富水地層采用矩形頂管修建附屬方案研究

文/雷振宇 農(nóng)興中 翟利華

1.前言

隨著城市軌道交通建設(shè)高速發(fā)展，明挖法實(shí)施地鐵附屬結(jié)構(gòu)雖然工藝成熟，但在富水地層實(shí)施時(shí)易發(fā)生塌孔、漏水、漏砂等工程風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)施工對(duì)地面交通及既有城市管線（管廊）等造成諸多影響，前期投入大，并逐漸成為制約車站工期的控制性因素之一。目前地鐵附屬結(jié)構(gòu)中出入口通道采用矩形頂管實(shí)施已獲得成功，本文據(jù)此開展富水地層地鐵風(fēng)道采用矩形頂管（非開挖掘進(jìn)）施工的可行性研究。

2.環(huán)控功能及對(duì)土建實(shí)施要求

通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)為地鐵系統(tǒng)中一個(gè)重要系統(tǒng)，其不僅直接關(guān)系到整個(gè)地鐵內(nèi)部空氣環(huán)境能否滿足需要，也關(guān)系到事故（列車阻塞、火災(zāi)、車站火災(zāi)等）發(fā)生時(shí)整個(gè)地鐵系統(tǒng)的防災(zāi)和救災(zāi)工作。風(fēng)道是通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)與外界進(jìn)行換氣的主要途徑，分為新風(fēng)道、排風(fēng)道、活塞風(fēng)道。新風(fēng)道為大小系統(tǒng)共用，一般通風(fēng)凈面積要求12個(gè)平方。排風(fēng)道除負(fù)責(zé)大小系統(tǒng)的排風(fēng)需求外還有軌排系統(tǒng)且此部分的風(fēng)量占的比例較大，一般為40～50立方每秒，故排風(fēng)道的凈面積要求20個(gè)平方。活塞風(fēng)需滿足車輛進(jìn)站降壓要求，一般凈面積要求16個(gè)平方。

3.富水地層采用明挖法實(shí)施地鐵風(fēng)道的風(fēng)險(xiǎn)及制約因素

3．1 富水地層圍護(hù)結(jié)構(gòu)成槽易塌孔造成漏水、漏砂

富水地層地下水位普遍偏高（特別是降雨使地下水位急劇上升），泥漿液面標(biāo)高不夠與槽內(nèi)出現(xiàn)承壓性，降低了靜水壓力造成槽壁漏漿或施工不慎造成槽內(nèi)泥漿面降低，從而使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)夾泥夾砂，基坑開挖時(shí)造成漏水、漏砂。

3．2 明挖實(shí)施前需進(jìn)行交通疏解

城市軌道交通建設(shè)中一般將車站設(shè)置于主要道路下方，減少對(duì)周邊既有建筑及地塊的影響。因此開展明挖法施工時(shí)為保障道路通暢，一般均需要進(jìn)行交通倒改，保證城市居民出行條件，根據(jù)周邊條件一般需進(jìn)行地面硬化、設(shè)置標(biāo)識(shí)標(biāo)線、新增圍擋，建設(shè)完成后還需進(jìn)行道路恢復(fù)，視復(fù)雜程度需占用2-4個(gè)月工期。

3．3 明挖實(shí)施前需進(jìn)行管線遷改

城市道路下方一般均敷設(shè)有市政管網(wǎng)（雨、污水管、給水管、電力、通訊、路燈等），采用明挖法實(shí)施時(shí)需對(duì)影響開挖的既有管線進(jìn)行臨時(shí)（永久）遷改，涉及臨時(shí)遷改的后期需回遷，視復(fù)雜程度需占用1-3個(gè)月工期。

圖1 拆解后各標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)道斷面

4.富水地層采用矩形頂管實(shí)施地鐵風(fēng)道的可行性分析

4．1 采用頂管技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

頂管施工技術(shù)是指首先采用頂管掘進(jìn)機(jī)成孔，然后將管道從工作井頂入、并按要求形成始發(fā)工作井至接收井之間連續(xù)通道的管道非開挖鋪設(shè)技術(shù)和施工方法。管道以圓形截面和方形截面居多，這種施工技術(shù)具有綜合成本低、施工周期短、環(huán)境影響小、不影響交通和施工安全性好等優(yōu)勢(shì)。

4．2 矩形多隧道頂管施工風(fēng)道的斷面擬定

將地鐵常見風(fēng)道斷面新風(fēng)道、排風(fēng)道、活塞風(fēng)道各自獨(dú)立形成斷面，新風(fēng)內(nèi)凈空要求12m2（最低要求不小于10m2）、排風(fēng)內(nèi)凈空要求20m2（最低要求不小于15m2）、活塞風(fēng)內(nèi)凈空要求16m2（最低要求不小于14m2），擬定斷面時(shí)主要考慮因素：

※由于矩形頂管不同于圓形頂管，其掌子面存在偏轉(zhuǎn)可能，斷面盡量選用寬扁形的斷面優(yōu)于豎長形的斷面；

※盡量減少對(duì)車站土建規(guī)模的影響，地鐵站廳層層高一般為4.7m～5.1m左右，結(jié)合管節(jié)壁厚、洞口環(huán)梁等，盡量減少對(duì)站廳層凈高影響。

