超级管幕技术在城市地铁中的应用

杜欣

一、工程概况

某地铁位于XY市中心，车站为岛式车站，站台宽15m、长336.8m，总建筑面积为24590.9m2，车站标准段为暗挖双层双柱三跨结构，中间下穿既有线区间隧道为暗挖单层单洞结构（长36.5m），北端为暗挖双层三柱四跨结构（长49.7m）。有效站台中心里程处双层结构覆土约15.2m，车站有效站台中心处底板埋深约33.6m。车站共设置4个出入口通道及2组风亭。设置南、北两侧换乘通道与既有6号线东大桥站换乘。车站南、北端区间均采用矿山法施工。

二、深埋、富水地层暗挖工法相关研究

（1）盾构法。盾构法是国外进行深层隧道施工的主要工法之一，不少地铁车站也在盾构法的基础上进行拓展成站，如日本和俄罗斯。

（2）注浆法。目前的浅埋暗挖工法（PBA法、分部开挖法等）在工艺上均以无水条件作为实施前提，无法解决在水中构筑暗挖车站的难题。北京地铁建设中，在没有降水条件下，一般采用了大量注浆加固洞室周边土体形成隔水层的方式，来实现地下结构的开挖作业。

（3）新意法。上世纪70年代，意大利在某地铁建设过程中首次运用了“岩土控制变形分析法”（ADECO-RS），后更名为“新意法”。该施工方法是在新奥法的基础上逐渐衍生出来的一种新的施工方法，指的是通过项目所在区域内岩体类型确定支护体系和支护参数的一种地铁建设方法，其目的是通过核心土的强度和刚度控制围岩产生变形问题。

（4）新管幕法。意大利米兰在上世纪90年代通过运用新管幕法建设完成了外界条件复杂多件（即区域内具有多层建筑物基础、地形地质条件较差）的Venzia大跨度单拱车站，该车站开挖跨度超过了29m，覆土仅为4m。随后，韩国也通过应用这一工法，并依据该国的实际情况对这一工法进行了改良和创新。

我国在2008年的沈阳地铁2号线的新乐遗址站主体结构及风道建设中首次引进了新管幕工法，并在土层中完成了大型暗挖地下室建设，积累了盾构过站与车站建设同时开展的经验。

水产养殖过程中，常常有亲鱼在产后死亡，有的死亡数量甚至超过一半，这给养殖户造成了很大的经济损失，怎样才能减少亲鱼的死亡？现将亲鱼产后护理要点介绍如下：

三、超级管幕法（SPR工法）施工设备和方法

1. 水平螺旋钻进法

水平螺旋钻进法具有精度较高、造价较低的特点，广泛应用于铺设钢管和套管，用来穿越铁路、公路和路基。该工法主要通过以下2个步骤完成：利用轨道式水平螺旋钻进、掉架式水平螺旋钻进。

在通常情况下，水平螺旋钻铺管长度在30～100m之间，需要使用专业的机械设备，并铺设200m以上的管道，钢管直径范围为100～1600mm，常见的管道直径为200～900mm。水平螺旋钻进法适用于砂层、黏土、小卵石、软岩甚至是大卵石地层（卵砾石最大直径小于套管直径1/3），最适宜于密实含砂黏土层。

2. 顶管法

顶管法是当前地铁建设中一种新兴的地下管道施工方法，可穿越各种类型的障碍物，比如公路、铁道、山川、河流以及复杂的地下管线等。现阶段，随着顶管掘进施工技术的不断发展，顶管施工方法可适用于超过250～3500mm等不同长度的管径。

3. 夯管法

顾名思义，夯管法指的是使用夯管锤组织和实施施工的一种方法，是一种无需开挖的施工技术，夯管法仅可以对钢管进行施工，使用的是无缝钢管，且无缝钢管的厚度需要满足国家规定的相关要求，管径为200～2000mm，目前施工速度可达15～30m/h。

