0 引言
随着城市化进程的不断加快，诸如交通堵塞、行车速度缓慢等一系列交通问题变得日趋严重，而地铁是解决大城市交通拥挤问题的有效方式之一［1］。目前全世界已有100 多座城市共计开通300 多条地铁线路，总长度超过6 000 km。我国北京、上海、广州、沈阳等40 多个城市的地铁线路已在运营或建设中，可以说我国已经步入地铁工程建设的高峰时期［2 － 3］。
管幕法是一种独特的地下空间建设方法，它利用较大直径的钢管在地下密排并相互咬合预先形成钢管帷幕，然后在钢管帷幕的保护下进行开挖，从而建造大断面的地下空间［4 － 5］。相比于浅埋暗挖法，管幕法对于地质情况复杂、地面控制要求高、超浅覆盖等地下空间的建设有明显的优势。管幕法适用于回填土、砂土、黏土等多种地层，加之在开挖过程中能够显著减少地表沉降，应用较为广泛［6 － 7］。
在地质和周围环境复杂且风险源多的地段，传统的施工方法不能满足施工的需要。在此基础上，提出了STS 管幕工法: 采用带翼缘板的大直径钢管依次顶入土中，在顶进过程中及时清除管内土体，同时对钢管侧壁开槽进行管间土的清除工作; 当钢管顶进结束后在管内安装横向连接螺栓以及在管内和管间浇筑混凝土; 最后边开挖管幕下方土体边焊接下翼缘板，以便STS 管幕结构形成一个完整的受力体系［8 － 9］。STS 管幕工法不仅可以建造直墙平顶直墙结构，进而提高空间利用率，还可以实现大断面开孔，并保证施工的安全性［10］。
目前国内学者对普通钢顶管的纠偏和地面沉降等问题已进行了广泛研究: 文献［11］针对首都机场扩建工程，论述了超长管幕的施工控制要点和隧道暗挖施工典型步骤，得出不停航跑道下采用超长管幕超前支护技术保护浅埋暗挖隧道施工是切实可行的; 文献［12 － 13］对拱北隧道曲线管幕工程关键施工技术进行了分析，并针对顶管机选型、顶管纠偏及障碍物处理给出了建议和解决措施; 文献［14］结合上海外滩管幕工程，从管幕推进工艺选择、精度控制、施工过程中的沉降控制等方面介绍软土地区管幕法的施工工艺要点，为软土地区复杂环境下地下空间施工方法提供了新的思路; 文献［15］针对大直径钢管顶进过程中顶进方向控制难度大、顶进阻力大、地面沉降不可控等问题，提出了解决措施，取得了良好的效果。由于带翼缘板钢顶管在工程中尚未使用，相邻钢管间的连接问题仍未涉及。
本文对STS 管幕工法修建地铁暗挖车站进行研究，对钢管顶进过程中的纠偏、管间三角区掏土、螺栓连接、混凝土灌注和地表沉降等进行研究，为STS 管幕工法的推广应用积累经验。
1 工程概况
1． 1 工程背景
沈阳地铁9 号线某车站位于青年南大街与浑南西路交口处立交桥北侧。青年大街是沈阳市的主干道之一，为双向12 车道，车流量密集。车站周边环境较复杂，西侧为瑞宝国际等高层公寓，东侧为富腾国际公寓、德馨园等。车站东西向穿越青年南大街，与既有2号线奥体中心站换乘，见图1。
图1 车站平面图
车站总长150 m，其结构形式为3 层双柱3 跨结构，两端为明挖施工，中间为暗挖施工，暗挖段长80． 8m。为了确保施工过程对青年大街不造成影响，车站暗挖段采用STS 管幕结构及洞桩法相结合的工艺进行施工，这在国内尚属首次。暗挖段初期支护为直线顶进的新型管幕结构，由28 根水平钢管和12 根竖向钢管相互连接形成初期支护体系。车站结构净宽22． 9m，高21． 14 m，底板埋深约24． 5 m，覆土厚约3． 4 m，属于超浅埋大断面暗挖车站。车站结构断面见图2。
图2 车站暗挖段横断面图( 单位: mm)
