张 鹏，徐 桃，姚 争，张亚敏，王 涛，郑元勋

(1.中国建筑第七工程局有限公司，河南 郑州 450004； 2.郑州大学图书馆，河南 郑州 450001； 3.郑州大学水利科学与工程学院，河南 郑州 450001)

0 引言

考虑运营期的客流需求，地铁工程往往设置在繁华的市中心，导致地铁建设过程中常常涉及房屋拆迁、地下管线迁改、地面交通导行和绿化迁移等工程前期协调问题。其中任一环节出现问题都会影响工程建设的正常进度且涉及增加额外投资。因此，采用合理的施工方法尽量减少地铁施工对地面建筑的干扰是地铁施工领域亟待开展的课题。

管幕法施工最初是通过小口径顶管支护土体，进而施工大断面地下空间结构的暗挖施工技术，在国外已有近50年的历史。管幕法施工于1994年先后在我国香港、台北、上海、北京得到应用。新管幕法( New Tubular Roof Method，简称NTR工法) 是管幕法的一种改进施工方法，该方法在拟建地下工程设定的轮廓位置顶进密排大直径钢管，管间连通后在钢管内和管间预先构筑钢筋混凝土永久结构，并在其保护下开挖土方、施工内部结构，最终形成地下空间，可有效避免拆迁和减少对周边环境的影响[1]。新管幕法在我国尚处于推广阶段，目前已在沈阳新乐遗址站[2]、港珠澳大桥拱北隧道[3-4]、太原市迎泽大街下穿火车站通道工程等得到了应用。2019年6月21日，国内首例采用新管幕法施工的太原市迎泽大街下穿火车站通道顺利贯通。

近年来，国内外相关学者围绕新管幕法施工对土体变形、地表及建筑物沉降的影响，地铁车站新管幕法破坏模式及受力分析逐步开展了一些研究[3-9]。本文以天津地铁7号线一期工程金纬路站为例，基于理论计算及数值模拟结果，验证软弱富水地层新管幕法施工的可行性，并对其经济性和工效进行对比分析。

1 车站管幕法施工技术

新管幕法主要有以下优点：①安全性好 土方开挖在永久结构保护下完成；取消了分部开挖与支护，可大大减少受力体系转换次数；变形易控制，沉降小，周边环境易保护。②快速施工 土方开挖可采用大型挖运设备；取消了临时支护的支拆工序，大大加快施工速度。③大跨施工 单拱无柱大跨地下空间一次建造成型。该方法主要适用于下穿重要建(构)筑物及既有运营交通线路、对周边环境保护要求高的地下大空间工程。同时，新管幕法可应用于除硬岩外的多种地层，如砂土、黏土，特别是软土及饱和砂土地层条件。

1.1 顶管施工方法

车站管幕可采用半包式设置与全包式管幕实现封闭地下水。当车站地下水位较高且土质软弱，无法实现场地降水时应采用全包式管幕。管幕由若干根钢管构成，钢管间距根据具体情况设置。顶管施工可采用若干台顶管设备实施，施工顺序一般采用从下往上对称施工，工作井内设置可升降式工作平台(见图1)[10]，顶管施工流程如图2所示。

图1 可升降式工作平台

图2 顶管施工流程

1)顶管施工重难点 ①隧道下穿既有公路及既有建(构)筑物，对沉降控制要求高；②软土地层，刀盘易结泥饼，影响推进效率；③管间距较小，对顶管施工精度要求较高。

2)相应解决措施 ①采用泥水平衡模式，通过控制推进速度及进排浆压力，有效控制掌子面土仓压力，减小地面沉降；配置膨润土润滑系统，防止卡顿等情况发生，也可填充开挖间隙，减小地面沉降；②采用软土刀盘，保证大开口率，防止刀盘结泥饼，有效提高推进效率；③采用高精度激光靶式导向系统，确保顶管施工精度。

1.2 加固施工方法

管幕法施工涉及2部分地层加固：①顶管施工时，顶管始发和接收阶段采用的加固措施；②管幕法施工时，钢管间钢板切割和打开采用的加固措施。

1)顶管始发和接收措施

在软弱富水地层，特别是高水压条件下，顶管始发和接收拟采用类似于盾构法的加固措施[11]： ①顶管始发和接收区采用冻结加固，设立加固区范围；②顶管始发采用钢套箱始发，如图3所示；③顶管接收采用钢套筒接收，如图4所示；④顶管施工完成后，钢管与洞门钢环焊接在一起形成止水。

