié)構(gòu)為橢圓形體系，對所有已頂進的鋼管進行管間三角區(qū)注漿加固(如圖4所示)并進行管間內(nèi)部切割，最終實現(xiàn)管間互連，形成一個整體結(jié)構(gòu)。注漿加固主要采用徑向高壓旋噴樁加固。所有管間三角區(qū)注漿加固完成后，進行管間切割。采用氣爆切割與等離子切割相結(jié)合的方式，并將整個切割過程分兩次進行，切割采用跳步施工。

3．5．2智能切割設(shè)備研發(fā)鋼管內(nèi)切割支護焊接成套設(shè)備，采用人工遠程控制，機器人自動切割、焊接。整個系統(tǒng)由機械臂、AGV智能移載裝置、機器人焊槍、割槍及smartweld控制系統(tǒng)等構(gòu)成。同時配套研發(fā)了智能化控制及焊圖5鋼管切割臺車縫激光跟蹤系統(tǒng)，以解決遠程控制、自動行走及精準定位等難題，可實現(xiàn)作業(yè)距離在5m以內(nèi)，管道內(nèi)行走精度±5cm;作業(yè)距離在5～10m之間，行走精度控制在±10cm。智能化視覺識別焊縫偏差±1mm，如圖5所示。自動化切割支護系統(tǒng)在工程現(xiàn)場應(yīng)用，共切割支護3.6×20根=72延米，切割窗口數(shù)量為3×20根=60個。設(shè)備的應(yīng)用實現(xiàn)了智能作業(yè)，快速切割、焊接，切割速度達到1.89m/min，焊接速度達到1.54m/min。單窗口切割及支護時間縮短到2h，效率是人工切割支護的8倍，共用時30d。

3．6混凝土澆筑和土方開挖

3．6．1鋼筋綁扎混凝土澆筑前進行鋼筋綁扎，頂板與底板鋼筋采用馬凳筋架立，間隔1m，呈梅花形。豎向鋼筋需布置在側(cè)墻外部一側(cè)，綁扎水平鋼筋時，要布置于側(cè)墻內(nèi)部一側(cè)。頂部和底部鋼筋有很多交叉點，須綁扎牢固。兩端布置兩排鋼筋對交叉點要求相同，中間部分鋼筋綁扎需間隔進行，采用梅花式綁扎方式。兩層鋼筋網(wǎng)之間要設(shè)置拉筋，要求為φ12@200×300，布置為梅花形。采用鋼筋機械連接工藝和等強直螺紋連接技術(shù)，確保接頭能充分發(fā)揮母材的強度，克服傳統(tǒng)鋼筋綁扎浪費、燒傷、咬傷鋼筋的缺點［10］。

3．6．2混凝土澆筑主體結(jié)構(gòu)采用早強、自密實、微膨脹C40混凝土，抗?jié)B等級P8。自密實混凝土澆筑最大水平流動距離要具體問題具體分析，不同施工部位要求不同，流動距離原則上不得超過7m，每7m設(shè)置一處布料點。自密實混凝土的澆筑點要分布均勻［11］，連續(xù)澆筑，間隔時間不超過2h。

3．6．3土體開挖結(jié)構(gòu)成型后在內(nèi)部進行土方開挖，完成后進行補強注漿，切割側(cè)向拱肋;結(jié)構(gòu)內(nèi)部裝修后鋪設(shè)路面，通道施工完成。4監(jiān)測結(jié)果分析為檢驗多種復(fù)合安全控制技術(shù)效果，保障管幕結(jié)構(gòu)施工期穩(wěn)定，對路基、軌道和站臺沉降進行了24h觀測。前期測點總數(shù)720個，后增加線間路基沉降點60個，共計780個［12］。由圖6、圖7可知，路基最大累計沉降量為9.4mm，軌道最大累計沉降量為8.9mm，滿足設(shè)計沉降10mm要求。

5結(jié)束語

根據(jù)施工過程監(jiān)測結(jié)果，管幕預(yù)筑一體化結(jié)構(gòu)在施工期間各項指標滿足設(shè)計要求，表明管幕預(yù)筑一體化結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)在太原下穿火車站工程得到成功應(yīng)用。同時說明管幕結(jié)構(gòu)鎖扣管棚、大直徑群管頂進順序、頂力控制、鋼管切割及混凝土澆筑順序等安全控制技術(shù)有效可行。新型管幕預(yù)筑一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計及成功應(yīng)用，為超淺埋隧道下穿既有線路提供了一個新思路，可為類似工程提供成熟的施工技術(shù)體系和經(jīng)驗，該工法具有較強的實用性和推廣價值。

參考文獻

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［5］楊仙，張可能，李鐘，等．管幕預(yù)筑法中鋼管頂進對地面沉降的影響［J］．沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012，34(4):469－473．

［6］楊仙．管幕預(yù)筑法中密排大直徑鋼管群頂進研究［D］．長沙:中南大學(xué)，2012．［7］郭勇．超淺埋大直

作者:劉秀芝 單位:中鐵十四局集團第二工程有限公司