钢管幕采用900@1 000 mm 的Q235 钢管，管壁及翼缘板厚度均为16 mm。钢管单节长度为1． 5 m，通过2 /4 节纵向焊接，加工成3 m 和6 m 的顶管，以满足现场施工需要。相邻钢管翼缘板相互搭接长度为100 mm，上下搭接间隙为42 mm，钢管预留30@ 150mm 螺栓孔，管内及管间填充C30 微膨胀混凝土，下翼缘板随开挖及时焊接，管间连接采用8． 8 级螺栓、M27@150 mm 连接，上下双排布置，端部采用等强度螺母增加锚固，见图3。
图3 钢管横向连接节点( 单位: mm)
1． 2 工程地质及水文条件
顶管施工地质纵断面如图4 所示。顶管标高以上土层主要由人工填筑层和粉质黏土层组成。人工填筑层主要由黏性土、碎石及砂类土组成，层厚在1. 60 ～4. 80 m; 粉质黏土层层厚在0. 60 ～ 4. 10 m。
图4 顶管施工地质纵断面图
施工所在区域的地下水属松散岩类孔隙潜水，全新统含水层水量丰富，是工业、城市生活饮用水的主要开采层，岩性以砾砂、圆砾层为主，含水层厚度为29. 70 ～ 32. 86 m。含水层下部的隔水层主要以砾砂、含黏土圆砾层为主，该层结构密实并含大量黏性土。环境土对混凝土结构具有微腐蚀，对钢筋混凝土结构中的钢筋也具有微腐蚀。
1． 3 施工工艺流程
STS 管幕结构施工工艺流程见图5。
图5 STS 管幕结构施工工艺流程
1． 4 工程创新点及难点
1． 4． 1 工程创新点
STS 管幕工法是在传统管幕结构的基础上，通过下翼缘板、混凝土及螺栓把相邻钢管连接成一个整体结构，大大提高了整体管幕结构的横向承载力和横向刚度。因此，在管幕下方开挖土体时，无需架设大量的临时支撑，即可实现全断面开挖，不仅简化了受力体系，缩短施工期，也提高了施工安全性。
1． 4． 2 工程难点
STS 管幕结构作为初期支护体系首次被用于修建地铁暗挖车站，针对该工法中带翼缘板的特殊顶管形式，暂无工程经验和理论可以借鉴。具体工程难点如下:
1) STS 管幕结构支护体系的钢管间距小( 钢管外径为900 mm，相邻钢管净间距为100 mm) ，并且相邻钢管下部搭接的翼缘板需要焊接，对钢管顶进精度具有较高的要求。
2) 由于STS 管幕结构中钢管直径小，对管内施工带来困难; 加之钢管两侧带有上、下翼缘板，对钢管纠偏造成了一定的困难。
3) 相邻管间三角区间距十分狭小，三角区清土有一定的困难。
4) 长距离水平钢管混凝土灌注密实度难以保证。
2 钢管顶进关键技术研究
2． 1 钢管顶进施工工艺
ABS 水平螺旋钻机工作原理是利用水平螺旋钻机与水平定向钻机协同工作的顶管施工方法。凭借ABS机器自身系统的导向功能，钻入导向钻杆，通过导向钻杆控制螺旋钻的方向，从而实现顶管的定向顶进，如图6 所示。
图6 ABS 水平螺旋钻
首先利用水平定向钻机沿管道的设计轨迹钻成一个先导孔至设计位置，然后在工作井内将水平定向钻机的钻杆与水平螺旋钻机的钻头、螺旋钻杆连接，水平螺旋钻机在掘进顶管过程中水平定向钻机进行同步牵引，使管线始终按照水平定向钻机先导孔的待铺管线设计轨迹前进，最终完成高精度的钢管顶进。顶进时，依靠螺旋钻杆向钻头传递钻压、转矩并排除土屑，并将钻头切削下来的土屑排到工作坑。
1) 导向管顶进。根据2 个定点，利用水准仪标出轴线，确定出导向管的顶进位置。导向钻杆的直径为114 mm，钻头直径为118 mm，每根管节长1 m，相邻导向管之间用榫卯连接，并且在连接处插入特质连接销进行加固，防止在钻进和回抽过程中转矩增大导致钻杆断裂。钻进速度为0． 5 ～ 1 m/min。导向管的钻头制成斜面，旋转顶进。导向管内部中空，最前端的管节安装带有LED 的靶心，激光束通过中空的导向管传到设置在始发井内的水准校核仪上，同时在显示屏上成像，于顶进过程中进行实时纠偏，如图7 所示。