图3 钢套箱

图4 钢套筒

2)管幕壁后加固

管幕法施工需要人工在钢管内切割相邻钢管间的钢管壁，然后焊接钢板，使钢管间形成临时整体，最后在钢管间绑扎钢筋、浇筑混凝土形成支撑结构。因此切割钢管前需采用冻结法对相应地层进行临时加固[12]。

1.3 管幕内结构施工方法

在管幕壁后加固的前提下施作管幕结构，工人进入钢管内，人工切割开相邻钢管，并焊接相邻钢管间的支护钢板完成钢管间的空间打开，最后在打开的管幕空间中施作钢筋混凝土结构[13]。管幕内结构施工流程为：施作顶管→顶管壁后采用冻结法加固→施作拱肋(拱肋宽2m)→施作拱肋间结构(拱肋间距5m)→完成管幕。

2 案例分析

天津地铁7号线一期工程南起西青区赛达路站，北至河北区喜峰道站，是中心城区南北向骨干线路，一期线路全长约26.5km，共设21座车站。金纬路站位于天津市河北区中山路与金纬路交会处，车站为地下3层，主体结构总长160.00m；标准段基坑宽约22.30m，深约23.2m；盾构段基坑深约25.17m。B出入口及1号风亭为地下2层结构，基坑深约18.91m；C出入口及2号风亭为地下单层结构，基坑深约11.08m。金纬路站工程建设涉及金辉里小区的拆迁，需拆迁1栋7层住宅，拆迁面积为 5 390m2。 拆迁区域正好影响车站管线迁改和交通导行施工，进而影响车站主体施工。

2.1 工程环境

2.1.1水文地质情况

金纬路站现状地面主要为沥青路面，局部为广场、棚户区，地面高程为3.200m，地表平坦。车站范围从上至下依次为人工回填土、粉质黏土、局部夹砂质粉土、黏质粉土透镜体、粉质黏土、砂质粉土。根据GB 50909—2014《城市轨道交通结构抗震设计规范》综合判定场地土类型为软弱～中软土，场地类别为III类。

车站范围内无河流等地表水，勘察期间测得场地地下静止水位埋深1.80～2.80m。地下含2道承压水层，第1承压水层线与端头扩大端底板几乎平齐，与标准段底板相距约2m(水头大沽标高约为-0.800m)， 对工程施工有一定不利影响；第2承压水层线标高为-38.000m(水头大沽标高约为-1.800m)， 位于底板以下约19m，对底板施工影响较小，但对地下连续墙及柱下桩施工有一定影响。

2.1.2周边环境

基坑西侧由南向北依次为老板娘大酒店(距车站主体基坑27.31m)、元吉里小区(距车站主体基坑最近处8.47m)、二美里小区(距车站主体基坑最近处10.30m)；东侧由南向北依次为中国银行河北支行(距车站主体基坑最近处18.15m)、金辉里小区(拟拆迁)、阳光广场(拟拆迁)、河北区房地产管理局(距车站附属结构基坑最近处8.39m)。

车站采用管幕法施工需满足大、小里程端施作工作井的条件。大里程端东侧有阳光广场，面积为4 000m2，存在工作井施作条件。小里程端两侧有元吉里和金辉里小区，且中山路道路狭窄，两侧条件复杂不存在工作井施作条件。但在车站小里程端以南100m位置存在1个30m×30m花园，可提供小里程端的工作井。

2.2 车站尺寸优化设计

2.2.1车站长度

为保证小里程端工作井的实施，确保主体结构实施管幕法的可能性，需加长主体结构；车站大里程端工作井位置不变，小里程端工作井设置在花园位置，车站长度由160m加长至274m，并在花园位置设置出入口和风亭。

2.2.2车站断面

断面结构形式由原3层矩形结构优化为2层圆形拱棚结构，如图5所示。原车站标准段尺寸为宽22.3m、高19.09m，顶板覆土2.97m；围护结构采用1m厚地下连续墙。优化后结构尺寸为高17.37m、宽25.305m，顶板覆土6.315m，开挖面积354m2；管幕采用28根φ2 000钢管组成，顶管进尺243m。

