雙層大斷面頂管法在上海軌道交通14號線靜安寺站施工中的應(yīng)用

劉洪波 周順華 吳 迪

(1.上海申通地鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心， 201103， 上海;2.同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 201804， 上?！蔚谝蛔髡?， 正高級工程師)

上海軌道交通14號線(以下簡為“14號線”)靜安寺站建設(shè)過程中，為減小車站明挖施工對周邊環(huán)境的影響，創(chuàng)新性地提出采用頂管法對車站局部進(jìn)行暗挖建造[1-2]，并成功實(shí)踐，使靜安寺站成為國內(nèi)外首例采用雙層大斷面頂管進(jìn)行暗挖建造的車站，從而開創(chuàng)了頂管法建造地鐵車站主體結(jié)構(gòu)的先河，其實(shí)踐可為今后類似工程提供借鑒。

1 車站概況

14號線靜安寺站沿華山路南北向布置，橫跨延安西路，如圖1所示。車站為地下3層島式站臺車站，深度約24 m。車站如采用明挖法施工，需占用華山路、延安西路地面道路。華山路紅線寬度為42 m，設(shè)雙向7車道；延安西路寬70 m，設(shè)雙向14車道，該路口交通繁忙，車流量巨大，施工期間不具備臨時(shí)封閉條件。兩條道路下方管線眾多，特別是延安西路下方有各類市政公用管線24路，包含搬遷難度極大的6組各種孔數(shù)的信息光纜、6組高壓供電電纜、1根φ1 000 mm給水干管、2根φ1 200 mm雨水干管等。

圖1 14號線靜安寺站總平面Fig.1 General plan of Jing′an Temple Station of Line 14

為盡量解決延安西路、華山路交通疏解難、管線搬遷難等問題，創(chuàng)新性地提出下穿延安路西路及延安西路高架段(長約82 m)采用暗挖法施工，車站其他部分仍采用明挖法施工的方案。該方案雖仍需占用華山路，但可有效避免車站建造對延安西路的交通影響，以及避免延安西路管線搬遷，方便市民出行，經(jīng)濟(jì)和社會效益顯著。

經(jīng)方案比選，靜安寺站暗挖段采用雙層大斷面頂管法施工，其中，站臺層施工2根頂管分別作為上、下行線軌行區(qū)及站臺，并通過4個聯(lián)絡(luò)通道進(jìn)行上、下行站臺的溝通；為實(shí)現(xiàn)付費(fèi)區(qū)溝通，站廳層施工1根頂管連通南、北站廳。靜安寺站縱斷面和暗挖段橫剖面如圖2～3所示。

圖2 靜安寺站縱斷面Fig.2 Longitudinal section of Jing′an Temple Station

圖3 靜安寺站暗挖段橫剖面Fig.3 Cross section of underground excavation section of Jing′an Temple Station

2 靜安寺站雙層大斷面頂管法設(shè)計(jì)、施工關(guān)鍵技術(shù)

盡管國內(nèi)外已成功采用頂管法建造了市政通道、地鐵出入口等諸多工程，并積累了一定的工程經(jīng)驗(yàn)，但從頂管工程規(guī)模、施工難度、環(huán)境復(fù)雜程度等綜合來看，其難度遠(yuǎn)不及靜安寺站頂管工程的難度?？傮w而言，靜安寺站頂管工程存在如下特點(diǎn)和難點(diǎn)：

1) 頂管斷面尺寸大。車站站臺層頂管斷面需滿足一定的站臺寬度及行車要求，靜安寺站站臺層頂管斷面尺寸為9.9 m×8.7 m(長度×寬度，下同)，大于目前市政道路最大頂管斷面尺寸(10.4 m×7.5 m)；站廳層頂管斷面需滿足車站南、北站廳乘客通行需求，斷面尺寸為 9.50 m×4.88 m，亦大于常規(guī)的人行通道頂管斷面尺寸(6.9 m×4.2 m)。

2) 站臺層頂管覆土較深。站臺層頂管覆土深度為15.2 m，而一般頂管工程覆土深度僅為4～7 m。

3) 頂管近距離施工距離長，且為平行、疊交施工，難度大。站臺層2根頂管水平凈距僅為2 m，站臺層和站廳層頂管垂直凈距僅為5.4 m，需近距離平行、疊交施工82 m。

4) 施工場地位于市中心，頂管設(shè)計(jì)施工需考慮管節(jié)運(yùn)輸、吊裝等問題。

5) 車站周邊環(huán)境復(fù)雜，保護(hù)要求高。靜安寺站周邊建筑物林立，站臺層2根頂管距延安路高架樁基(φ600 mm PHC管樁，樁長42 m)分別為5.3 m、6.0 m，且靠近管樁接頭部位；頂管距華山路、延安路人行天橋樁基(φ600 mm PHC管樁，樁長25 m)最小凈距約3.65 m。站廳層頂管覆土僅4.6 m，與延安西路的φ1 200 mm雨水管間距僅1.2 m。

