新管幕支护结构一体化施工管间切割加固技术*

刘成龙

(1.中铁十四局集团有限公司，山东 济南 250014；
2.北京城乡建设集团有限责任公司，北京 100067)

新管幕法是全新的暗挖工法，核心思想有异于传统新奥法，是利用大直径密集群管顶进施工，形成全部或部分永久钢筋混凝土结构，在此结构支护下，进行暗挖结构土方大开挖，最终完成全部地下结构[1-2]。目前，新管幕法施工只有少数国家运用较多，而在我国起步较晚，运用量很少，而其优点较多，能很好地适应高度发展的城市化建设需要。随着城市化快速发展，大量公路、铁路及水利工程建设中的下穿工程将不断增加，新管幕法也将得到更广泛应用[3]。

在新管幕法施工中，张鹏等[4]、任高峰等[5]以拱北隧道曲线管幕工程为依托，总结复合地层、高地下水压力及苛刻的周围环境下曲线顶管管幕施工关键技术；
朱正国等[6]通过对施工效应进行模拟分析，预测车站施工引起的既有隧道沉降量，确定合理的管幕预支护参数和作用效果；
刘国生[7]总结了群管顶进技术在沈阳地铁2号线新乐遗址站风道中的应用；
郭勇[8-9]研究了大直径管幕首次下穿特级火车站微扰动施工技术。

1.1 项目概况

太原市迎泽大街下穿火车站通道建设工程是迎泽大街东延的控制性工程，是太原市向东拓展的主通道之一。迎泽大街在太原火车站前分为上、下行，分别从车站南、北两端下穿。通道平面采用直线形，垂直下穿站场股道。分为南、北2个通道，北通道管幕段全长102.5m，南通道管幕段全长107.5m。

1.2 管幕段概况

管幕法下穿特级火车站属于国内首次，南、北通道管幕段各需顶进20根直径2 000mm、壁厚20mm钢管，管间距为165～235mm，钢管顶进完成后进行钢管切割支护焊接、结构钢筋绑扎、混凝土浇筑施工。道路等级为城市次干路，为两孔单向四车道，通道净高设置为4.5m。管幕段结构全宽18.2m、全高10.5m，设计车速近期为30km/h、远期为50km/h。管幕段横断面如图1所示。

图1 管幕段横断面

1.3 管幕钢管切割原理

管幕暗挖段施工为重难点，采用新管幕法施工，即采用顶管机下穿铁路并敷设钢管，沿隧道结构线形成1圈钢管幕，然后在钢管内分段分区切割钢管，横向浇筑钢筋混凝土衬砌，在隧道开挖前形成稳定的钢筋混凝土结构，最后开挖中间土体，形成隧道。管幕形式为椭圆形体系，将所有已顶进钢管进行管间三角区注浆加固，如图2所示，并进行管间内部切割最终实现管间互连，形成一个整体结构。注浆加固主要采用径向高压旋喷桩加固。所有管间三角区注浆加固完成后，进行管间切割，采用气爆切割与等离子切割相结合的方式，并将整个切割过程分2次。钢管第1次切割在本结构段内由里向外依次跳作，每次严格按规定尺寸(长1.4m、高1.2m矩形)切割；
第2次切割在本结构段内由里向外依次将第1次未切割的地方进行切割，切割尺寸为长1.0m、高1.2m矩形。切割时先沿主体纵向切割，然后再沿垂直方向切割。切割跳作步序如图3所示。

图2 管间三角区加固范围示意

图3 切割跳作步序

2.1 施工准备

临时钢支撑采用φ180×40钢管，2节临时支撑总长度≤1.5m，中间预留50t千斤顶空间，两端焊接300mm×300mm×20mm弧形钢板，如图4所示。

图4 临时支撑示意

永久支撑规格为φ114×5.5钢管，两端支护垫钢板尺寸为160mm×160mm×10mm，支护垫钢管尺寸为φ98×4×40，永久支撑长1.25m，支撑内填充C25微膨胀细石混凝土。永久支撑及支护垫如图5所示。

