頂管法在地鐵車站出入口下穿通道中的應用與設計

郭建鵬

頂管法在地鐵車站出入口下穿通道中的應用與設計

郭建鵬

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

對于下穿道路或管線等構筑物的地鐵出入口通道,選擇何種經濟合理的施工工法以滿足通道上方的沉降要求、減小施工風險一直是個工程難題。結合哈爾濱市軌道交通一號線電表廠站5號出入口下穿通道工程,介紹一種鋼管節頂進后澆筑鋼筋混凝土內襯的頂管施工方案,對該方案的比選、施工工藝及鋼管節的設計進行論述。該方案可有效降低施工風險、縮減工期、減小對城市交通及管線工程的影響。

頂管法;鋼管節;出入口;下穿通道;地鐵車站

頂管法[1-2]是一種對環境無公害的在地表不開挖的情況下進行巖土鉆掘的施工技術,它利用液壓油缸將管段頂入由切削刀盤或掘進形成的鉆孔中形成襯砌。頂管施工技術已有百年發展歷史,我國自20世紀50年代開始在市政給排水工程中廣泛應用和發展了這一技術,由早期的人工挖掘頂管發展到現階段的多軸土壓平衡頂管機施工。隨著城市軌道交通的大力發展,頂管法在軌道交通領域也開始得到應用,在上海地鐵和廣州地鐵建設[3-4]中取得了良好效果。

目前,城市軌道交通車站越來越多地采用出入口通道下穿主干道路[5],在道路兩側分別設置出入口的方案。下穿通道施工可采用的方法有明挖法,暗挖法及頂管法[1]。傳統的明挖順作法施工,工法成熟、風險小、純土建的造價較低,但是施工期間需要進行道路交通疏解甚至封路,也可能需要進行地下管線臨時搬遷或保護,造成的附加工程造價很高,對社會及周邊環境的影響較大。暗挖法可以避免交通疏解或者封路問題,但出入口通道一般埋深較淺,淺埋暗挖是利用土層在開挖過程中短時間的自穩能力,采取適當的支護措施邊開挖邊澆筑[6],使圍巖或土層表面形成密貼型薄壁支護結構的不開槽施工法,在城市主要道路下施工風險較大。而采用頂管法施工,對地面交通基本無影響,也可以避開地下管線,施工控制精度高,對周邊環境影響小,具有明顯的優勢。

通過對哈爾濱市軌道交通一號線電表廠站5號出入口過街通道采用頂管法施工的結構設計予以介紹,供今后類似工程參考借鑒。

1 工程概況及方案選擇

1.1 工程概況

哈爾濱市軌道交通一號線電表廠站位于學府路東側,延興路口與清濱路口之間,車站結構形式采用地下二層島式站臺,結構底板埋深約15m。沿線地層主要由第四紀全新世人工堆積層、上更新統哈爾濱組地層、中更新統上荒山組地層、下荒山組地層組成,巖性為粉質黏土、砂類土,各土層均在地下水位以上。該車站共設5個出入口,其中5號出入口橫跨清濱路(路寬約23m),覆土厚度3～4m,通道總長約100m,通道主要位于粉質黏土層內。

5號出入口下穿清濱路通道長度約25m,結構施工范圍內地下有DN600排水、網通24孔(塑)、煤氣DN325(鋼)以及1條未知線纜與出入口結構相交,空中有橫跨清濱路和沿三角坑圍墻南北走向2條架空電纜,三角坑內跨電纜通道然后接入三角坑地下停車場地下一層,15m范圍內主要有交通科學研究所、新建高層、花壇、2號風道、電纜通道,范圍內有4個雨水井、2個消防井、1個排水井、1個中國聯通井和1未知線纜井、4根電線桿和1個變壓器,下穿通道與周邊管線關系見圖1。

1.2 方案確定

下穿通道可采用的工法有明挖法、暗挖法、頂管法。根據場地工程地質條件,結合交通疏解,管線遷改,施工風險,以及工程經濟等諸多方面對3種工法進行綜合比選,通過表1對比可以看出,在交通疏解、管線遷改、施工場地等問題難以解決,地質條件不適合暗挖或者風險很大的情況下,頂管法無疑具有相當的優勢,因此通過多次論證研究電表廠站車站5號出入口過街通道決定采用頂管法施工。