為克服上述工程難點(diǎn)，解決該頂管工程設(shè)計(jì)和施工中遇到的前所未有的難題，針對性地開展了研究工作，形成了諸多關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 深覆土大斷面頂管管節(jié)設(shè)計(jì)

靜安寺站站臺層頂管斷面尺寸為 9.9 m×8.7 m，覆土深度為15.2 m。由于頂管埋深較深且斷面大，綜合考慮管節(jié)受力、防水、耐久性、運(yùn)輸、吊裝等因素，管節(jié)采用鋼-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)型式，即：施工階段采用鋼管節(jié)，每環(huán)分為兩塊，進(jìn)場后進(jìn)行拼裝，錯縫分環(huán)頂進(jìn)，管節(jié)寬度為2 m，每環(huán)鋼管節(jié)重約48 t；永久使用階段鋼管節(jié)內(nèi)部澆筑混凝土內(nèi)襯形成復(fù)合管節(jié)。站臺層鋼管節(jié)通過分塊設(shè)計(jì)，可滿足運(yùn)輸要求，且拼裝后亦可滿足整體吊裝要求。

車站站廳層頂管斷面尺寸為 9.50 m×4.88 m，采用混凝土整體管節(jié)，管節(jié)寬1.5 m，每環(huán)管節(jié)重約53 t，可滿足運(yùn)輸、吊裝要求。

2.2 頂管管節(jié)接縫防水設(shè)計(jì)

站臺層頂管(含車站站臺)和站廳層頂管均為人行通道，防水要求較高，需達(dá)到一級防水要求。其中，管節(jié)接縫防水以及管節(jié)與工作井接頭防水是管節(jié)防水設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

站臺層鋼管節(jié)接縫防水需滿足施工階段的防水要求，復(fù)合管節(jié)接縫防水需滿足使用階段一級防水要求。施工階段鋼管節(jié)縱縫處采用水密焊焊接，環(huán)縫處在承插口處采用 2 道彈性密封墊及在端面上采用 2 道水膨脹密封膠進(jìn)行防水。待管節(jié)頂進(jìn)貫通、變形穩(wěn)定后，對環(huán)縫內(nèi)側(cè)進(jìn)行水密焊焊接，并后澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，共同起到防水作用。站臺層頂管管節(jié)后澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工縫盡可能減少設(shè)置數(shù)量，并采取遇水膨脹止水膠、預(yù)埋式注漿管等兩種防水材料組合的方式來達(dá)到防水功效。所有施工縫接縫面均涂抹水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料。

站廳層頂管管節(jié)接縫防水措施為在承插口處設(shè)置 1 道彈性密封墊及 1 道三元乙丙發(fā)泡海綿。站廳層管節(jié)推進(jìn)貫通且變形穩(wěn)定后，在環(huán)縫處預(yù)埋鋼板內(nèi)側(cè)進(jìn)行水密焊焊接。

管節(jié)與工作井接頭采用雙道遇水膨脹止水膠并設(shè)置預(yù)埋式注漿管的接頭防水形式。

2.3 剛?cè)釓?fù)合結(jié)構(gòu)車站抗震分析

靜安寺站主體結(jié)構(gòu) B 區(qū)采用頂管法暗挖施工，該主體結(jié)構(gòu)剛度較弱，且站臺層 2 根頂管之間通過設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道進(jìn)行上、下行線站臺溝通，導(dǎo)致其開口位置結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)一步削弱；A、C 區(qū)采用明挖法施工，結(jié)構(gòu)剛度較強(qiáng)。這種明暗結(jié)合的建造方式形成了特殊的剛?cè)峤Y(jié)合的復(fù)雜結(jié)構(gòu)型式，具有斷面不規(guī)則、剛度突變等特點(diǎn)。靜安寺站的這種特殊結(jié)構(gòu)型式的抗震性能能否滿足抗震要求，還需進(jìn)行專門研究。通過開展有限元計(jì)算、振動臺模型試驗(yàn)(見圖4～5)，研究該結(jié)構(gòu)型式地鐵車站的地震響應(yīng)特點(diǎn)，重點(diǎn)研究了頂管與兩端框架連接部位、頂管與聯(lián)絡(luò)通道連接部位在不同水準(zhǔn)地震作用下的動力特性，以及節(jié)點(diǎn)抗震設(shè)計(jì)的可靠性等，以確保車站結(jié)構(gòu)在地震作用下安全可靠。

圖4 靜安寺站主體結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型Fig.4 Finite element calculation model of Jing′an Temple Station main structure

圖5 振動臺試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.5 Shaking table test model