图7 导向管顶进
2) 钢管顶进。导向孔施工完成后，沿着导向钻杆安装螺旋钻杆( 空心) 及扩孔钻头，并在螺旋钻杆外安装待顶进的钢管，如图8 所示。开动钻机，顶进钢管，通过数据监测进行实时纠偏。由于螺旋叶片和钢管顶铁所受的力相互独立，顶铁所受的力随着顶进长度的变化呈线性增长，而切屑土体的力基本保持不变，但是由于摩擦力的存在，顶力也会增大。
图8 钢管顶进
奥体中心站水平管幕共28 根，竖向管幕10 根。其中，水平管幕采用水平螺旋钻施工，总长度为1 876m，顶管施工期为2015 年12 月25 日至2016 年4 月5日，共计101 d，平均顶进速度为18． 57 m/d。竖向管幕采用人工开挖，总长度为670 m，顶管施工期为2016年5 月6 日至2016 年7 月14 日，共计69 d，平均顶进速度为9． 7 m/d。在所有钢管顶进过程中，初始平均顶力为800 kN 左右，最大顶力不超过3 000 kN。
2． 2 引起顶管偏离轴线的因素及纠偏措施
钢管顶进是STS 管幕结构施工的难点所在，同时也是最关键的步骤，直接关系到工法应用的成败。由于顶管施工所处位置环境较为复杂，顶管下侧土质为细砂，上侧为坚硬的沟渠，并且要穿过一段淤泥土质地层，极易在顶管过程中出现偏移。在顶管试验中，针对纠偏一般采用调整顶力位置、地层加固以及管头焊接倾斜钢板等措施，因为钢管两侧带有翼缘板，所选措施纠偏效果均不理想。结合现场施工情况，对纠偏措施进行改进。
在顶管的端部内置2 m 长的工具管，此工具管直径略小于顶管直径( 间隙3 cm 左右) ，工具管和顶管采用4 个液压千斤顶连接。千斤顶焊接在钢管主体上，工具管设计位置焊接钢板与千斤顶接触。钢管顶进过程中，通过4 个千斤顶分别施加不同的压力实现钢管端头在上、下、左、右4 个方向轻微移动，实现钢管纠偏，如图9 所示。此装置能及时矫正偏离设计轴线的钢管，不仅确保了顶管按照设计位置顶进，而且纠偏效率高，进而有效缩短工期，显著提高经济效益。
图9 纠偏装置
2． 3 钢管顶进过程中的注浆减阻
土体与钢管接触面力学特性问题是顶管工程中的一个重要问题。由于顶管的顶力随着顶距的增大而逐渐增大，当顶进一定的距离后，需通过注浆减少摩阻力以满足施工要求。
2． 3． 1 浆液配置
首先根据顶管工程现场实践经验，确定触变泥浆各组分的基本质量配合比，m膨润土∶ mCMC ∶ m纯碱∶ m水=1∶ 0． 012∶ 0． 05∶ 6。结合顶管施工现场的土质情况，将膨润土、CMC 和纯碱3 种材料作为变量进行室内试验，研究各变量对摩阻力大小的影响规律。在试验过程中，为了使膨润土充分分散，搅拌应充分均匀，泥浆拌合后应停滞12 h 后使用。
通过室内试验( 见图10) 得出采用钠基膨润土、CMC、纯碱和水4种混合物的质量配合比为1∶ 0． 05∶0． 05∶ 10 时，减阻效果最佳。
图10 触变泥浆
2． 3． 2 注浆管布设
在钢管上、中、下部布设注浆管，在管头处焊接直径为12 mm、长1 m 的钢筋作为注浆管开槽工具，且将钢筋入孔段切斜口以利于顶进成孔。在钢筋后连接直径12 mm 的注浆管，管道安装完成后，启动泥浆泵，注入泥浆。注浆管布设位置如图11 所示。
图11 注浆管布设
2． 3． 3 注浆控制
注浆减阻过程中要按照“先压后顶、随顶随压、及时补浆”的原则进行。注浆压力要均匀，开始时压力不宜过高，防止管口冒浆，注浆压力控制在2 ～ 3 MPa。
2． 3． 4 现场应用
将研制的减阻浆液应用到实际工程中，在钢管顶进的注浆段，钢管顶力增加变缓，由注浆前每米增量38 kN变为每米增量16 kN，注浆减阻效果明显，见图12。