4. 盾构法

盾构法是一种借助机械设备且无需开挖的一种施工方法，它指的是将盾构机械设备在地层中推进，通过盾构外壳和管片支撑四周的围岩，防止发生坍塌，同时在开挖面的前方通过使用切削装置完成对土体的开挖，将渣土通过机械设备运出洞外，再借助千斤顶在后部施加顶进压力，拼装预制混凝土管片，完成隧道建设的一种机械化的施工技术。

四、新型地铁车站阻水暗挖工法研究-超级管幕法（SPR工法）

1. 超级管幕法（SPR工法）

超级管幕法车站以标准双层三跨暗挖车站为原型设计的。其初期支护体系为：大直径（3m）钢管+小直径（1m）钢管幕形成的纵向受力构件配合每隔一定间距（一般可设置为20m）形成的内撑环梁环向受力构件共同组成了大管幕受力的三维框架体系；防水体系为：环向大小管幕+管幕间闭水锁扣构成的环向防水结构和每隔一定间距（一般可设置为50m）由大直径管幕向待开挖土体内注浆形成的纵向注浆防渗墙组成。纵向注浆防渗墙一方面可以有效封堵纵向地下水的渗入，将已经开挖的土体划分为无水分区，另一方面可以作为一种受力构件起到支撑内墙的重要作用，是大管幕重要的受力指点，减少了降低大管幕的跨度，改变其受力状况。

2. 大管幕工法基本工序

（1）通过利用车站端部的竖井，通过非开挖的方式（顶管、夯管）沿着车站的纵向方向设置大直径为3m和小直径为1m的钢管管幕，管幕和管幕之间通过止水锁扣连接在一起，锁扣内注满防水油脂。

（2）大直径管幕每隔一段距离（50m）从钢管至待开挖的土体内设置注浆管，并进行注浆，形成注浆防渗加固墙和纵向止水阻塞体，纵向管幕阻塞体将管幕内的土体分为不同的无水土仓。

（3）每隔15～20m的距离在大直径管幕内开洞，沿着车站轮廓线通过曲线顶管或者人工挖孔的方式施作钢筋混凝土，形成内撑环梁，然后分别在两组大直径钢管中同时施工，形成竖向钢管混凝土永久结构。

（4）在直径为3m的管幕内绑扎纵向钢筋，形成顶（底）纵梁。利用端部竖井横通道分别对大直径（3m）和小直径（1m）钢管完成混凝土的回填。

（5）在已经形成的纵向管幕混凝土与横向内撑环梁结构体系的保护下，采用“全断面棚架法”完成对隧道内剩余土体的开挖，对于两层或多层车站，可在中楼板位置处设置临时横向支撑（或自上而下逆作先施工上半断面二衬结构，及时施工中板，为结构提供强支撑）。

（6）自下而上修筑二衬混凝土永久结构。待车站全部施工完成后，使用渣土回填永久结构和围护结构之间的孔隙。

五、SPR工法管幕锁扣闭水室内试验

1. 管幕间止水锁扣的形式

本次通过对半圆形钢管锁扣、圆形钢管锁扣、双环型钢管锁扣、T型钢管锁扣和一字型钢管锁扣五种形式锁扣的实验，不同锁扣之间通过卡扣连接在一起，卡扣采用钢管或者角钢制作与焊接而成，锁扣和钢管的长度均为1m，毛刷使用带状的毛刷，使用防水胶粘接于卡扣内。

管幕间止水锁扣的优势和创新之处在于：在锁扣内部加入了盾尾密封油脂，并使用毛刷涂抹，盾尾油脂中含有丰富的纤维，形状为粘稠状，可以有效抵抗水压力。同时，盾尾密封油脂还具有超强的疏水性能，将其注入锁扣内部，可以实现良好的管幕隔水效果。同时，为了增加盾尾密封油脂在锁扣内的摩阻力，防止其被水压冲走，需要在锁扣内部设置毛刷。这样一来，毛刷与盾尾密封油脂的组合使用，就会形成一个柔性闭水阻塞结构，这种形式的锁扣在防水和耐压的同时，还可以更好地阻隔地下水的渗入。

2. 试验结果统计

根据对实验室内盾尾密封油脂和不同类型锁扣组合后地下水渗透效果的统计，锁扣最大的耐水压力、保持时间达到了施组设计中的相关要求。同时，由于是以0.5MPa进行逐级施压的，稳定耐水压力（不渗透水超过了20min）减去破坏压力0.05MPa。