图5 永久支撑及支护垫示意

将切下的弧形钢板用压板机压至平整，随后根据钢板下料技术交底用石笔在压好的钢板上画好尺寸，由焊工将不同尺寸钢板用等离子切割机切下，并存放好。待管幕段区域切割完毕后将钢板运入，严格把握钢板尺寸，两侧各超出切割面2cm，以备补充焊接。

2.2 三角区加固

钢管切割施工前，对钢管间三角区土体进行管内径向旋喷加固[10]，单侧径向旋喷桩φ600@550mm(见图6)，对侧水平旋喷桩沿钢管纵向交错布置，其中A1和A20，A7和A8，A10和A11，A17和A18钢管间外侧三角区旋喷桩加固长度为1.5m，其他管间三角区旋喷桩加固长度为1m。经过旋喷加固的土体应有很好的均质性、自利性。土体加固施工流程为：根据测量队测量放样钢管切割线，先用薄壁金刚钻对钢管进行钻孔，钻机就位后，调平、对孔钻机，调整桩机垂直度，保证钻杆与桩位一致，偏差应在50mm以内，钻孔垂直度误差≤0.5%。钻孔前应调试空压机、泥浆泵，使设备运转正常；
校验钻杆长度，并用红油漆在钻杆上标注深度线，保证孔深满足要求，孔口安装密封胶圈，运行设备旋喷加固。

图6 三角区加固示意

2.3 测量放线

切割前进行测量放线，要保证一定精度。测量放线由项目部测量队实施，实行换手测量制度，确保测量放线准确。对测量仪器进行定期校核，保证仪器精度，有异常及时发现。测量放线时保证光线充足，对管内光线较暗处适当安排灯光照明。

2.4 临时支撑安装

1)测量员放出切割点后，根据点位拉出切割线，且定好切割1.4，1.0m区域。

2)根据切割区域将临时支撑(切割1.4m区域需临时支撑，切割1.0m区域无需支撑)立在所要切割区域两侧，并用千斤顶顶实。

2.5 钢管切割

1)钢管切割[11]严格按切割线(先切割1.4m区域，待1.4m区域安装焊接完毕后方可切割中间1.0m区域)进行，保证切割线平直，无锯齿。

2)严格控制钢板切割缝处切线质量，以保证焊接质量。

3)第1次切割长度为1 400mm，第2次切割长度为1 000mm，钢管采用气动碳棒切割，双侧钢管同时切割，先沿钢管竖直方向切割，后沿水平方向切割，切割完毕后采用等离子切割机进行切口整平及焊接剖口打设施工，剖口为30°，常规段钢管切割如图7所示，角部钢管切割如图8所示。