圖1 5號出入口下穿通道附近管線

表1 電表廠站新增出入口過街通道方案比較

1.3 頂管施工工藝選擇

頂管法的施工工藝類型可以分為敞開式和封閉式兩種[2],其中敞開式施工工藝一般適用于土質條件穩定、無地下水干擾、工人可以進入工作面直接挖掘的施工條件,封閉式施工工藝需采用專門的頂管機進行施工,機頭前端的挖掘面與工人操作室之間用密封艙隔開,一般適用于土質不穩定、地下水位高,工人不能直接進行開挖的施工條件。

因采用頂管機施工需要在線路兩端分別設置頂進井和接收井,本工程中下穿通道長度約25 m,頂進長度較短且道路兩側沒有足夠的場地設置工作井,通道主要位于粉質黏土層中,土層中無地下水,考慮上述因素本工程選用了敞開手掘式頂管法施工。

頂管管節常采用預制鋼管或預制鋼筋混凝土管節,本工程設計使用年限為100年,且場地土對鋼結構具有強腐蝕性,因此直接采用鋼管節作為下穿通道的主體結構不合適,而直接采用預制鋼筋混凝土管節頂進,管節接頭處防水質量難以保證[7-8],管節自重較大,需要大功率液壓千斤頂才能提供足夠的頂力,也需要加強后背擋墻的設計,同時會減緩施工進度。綜合考慮本工程采用鋼管管節頂進、待通道外輪廓形成后在鋼管節內部澆筑鋼筋混凝土內襯的方案,此方案不會增加施工難度,增加投資很少,滿足了工程質量和進度要求,目前該通道已施工完成,效果良好。

2 管節設計與內力分析

2.1 管節結構形式及尺寸

本工程的矩形鋼管節斷面內凈尺寸由通道凈寬、凈空要求及內襯結構厚度控制,鋼管節結構形式及構件尺寸則根據管節受力分析并考慮頂管機的施工工藝綜合確定。通道內凈尺寸為寬×高=5m×3.82m,鋼筋混凝土內襯厚度為500mm(內襯按此厚度設計主要是考慮鋼管節僅在施工階段承受荷載,通道施工完成后荷載主要由內襯承擔,內襯的結構設計按正常地下出入口通道設計,此處不再作詳細介紹),內襯與鋼管節間防水層厚度100 mm,因此鋼管節內凈尺寸為寬×高=6.2m×5.02 m。

本工程采用鋼板焊接形成網格格柵,格柵外包鋼板,形成帶腔室的管節,為減小管節截面高度和土方開挖工程量,鋼管節在寬度和高度方向增加型鋼支撐,支撐在內襯澆筑完成后可回收再利用,此種設計可以充分利用鋼材強度,節約鋼材,減小投資。最終確定管節參數如下:外輪廓尺寸寬×高=6.6 m×5.42m,管節長度1.5m,截面高度0.2 m,外包鋼板厚20 mm,內格柵鋼板厚度16mm,支撐采用型鋼Ⅰ25b和[25a,鋼材強度等級Q235B,結構形式見圖2。

圖2 鋼管節剖面(單位:mm)

2.2 內力

2.2.1 荷載及荷載組合

管節頂部覆土厚度3.3 m,不考慮地下水位的影響,土容重取20 kN/m3,靜止土壓力系數取0.5,土摩擦系數取0.4,地面超載取20 kN/m2,垂直基床系數取35MPa/m,水平基床系數取20 MPa/m,管節重力為11 558 kN。鋼管節計算時的頂力計算參考《給水排水工程頂管技術規程》[9]中頂力計算公式,結構承受的荷載和荷載組合按《建筑結構荷載規范》[10]和《地鐵設計規范》[11]執行,對管節考慮2種工況進行計算: (1)內襯尚未施工,管節起圍護結構作用;(2)管節承受最大頂力作用。