3 钢管间连接技术研究
3． 1 管间掏土措施
顶管工程结束后，钢管内的土已经清理完毕，随后，钢管间三角区掏土成为关键性环节。管间掏土关系到后期管间混凝土能否灌注密实，以确保管间的承载能力和横线刚度。同时，青年大街是沈阳市交通干道，日交通量巨大，因此对其地下工程沉降有较为严格的控制标准。
图12 顶管顶力与顶距的关系
施工初期采用高压水枪喷射、卷扬机加钢丝圈等措施进行管间清土，由于高压水枪喷射会使土体过分流失，造成较大沉降，且泥水会流向地势较低处，而顶管工程无法形成合适的高度差对泥水进行疏散; 因此，采用高压水枪的方式进行管间清土是不可行的。随后，现场采用钢丝圈和钢绞线( 见图13) 相结合，在管幕出入口位置用2 台卷扬机反复拉动钢绞线，将管间土体带出; 但由于顶管纵向长达80． 8 m，钢绞线无法紧绷，导致很多位置无法清理干净，而且采用这种方法之前需要先开口穿线，工序繁琐，清土效果不理想。
图13 钢丝圈和钢绞线
经过上述方法的尝试，结合顶管工程的实际情况，总结出一套有效的清除管间土的方法，具体操作为:
1) 利用微型螺旋铲对管间土体进行疏松和清理，然后采用高压风清理剩余土体。其主要原理为螺旋钻对土体进行切削，再通过转动螺旋钻杆将切削下来的土体输送至管外，以达到施工要求，见图14。
2) 待微型螺旋钻和高压风清土完成后，如果效果不理想，则在钢管侧面间隔20 m 进行开槽，截面尺寸为300 mm × 300 mm，每根钢管共计开孔3 个; 然后在开槽处从中间向两侧分别输送高压风，直至将管间的土体清理干净，完成后用卷扬机牵引特制钢丝刷对管间进行再次清理，确保无泥浆和残渣。管内开槽数量及位置如图15 所示。
图14 水平螺旋钻清理土体
图15 钢管开槽
3． 2 横向螺栓安装
横向螺栓作为STS 管幕结构中比较重要的连接部分，其安装需要满足一定的要求。为了提高工作效率，缩短施工工期，钢管在加工过程中即事先开设螺栓孔，见图16。
图16 螺栓孔
在实际的顶管工程中，由于钢管顶进过程存在少许偏差，导致顶入土体的钢管不能完全达到设计高度，在一些位置处无法进行螺栓的直接连接。为了实现螺栓正常连接，在这些位置的原设计基础上扩大螺栓孔，确保螺栓顺利穿入预留孔洞，完成横向连接; 同时，将螺栓和螺帽放置在设计位置，以满足最小锚固长度和锚固力，见图17。
图17 螺栓连接
3． 3 水平钢管混凝土灌注技术
考虑到STS 管幕结构的混凝土灌注是在水平管内长距离注入混凝土浆液，一般混凝土的流动性不能满足施工需要。基于此，研制一种不用振捣就能自密实的超流态混凝土十分必要。本文通过室内试验，对混凝土外加剂、粗骨料以及胶凝材料的选用进行研究，得出当m水泥∶ m砂∶ m石∶ m水∶ m掺合料= 1∶ 1． 7∶ 1． 93∶ 0． 43∶0. 29 且外加剂选用BFJ － 1 时，配置的流态混凝土能够满足水平管长距离灌注混凝土的密实度要求。
在现场施工中，当横向螺栓安装完成之后需进行混凝土灌注，管间则通过钢管侧面开槽自动流入，以完成混凝土的灌注。
针对本次顶管工程顶进全长80． 8 m，为了确保混凝土灌注的密实度，灌注时将单根钢管用钢板分为2段，从两边分别进行混凝土灌注。灌注混凝土前，在钢管的两端焊接封堵钢板，并在封堵板上开设混凝土泵送孔、二次补浆孔和排气孔，见图18。灌注混凝土时，当排气孔内混凝土浆液溢出，并且已达到设计灌注量，表明水平钢管已灌注密实。
图18 注浆孔及排气孔