图7 常规段钢管切割示意

图8 角部钢管切割示意

2.6 钢管间核心土开挖

1)人工配合电镐及铁锹尽快破除裸露土面，减少土体暴露时间，由推车运出洞外。

2)拆卸所切割区域两侧钢板，并将钢板运出洞外，同时将下好料的钢板运进洞内。

3)连接钢板安装部位超挖量≤5mm。

2.7 砂浆找平及钢板安装

1)拌好的砂浆(砂、水泥配合比为2∶1)由推车运进洞内，上部钢板由升降小车配合千斤顶顶至一定距离，将拌好的砂浆放入，填实充分，压紧钢板，将钢板利用电焊点上。

2)下部将砂浆抹平后放入钢板，为防止变形，利用千斤顶将上、下钢板顶至密合，并进入下一环节钢板焊接。

2.8 永久支撑安装

1)钢板安装后，进行支护安装，支护纵向间距为1 200mm，横向间距为430mm，画好线后进行安装。

2)永久支撑支护垫内要填充灌浆料，后将支护垫扣在永久支撑上，移至画线区域，进行点焊。

3)4个(角部处为6个)永久支撑安装完毕后，进行再次量距，符合后进行支护满焊，焊缝高度要求为8mm。

2.9 钢板焊接

1)钢板安装完毕后，用铁刷等彻底清除焊接面水分、铁锈、油污、灰尘、油漆等，防止对焊接产生不良影响，先将所有焊缝进行一次焊接。

2)为减小焊接应力及变形，应采用合理焊接顺序，使焊接热量分布均匀。

3)焊接作业时，为达到好的焊接效果，须选定合适焊条、焊接电流及焊接速度。

4)焊缝高度要求为12mm，临土面内侧焊缝待土体开挖完成后进行后期补焊，焊缝高度为8mm。

5)焊接作业中，待钢板焊接、支护焊接完成后方可取下千斤顶，进行后续工序。

6)待1个窗口全部焊接完成、焊缝表面打磨光滑后，方可拆除临时支撑，卸下千斤顶移至另一个窗口。

1)钢管采用气动碳棒切割及气割，钢管第1次切割在本结构段内由里向外依次跳作。每次严格按规定尺寸切割。切割时先沿主体纵向切割，然后再沿垂直方向切割。

2)钢管先由一侧切割，另一侧暂不切割。一侧切割完成，钢板拆除后在一侧进行管间挖土。管间挖土时固定钢板挖土面暂保留部分土体不挖。待一侧管间挖土完成后进行另一侧钢管切割。另一侧钢管切割完成后，挖土修边，但钢板安装部位不得超挖。

3)钢管切割完成后，管间贯通部位要及时焊接连接钢板，减少土体暴露时间。钢管切割分为2次，钢板设置依次分2次进行。

4)管间土体开挖完成后立即进行支护，安装钢板。安装钢板时，对超挖部分采用砂浆充填，保证钢板与土体密贴。安装支护过程中，必须用千斤顶作为临时支撑，直至钢板焊接、支护钢管安装完毕。

5)采用千斤顶作为临时支撑后，严格按图纸要求进行焊接。钢板与钢管交接处、支护钢管与钢板交接处、钢板与相邻钢板交接处等必须满焊。焊接时要严格保证焊接质量，不得出现夹渣、咬边等质量缺陷。

6)本结构段内管间第1次切割完成后，安排进行第2次切割，第2次切割要求与上述相同，另需控制好第1，2次切割钢管连接处焊缝质量，焊缝高度要求为8mm。

7)部分支护钢管与固定钢板非垂直设置，两者成一定夹角，现场安装时采用角规检查角度，提前加工，以便使用。

8)邻近洞口处钢管二次切割时，必须待旁边洞口二次切割钢管支护完毕后，方可进行。钢管切割、焊接时保证管内正常通风，保持空气清新。钢管切割时加强监控量测，保证施工质量安全。

9)管间土体开挖完成后立即进行支护，安装连接钢板。外侧连接钢板作为结构防水的第1道防线，钢板与钢管间焊缝、钢板第1，2次设置间焊缝质量须满足设计强度要求。连接钢板尺寸应根据现场钢管切割后具体尺寸设置，但必须确保钢板设置达到设计要求。连接钢板安装部位超挖量≤5mm，对超挖部分采用砂浆充填，保证钢板与土体密贴。

10)连接钢板安装过程中，必须用千斤顶作为临时支撑，直至连接钢板焊接、安装完毕。支护钢管在主体结构施工前起支撑稳定管内空间作用，因此，支护钢管设置应牢固，并垂直设置。焊接时要严格保证焊接质量，不得出现夹渣、咬边等质量缺陷。

11)钢管切割、焊接时采用压入式通风，风机和启动装置安装在距离管口30m以外的新鲜空气处，风机将新鲜风流经风管压送至施工工作面，污风沿钢管排出。

1)管间三角区注浆加固，使浆液与土中水、泥等物质有效凝结，充分固化，极大地控制了变形。

2)临时支撑+永久支撑的方式，可保证管幕支护结构一体化稳定性及施工质量。

3)切割跳作方式不仅保证了施工过程中的安全性，而且提高了工作效率，缩短了工期。

4)钢管间切割利用气爆切割结合等离子切割方式，针对不同切割难度采用不同切割手法，施工质量高，缩短了工期。