擬定各風(fēng)道斷面如圖1。

將各風(fēng)道拆解后單個(gè)風(fēng)道的斷面目前國內(nèi)矩形頂管技術(shù)均可滿足，且由于一般地鐵風(fēng)道均與地下負(fù)一層（站廳層）銜接，其埋深約8m～10m，結(jié)合斷面尺寸可知其頂部覆土超過4m，基本可不影響各類管線；從目前國內(nèi)已實(shí)施的矩形頂管通道看，其對(duì)地面沉降的控制良好，基本可保證地面交通的通暢。

表4 ．3-1 華南地區(qū)土層的主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)表

4．3 矩形多隧道頂管施工風(fēng)道的理論分析

結(jié)合既有非開挖掘進(jìn)技術(shù)的施工經(jīng)驗(yàn)以及華南地區(qū)地層情況，首先對(duì)多隧道頂進(jìn)的最小間距進(jìn)行預(yù)估，初擬其水平凈距為1m（便于設(shè)置環(huán)框梁）。參考華南地區(qū)各代表性土層參數(shù)，其土層主要物理力學(xué)指標(biāo)(標(biāo)準(zhǔn)值)如表4.3-1。

本次分析采用粉細(xì)砂作為模擬土層進(jìn)行分析。

本次分析的地鐵結(jié)構(gòu)參數(shù)及本構(gòu)關(guān)系見表4.3-2。

計(jì)算采用MIDAS GTS軟件進(jìn)行，采用地層結(jié)構(gòu)法，以Solid實(shí)體單元模擬土層，以Plate殼單元模擬管片的結(jié)構(gòu)。對(duì)于土層與各結(jié)構(gòu)之間的接觸采用共用節(jié)點(diǎn)的方式進(jìn)行模擬。

對(duì)土層，采用Mohr-Coulomb本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行模擬，對(duì)連續(xù)墻、管片及支撐體系則按照Linear Elastic本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行模擬。圖2（一）分別為實(shí)體單元（a）、板殼單元(b)以及隧道頂進(jìn)施工過程模擬。

圖2 基礎(chǔ)模型（一）

4．4 隧道側(cè)向位移

在隧道側(cè)向位移計(jì)算結(jié)果中，主要以掌子面?zhèn)认蛭灰茷橹?，其變形量?jì)算結(jié)果見圖3-6，計(jì)算結(jié)果匯總詳見表4.3-3。

圖3 第二條隧道頂進(jìn)造成隧道累積變形

圖4 第三條隧道頂進(jìn)造成隧道累積變形

圖5 隧道頂進(jìn)造成地面累積沉降

圖6 地面累積沉降量統(tǒng)計(jì)

表4 ．3-3 計(jì)算的隧道側(cè)向位移

圖7 工程項(xiàng)目平面位置示意

圖8 矩形頂管實(shí)施完成后

圖9 頂管形成地下空間效果

矩形頂管隧道滿足側(cè)向位移小于50mm（上海地區(qū)頂管施工相關(guān)規(guī)范），隧道形式滿足使用要求。從場(chǎng)地整體沉降位移云圖可知，圓形頂管施工在殘積土層施工上覆土層最大沉降位移僅9.58mm，由于其未超20mm對(duì)周邊管線基本不造成影響，滿足管線要求。

5.富水地層采用矩形頂管小間距施工工程實(shí)例

華南地區(qū)某地下空間項(xiàng)目頂管工程，為在建的A、B樓盤的地下連接商場(chǎng)，該地下商場(chǎng)為C地塊，橫穿既有道路下方，為地下空間開發(fā)項(xiàng)目（見圖7），地面交通繁忙，該道路作為交通通行的主干道,若采用明挖法施工,交通疏解非常困難,且地下管線眾多、遷改周期較長，因此采用頂管法施工。

本工程設(shè)計(jì)為4條并行頂管通道,通道內(nèi)凈空尺寸為6m×4m，管節(jié)壁厚0.45m，管節(jié)混凝土為C50P10,標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)寬1.5m，共120節(jié)，7.5m異形管節(jié)2節(jié)，5.45m異形管節(jié)10節(jié)。每個(gè)通道各長60.5m，間距0.5m。

1～4號(hào)通道全長均為60.5m，其中1號(hào)通道施工歷時(shí)34天，2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)歷時(shí)21天、21天、25天，其中最快掘進(jìn)速度達(dá)到了7.5m/d，目前已建成投入使用。

施工過程中地面沉降得到控制。4條頂管先后施工，引起土體多次擾動(dòng)，造成地面沉降疊加，2號(hào)通道上方監(jiān)測(cè)點(diǎn)在1、2、3、4號(hào)通道頂進(jìn)期間最大累計(jì)隆起及沉降分別為+4.15mm、-26.58mm，均在規(guī)范及設(shè)計(jì)要求范圍以內(nèi)。

6.結(jié)束語

綜上所述，在富水地層采用矩形頂管法小間距實(shí)施地鐵風(fēng)道總體上是可行的。該工藝可有效規(guī)避明挖法施工帶來的工程風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)緩解了地面交通疏解、管線遷改的困難。

當(dāng)選擇矩形頂管法小間距施工時(shí)應(yīng)提前做好車站內(nèi)部各專業(yè)房間的布設(shè)，預(yù)留好頂管始發(fā)、接收的前期條件，盡量減少因頂管施工對(duì)車站主體結(jié)構(gòu)及后續(xù)機(jī)電裝修工程的影響。

隨著矩形頂管工藝日益成熟，施工技術(shù)與機(jī)具生產(chǎn)水平也將得到進(jìn)一步提升，頂管法實(shí)施地鐵風(fēng)道將可能代替明挖法成為主要施工方案。