由于管内灌注混凝土的施工局限性，致使管内顶部会出现孔洞，造成混凝土不密实，极大地影响了管幕结构的整体强度。因此，需要通过预设的注浆管进行二次注浆，填充管内及管间混凝土孔洞，确保混凝土的整体密实度，见图19。开挖管幕下方土方时，在竖向管的侧面钻孔检测混凝土的密实度，发现管内混凝土的密实性良好，说明该混凝土灌注方法满足施工要求。
图19 混凝土灌注
3． 4 下翼缘板焊接技术
下翼缘板的焊接与上导洞和负1 层开挖同步进行。由于前期顶管工程造成管线不同情况的偏移，使得相邻两管之间水平和竖直2 个方向距离发生变化。下翼缘板的焊接根据现场实际顶进效果采取不同的解决措施。
靠近始发区的顶管，由于相邻管间偏差很小，可直接将两翼缘板焊接在一起。随着顶管顶进距离的增加，相邻管之间的偏差有所增加，当两翼缘板不能搭接时，先将多余土体清理干净，然后填充钢板进行接焊，以确保横向的连接强度。在下翼缘板焊接完成之后、继续向前开挖之前，架设钢筋网片，并喷射5 cm 厚的混凝土护壁，使管幕更好地形成一个整体，同时更有利于混凝土喷射找平，为后期防水施作提供基础，见图20。
图20 下翼缘板焊接
4 STS 管幕施工沉降控制
4． 1 地表沉降分析
STS 管幕施工是本工程引起地表沉降的主要因素之一。为了及时了解顶管施工对地表沉降的影响规律，顶管施工前，在地表共布置5 个监测断面。监测点布置见图21。
该工程共需顶进40 根钢管，本文针对7 根具有代表性的钢顶管，研究施工过程对地表沉降的影响。根据现场施工监测数据，随着钢管的顶进，地表沉降曲线如图22 所示。由图可知，在车站暗挖管幕顶管施工完成后，在顶管施工阶段地表最大沉降位于28# 顶管顶进80 m 位置，沉降值为18 mm，符合规范要求。
图21 监测方案
图22 地表沉降监测结果
4． 2 地表沉降控制措施
结合现场，针对地表沉降采取的控制措施主要为:
1) 不超挖管头处的土体。在顶管施工过程中，使水平螺旋钻的钻头在顶管内部旋转出土，减小对管头前方土体的扰动，进而减小对地表的影响。
2) 注浆加固土体。对于地下暗挖施工，势必会对土体造成扰动，对于扰动影响较大的，应通过注浆孔及时注浆加固，避免出现较大的地表沉降，确保施工质量。
3) 管壁四周注浆减阻。对顶管四周进行注浆，以减小顶管施工过程中的摩阻力，进而减小顶推力，更容易控制顶力施加的均匀性，确保钢管顶进的精度，进而减少对管头的纠偏次数，减小对土体的扰动，进而有效地控制地表沉降。
5 结论与讨论
本文针对STS 管幕工法修建地铁暗挖车站施工过程进行研究，主要得出以下结论:
1) STS 管幕工法建造平顶直墙大跨度地铁暗挖车站，提高了地下空间利用率和施工安全性，解决了大空间开挖技术难题。结合实际施工，对带翼缘板钢管顶进、管间三角区掏土、螺栓连接以及混凝土灌注等关键技术进行研究，并提出相应的解决措施，为后续施工提供工程经验。
2) 采用机械顶管施工，解决了钢管顶进准确定位的难题，确保了大直径带翼缘板密集顶管的顺利实施。采用ABS 水平螺旋钻顶进带翼缘板钢管，虽然达到了施工要求，但是对精度的控制相对较差，不具备自动纠偏功能，只能借助人工进行管头的纠偏。建议后续顶进带翼缘板钢管时，采用顶管掘进机，不仅可以更好地控制顶管的精度，而且还具备自动化纠偏功能，避免人工纠偏对土层造成扰动而引起的地表沉降。
3) 解决了STS 管幕工法施工过程中大直径带翼缘板钢管减阻问题，由注浆前每米增量38 kN 减为每米增量16 kN，注浆减阻效果明显。在后续工作中，针对注浆位置可以进一步优化，以便进一步减小钢管顶进过程中的侧摩阻力; 现场施工中采用了微型水平螺旋钻结合侧面开槽、高压风清土等措施进行管间掏土，但施工操作相对复杂，后续研究工作应进一步优化，提高清除管间土的效率。
摘自：隧道建设