結構計算采用“荷載-結構”模式,土體約束采用受壓彈簧模擬,取標準管節采用軟件Midas/gen三維空間模型進行計算,其中支撐及鋼板分別采用梁單元和板單元模擬,計算模型見圖3。

圖3 Midas/gen的鋼管節三維模型

2.2.2 計算結果

對2種工況下鋼管節的應力和變形進行了計算,計算結果見圖4～圖6,應力計算結果表明鋼管節及內支撐強度及穩定性滿足規范[12]要求,管節最大豎向變形為3.4 mm,滿足規范要求,施工監測數據顯示頂管法引起地表最終沉降小于地表沉降限值30mm,滿足地面沉降控制要求。

圖4 工況1作用下管節應力(單位:MPa)

圖5 工況2作用下管節應力(單位:MPa)

3 結語

圖6 工況1作用下鋼管節豎向變形(單位:mm)

本文介紹的鋼管節頂進后施工鋼筋混凝土內襯的車站出入口下穿通道施工方法降低了施工難度,縮小了施工占地面積,避免地下管線遷改以及通道施工對城市交通的影響,降低了施工噪聲,同時避免了傳統頂管法的防水質量問題,滿足了工期要求,取得了良好的社會效益和經濟效益。隨著近年來國內各大城市軌道交通的大力發展,頂管法由于其具備的眾多優勢,必將在更多地區和城市得到應用,本工程頂管法的成功經驗,可為后續的類似工程提供參考和借鑒。

[1] 朱合華.地下建筑結構[M].北京:中國建筑工業出版社,2007.

[2] 余彬泉,陳傳燦.頂管施工技術[M].北京:人民交通出版社,1998.

[3] 宋杰,侯艷春.上海地鐵9號線七寶站矩形頂管法應用與設計[J].山西建筑,2010(26):298-299.

[4] 丁文學.矩形土壓平衡式頂管在廣州地鐵工程中的應用[J].現代城市軌道交通,2012(1):36-38.

[5] 黃俊,楊小麗.武漢市常青路地下人行通道超淺埋暗挖施工技術[J].鐵道標準設計,2005(2):76-77,81.

[6] 姬利偉.地鐵車站出入口設計方法[J].鐵道標準設計,2011(7): 78-83.

[7] 朱紅.地下車站出入口通道矩形頂管工程的結構設計與探討[J].地下工程與隧道,2010(1):1-4,52.

[5] 陳偉.蕭山旅客站臺地下通道防滲治理[J].鐵道標準設計, 2008(9):86-88.

[9] 上海市政工程研究總院.CECS246:2008給水排水工程頂管技術規程[S].北京:中國計劃出版社,2008.

[10]中華人民共和國建設部.GB50009—2001(2006年版)建筑結構荷載規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2006.

[11]北京城建設計研究總院.GB50157—2003地鐵設計規范[S].北京:中國計劃出版社,2003.

[12]中華人民共和國建設部.GB50017—2003鋼結構設計規范[S].北京:中國計劃出版社,2003.

App lication and Design of Pipe Jacking Method in Entrance-Exit Underpass of Metro Station

GUO Jian-peng
(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.,Xi'an 710043,China)

For ametro entrance-exit underpass beneath the existing road or pipeline or other structures, how to select economic and reasonable construction method which can meet settlement requirement of the structure above the underpass and can reduce construction risk,is an engineering puzzle all the time. This paper,combined with the No.5 entrance-exit underpass beneath existing structure at Dianbiaochang Station on Harbin Metro Line 1,introduces a construction scheme of pipe jacking method,in which concrete inner lining should be poured after steel tube segment being jacked.And then,discusses the comparison and selection of this scheme,the construction process and the steel tube segment design.This scheme can reduce construction risk efficiently,shorten construction period,and can weaken the influence on urban traffic and pipeline engineering.

pipe jacking method;steel tube segment;entrance-exit;underpass;metro station;

U231+.3

B

1004-2954(2013)07-0084-03

2013-01-10

郭建鵬(1972—),男,高級工程師,1995年畢業于沈陽建筑工程學院,工學學士,E-mail:775809410@qq.com。