图5 车站断面形式

2.2.3施工工序

为满足管幕法施工条件，需提前设置顶管施工的始发井和接收井。结合车站调整后的车站扩大端位置，分别在阳光广场、花园处设置1个16m×26m×25m工作井。大里程端(阳光广场处)作为顶管始发井，小里程端(花园处)作为顶管接收井。

1)大里程端始发井施工

根据现场条件，大里程端始发井施工现场能实现宽41m、长74m的施工场地，满足工作井结构施工和顶管施工。中山路大里程端现场东侧实现由南向北两车道、西侧实现由北向南单车道导行，满足中山路导行，如图6所示。受工作井影响的中山路相关管线临迁至基坑两侧导行路下，车站施工完成后回迁，如图7所示。

图6 大里程端交通导行

图7 大里程端管线迁改

2)小里程端接收井施工

根据现场条件，小里程端接收井施工现场能实现宽26m、长40m的施工场地。中山路小里程端施工现场东侧实现由南向北两车道导行，西侧实现由北向南两车道导行，如图8所示。受工作井影响的中山路相关管线临迁至基坑两侧导行路下，车站施工完成后回迁，如图9所示。

图8 小里程端交通导行

图9 小里程端管线迁改

2.3 主要受力计算

2.3.1管幕结构受力计算

为验证修建完成的管幕结构能否满足土方开挖后的支撑需要，采用MIDAS/GTS进行土方开挖阶段的数值分析，模型如图10所示。管幕结构应力计算结果如图11所示。由图11可知，结构最大应力为13.38MPa，符合GB 50157—2013《地铁设计规范》的要求。

图11 管幕结构受力应力云图(单位：kPa)

2.3.2车站抗浮计算

基于GB 50157—2013《地铁设计规范》，取标准断面按每延米对车站受地下水影响进行抗浮验算。

不考虑抗浮措施：

G/γf1≥Ff

(1)

式中：G为车站自重标准值及其上作用的永久荷载标准值(地下水位以下取浮重)之和(kN)；Ff为车站承受的水浮力(kN)，Ff=γwl1l2ht；γf1为重力抗浮分项系数，取1.05；γw为水的重度，可按10kN/m3考虑；ht为设计水位至底板高差;l1为车站截面长度(m)；l2为车站底面宽度(m)。

G=G自重+G覆土=2 850+5 125=7 975(kN)；Ff=γwl1l2ht=10×25.2×1×24.4=6 148(kN)；G/γf1=7 595kN>Ff。车站结构满足抗浮要求，不需要再额外设置抗浮措施。

2.4 成本对比

结合原车站结构形式和原盖挖逆作工法，与车站优化后的结构形式和调整后的管幕法工法进行直接成本对比。同时对车站位置涉及管线迁改与房屋拆迁进行费用对比，如表1所示。

表1 管幕法与盖挖法费用对比 万元

对比2种工法，单纯从施工成本来看，管幕法成本更高，经济效益不明显。但综合考虑管线迁改和涉及拆迁情况等，因管幕法涉及管线较少(只考虑工作井管线)且不需要考虑拆迁，同时考虑到拆迁的不确定性及工期成本等，管幕法施工在工期和总造价方面具备一定的优势。

2.5 工效对比

因管幕法涉及更多的工法转换，且各工法间无法实现交叉施工，导致其并不具备工效上的优势，管幕法与盖挖法工效对比如表2所示。但考虑到拆迁的不确定性，管幕法可做到及时开工、工期可控，是避免征拆的一个选择。

表2 管幕法与盖挖法工效对比 d

3 结语

1)在新管幕法施工过程中存在多次工序交叉，顶管与冻结法加固、冻结法加固与钢管切割、冻结与管内钢筋绑扎、混凝土浇筑存在多次工序交叉等不足；且施工节点众多，存在渗漏水风险，同时施工空间和抢险空间相对狭小。

2)相对其他施工方法(如盖挖法)新管幕法施工在成本和工效方面不占优势，但该方法具备不受房屋征拆影响、管线迁改工作量小及工期可控等优点，仍是特殊施工环境下可考虑的地铁车站施工方法。

3)依据天津地铁7号线一期工程金纬路站，对地铁在软弱富水地层下施工时采取新管幕法施工的可能性进行分析，计算发现，管幕结构受力符合相关规范要求。