3. 试验结果分析

通过对实验数据的分析可以得出：在闭水环节，盾尾油脂有着明显的区别，主要表现在锁扣类型的选择上，从不同类型锁扣地下水渗透的情况来看，双环形锁扣＞圆形锁扣＞T字形锁扣＞一字型锁扣。但是，由于锁扣内的毛刷吸收了一部分盾尾油脂，环形锁扣和圆形锁扣留给盾尾油脂的空间少之又少，十分容易出现油脂填充不密实的问题。故此，T型锁扣更具有一定的优势。实验结果表明：鑫山盟牌盾尾油脂填充下的T字形锁扣的止水效果良好，最大耐力压为0.55MPa，试验在5min的情况下依然不会破坏，稳定性压力为0.5MPa，不渗水超过了20min。

4. 试验结论

本次试验分析得出初步结论如下：

（1）管幕和管幕之间通过锁扣连接于一起，并配合使用毛刷和盾尾油脂组合的方式可以达到预期的效果；

（2）毛刷和盾尾油脂共同组合而成的闭水柔性阻塞结构，不仅具有良好的隔水性能，还具有一定的耐水压力和承受能力。

六、工程永久防水解决方案法

大管幕工法施工的车站永久防水依据车站二衬结构施工情况采取以下几种方案：

1. 复合式衬砌防水

对于三跨两柱施做标准二衬、两跨单柱并施作薄层二衬等施做有二衬结构的深层车站站型而言，其防水与传统地铁车站并无太大差异，也采用防水性能较好的复合式衬砌防水结构。主要包括三道防水防线：

（1）直径不同的钢管和不同类型的锁扣共同构成了一道主要的防水防线。在管幕打设过程中，锁扣内填充防水油脂解决了施工期地下结构的防水问题。在管幕施工完成后，由锁扣内预埋的注浆导管向锁扣内压力注浆，将防水油脂挤入地层中并注入混凝土浆液填充锁扣及管幕之间的空隙，以此注浆材料作为永久防水的一部分。

（2）在大管幕初支结构内测、二衬结构外侧施做一层柔性外包防水。外包防水材料选用高分子树脂板材，常见的如ECB、EVA防水板材等。柔性外包防水材料不仅具有很好的防水性能，而且起到了隔离和润滑初支结构和二衬混凝土的作用。

（3）柔性外包防水内施做二衬永久钢筋混凝土结构，二衬结构不仅是地铁车站永久受力结构，也是最重要的一道防水防线。依靠“高性能补偿收缩防水混凝土”来实现结构自防水，常用的混凝土为P10抗裂防水混凝土。

2. 大管幕结构防水

对于无二衬大管幕地铁车站而言，环向防水需依靠大管幕结构来完成，端墙防水为传统外包防水形式。

大管幕钢管和管幕之间的锁扣永久防水构成环向防水。钢管不能直接作为永久防水材料，需在外表面包裹防水卷材，考虑到外包防水卷材在管幕打设过程中很容易损坏，故提出了钢管管幕+防水卷材+薄层钢板保护层复合式结构。依靠管幕完成后在锁扣内压力注浆显然不能满足管幕间锁扣永久防水，需在管幕内侧焊接防水钢板，并在锁扣与钢板间注入“高性能补偿收缩防水混凝土”形成第二层防水层。锁扣永久防水节点图如图1所示。

图1 锁扣永久防水节点图

七、结语

SPR工法（超级管幕法）形成的地下结构形式是一种新型的地下结构形式，其采取了与传统浅埋暗挖法（新奥法）不同的施工方式和手段，完成了地下大型空间的建造。其工艺思路即为充分利用非开挖机械工艺，以形成一个封闭的地下隔水环境，在此基础上进行无水施工作业，完成地下结构建造的方法。该工法解决了承压水给深层地铁工程建设带来的难题，一线城市下一步轨道交通线路设计，部分车站在埋深腹水地层施工中的难题得到了根本的解决。