通過有限元分析和振動臺模型試驗(yàn)研究，可得出如下結(jié)論[3-4]：

1) 對于車站兩端的明挖 3 層框架結(jié)構(gòu)，中柱的柱端以及底板與側(cè)墻的連接處產(chǎn)生了較大的內(nèi)力響應(yīng)，是受力的關(guān)鍵部位?？傮w而言，A 區(qū)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力響應(yīng)大體上均小于 C 區(qū)，而其層間位移均大于 C 區(qū)。

2) 對于車站的暗挖頂管部分，其與兩端框架結(jié)構(gòu)的連接處斷面在動力作用下產(chǎn)生了較大的內(nèi)力響應(yīng)；且其與 4 個聯(lián)絡(luò)通道的連接部位也產(chǎn)生了明顯大于其他部位的應(yīng)力。由于結(jié)構(gòu)不對稱，頂管與 C 區(qū)結(jié)構(gòu)連接處斷面的內(nèi)力響應(yīng)基本上都比與 A 區(qū)結(jié)構(gòu)連接處斷面的內(nèi)力要小。

3) 在沿車站主體結(jié)構(gòu)橫向輸入 50a 超越概率為10%的上海人工地震動工況下，將車站兩端的 3 層框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的層間位移和頂管的最大橫向位移換算成相應(yīng)的位移角，最大的位移角都在1/1 000 以下，均遠(yuǎn)小于文獻(xiàn)[2]規(guī)定的最大層間位移角不宜超過 1/500 的要求，表明車站結(jié)構(gòu)抗震性能良好。

2.4 大斷面復(fù)合管節(jié)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性施工保障技術(shù)

本頂管工程管節(jié)使用階段為復(fù)合管節(jié)，鋼管節(jié)頂進(jìn)貫通后需在管節(jié)格倉內(nèi)澆筑混凝土內(nèi)襯形成復(fù)合管節(jié)，因此，在狹小密閉的空間內(nèi)澆筑混凝土的密實(shí)程度直接關(guān)系到管節(jié)結(jié)構(gòu)的安全性及耐久性。為此，通過開展管節(jié)側(cè)向、頂部自密實(shí)混凝土澆筑試驗(yàn)，了解和掌握混凝土在密閉空間的流通狀態(tài)、分布情況，以及混凝土澆筑密實(shí)填充程度，通過采取配制流淌性能更加良好的自密實(shí)混凝土、合理設(shè)置混凝土流通孔、在頂模設(shè)置附著式振搗器，以及研制自密實(shí)混凝土澆筑專用臺模等措施，確保車站結(jié)構(gòu)澆筑混凝土的密實(shí)性和耐久性。

2.5 復(fù)雜環(huán)境大斷面頂管裝備研發(fā)及近距離施工影響保障技術(shù)

針對不同斷面的頂管，本工程分別研制了專用于站廳層頂管和站臺層頂管的高可靠性大斷面矩形頂管機(jī)。此次裝備研發(fā)，在既有頂管機(jī)裝備技術(shù)的基礎(chǔ)上，在切削刀盤、伺服式自動止退裝置、減摩泥漿、頂管機(jī)配套車架、糾偏鉸接止水裝置、自動化監(jiān)測等方面進(jìn)行了針對性設(shè)計(jì)和改進(jìn)，提高了頂管機(jī)的可靠性，保障了頂管工程的施工安全和環(huán)境安全。

為減小頂管法施工對已施工頂管及周邊環(huán)境(主要為延安路高架樁基、人行天橋樁基、φ1 200 mm雨水管、地面等)的影響，確定3根頂管的施工順序?yàn)椋合仁┕ふ九_層下行線頂管，其次施工站臺層上行線頂管，最后施工上層站廳層頂管。第1根頂管貫通后，及時(shí)對管節(jié)外壁進(jìn)行漿液固化，通過預(yù)留注漿孔進(jìn)行二次補(bǔ)壓漿，對頂管環(huán)縫進(jìn)行焊接并澆筑混凝土內(nèi)襯，以及采用壓重抗浮方法等措施，以減小后期頂管施工的影響。同時(shí)，對施工全過程進(jìn)行精細(xì)化控制，嚴(yán)格控制頂管施工參數(shù)，加強(qiáng)對已施工頂管與延安路高架、管線、周邊建筑物等環(huán)境的監(jiān)測，特別是對已施工頂管、延安路高架橋墩及地面采取了自動測量結(jié)合人工測量的方式，以實(shí)時(shí)了解頂管施工對環(huán)境的影響，并對施工參數(shù)進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。

3 結(jié)語

上海軌道交通14號線靜安寺站建設(shè)過程中為解決延安路交通和管線問題，對車站局部主體結(jié)構(gòu)采用了雙層大斷面頂管法暗挖施工，這是上海軟土地層采用頂管法從地鐵車站出入口擴(kuò)展到車站主體結(jié)構(gòu)的一次重要性嘗試，也是暗挖法在上海軌道交通地下車站應(yīng)用上取得的重要突破，其實(shí)踐將為后續(xù)類似軟土地區(qū)工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與施工提供參考。