論矩形頂管在地鐵車站出入口中的應用

劉海濤

陜西省鐵路集團有限公司 陜西 西安 710054

前言

近年來，隨著我國城市軌道交通的迅速發展，絕大部分進出地鐵車站的出入口需要跨路口設置。當地面交通較為繁重，不允許對交通臨時導改，或特殊地段地下重要管線較多，嚴禁道路明挖施工，非開挖工程的頂管施工技術徹底解決了該難題。非開挖并非完全無土方開挖，僅需對頂管工作井進行明挖，方便頂管設備的吊入與吊出。當地面交通地下管線不允許設置接收井的情況下，也可采用設置始發井吊入頂管設備及管片，車站內接收吊出頂管設備的方案。

1 頂管法施工的工作原理和優缺點

頂管法是借助液壓千斤頂等設備將預制管片或掘進機從始發井內頂進，穿過土層一直推到接收井內的一種非開挖通道施工技術。依靠安裝在設備端部的鉆掘系統不斷地切削土層，由出土系統將切削的土屑排出，邊頂進，邊切削，邊輸送，與此同時，把緊隨掘進機后的管片鋪設在始發井與接收井之間的一種非開挖施工技術，并在頂進的過程中通過激光導向系統糾偏來調整鋪管方向[1]。

頂管法具有以下優點：①施工時產生的噪音及振動很小，環境污染小；②在現有道路下進行鋪設時，不影響路面交通；③工作井之間地下管線無須遷改，施工速度快；④開挖部分只有工作井及通道部分，土方開挖量少，經濟效益好，安全性高；⑤預制管節質量優于現澆混凝土管節。

頂管法具有以下缺點：①根據設計通道截面，需要定制頂管設備，造價較高；②需對始發井前后以及接收井前土體進行加固；③防水性能較外包防水性能差。

2 矩形頂管設備簡介

圖1 頂管刀盤圖

圖2 頂管橫斷面圖

本工程頂管刀盤采用3大+3小型式，如圖1所示。多個刀盤前后錯開設計，單個刀盤所需功率、扭矩較低，布置較為靈活。前部大刀盤倒三角形布置，其中兩個刀盤對應殼體處帽檐設置，給開挖面頂部提供足夠支撐；開挖面覆蓋率約90%，開挖盲區小，渣土攪拌均勻，流動性好，利于開挖艙壓力平衡[2]。

3 頂管頂力估算及允許頂力

3.1 頂管頂力

頂管頂力由管道外壁與土層的摩擦阻力和頂管機迎面阻力兩部分組成，根據規范《頂管工程施工規程》（J11324-2017）第7.4節知：

由F1和F2公式以及受力原理可知，規范以圓形頂管為例，D為圓環管道外徑，則矩形頂管頂力為，

其中F1、 F2-管道外壁與土層的摩擦阻力（KN）、頂管機迎面阻力（KN），

B、H-矩形頂管外壁寬度、高度（m），本文由CAD測量得出頂管外周長為22.8m，

L'、R1-管道頂進長度（m）、頂管機下1/3處被動土壓力（kPa），

f-管道外壁與土的平局摩阻力，宜取2kPa～7kPa（本文取5kPa）。

3.2 允許頂力

根據規范《頂管工程施工規程》（J11324-2017）第7.4節，允許頂力為管節截面面積的混凝土所能承受抗壓強度再乘以折減系數，即Fdc=kdcfcAp，式中Fdc為管節的允許頂力（KN），kdc為混凝土管綜合系數0.372，fc為混凝土抗壓強度設計值（MPa），Ap為管道的最小有效傳力面積(mm2)，本文由CAD測量得出A為9839973mm2。

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4 工程實例

4.1 工程概況

文博園站為徐州市軌道交通2號線一期工程中間站，車站位于昆侖大道與緯一路的丁字路口南側，城市主干道綠化場地內，沿昆侖大道東西方向敷設，為地下兩層雙柱三跨島式車站，與遠期5號線預留通道換乘。

車站共設置4個出入口(3號出入口預留)，昆侖大道為城市主干道，車流量較大且與鄰徐州市行政中心，為減小對交通的影響，橫穿昆侖大道的4號出入口通道采用土壓平衡式頂管法施工。

4.2 計算參數

頂管管節內徑4m×6m、外徑5m×7m、標準節長1.5m，外徑直角處倒圓角半徑700mm，內徑直角處倒圓角半徑300mm，如圖2所示。標準節單節混凝土16.5m3，鋼筋約4.1噸，鋼板約1.1噸，標準節總重約41.5噸。

前兩節管節內壁預埋500×200mm，h=15mm鋼板，每面預埋6塊。前三節管節頂進完成后采用型鋼將管節連接為整體，以便于機頭姿態控制。首節管節插口端面、尾節管節承口端面預埋350×350mm，h=15mm鋼板，用于連接兩端環梁鋼筋。

頂管底埋深約9.8m，地下水位以地面下0.5m計，頂面覆土約4.8m，通道長49.5m，共設置管節33節。頂管掌子面主要穿越地層為2-6-3粉砂、2-5-3粉土、2-3-3黏土，持力層主要位于5-3-4黏土層。頂管機下1/3處主要為2-6-3粉砂層，根據地質勘察詳勘試驗結果，其內摩擦角為18°，黏聚力為0kPa，土層重度19.1KN/m3。地面超載按20Kpa考慮，靜止土壓力系數按0.45計算。管節采用強度等級C50的混凝土工廠預制后運至現場進行施工。管節采用“F”型承插式接口，接縫防水采用鋸齒型止水圈和雙組分聚硫密封膏嵌縫。

4.3 頂管頂力估算

根據上節公式，

4.4 允許頂力計算

鋼筋混凝土頂管允許頂力

Fdc=kdcfcAp=0.372× 2 3.1× 9 839973 = 84556.85KN＞1.2× 1 3890.32 = 16668.4KN ，滿足要求（考慮1.2倍的安全系數）。

4.5 管節計算

極限承載狀態以及正常使用狀態計算。

①頂板荷載計算：

恒載標準值：頂板上覆土厚約4.8m：

頂板水壓力： 4.3×10=43kPa

活載標準值： 地面超載 20kPa

②側墻的荷載統計：

梯形荷載的上底(頂板中軸線)：

土 （0.5×20+4.55×10）×0.45≈25kPa

水 4.55×10≈46kPa

梯形荷載的下底(底板中軸線)：

土 （0.5×20+(4.55+4.5)×10）×0.45≈45kPa

水 （4.55+4.5)×10≈91kPa

活荷載標準值： 20×0.45=9kPa

③底板荷載統計

標準段底板水壓力 (4.55+4.5+0.25)×10=93kPa

底板持力層位于5-3-4黏土層，該土層彈簧豎向剛度為55MPa/m。

采用SAP2000有限元軟件進行使用階段受力分析，結構計算結果如圖3、圖4所示 。

圖3 彎矩設計值（kN·m）

圖4 彎矩標準值（kN·m）

根據計算結果，四個支座處外側配置28@200+25@200鋼筋，頂、底板跨中內側配置28@100鋼筋，側墻內側配置16@100鋼筋，墻、板配置8@300×300拉結筋,呈梅花型布置。根據計算結果，管節極限承載力以及正常使用均符合規范要求。

5 結束語

矩形頂管作為人行通道能夠充分利用結構斷面，提高斷面利用率，在通道施工建設過程中采用頂管施工技術對地表盡量小開挖、少開挖，使得對城市地下的破壞降到最低程度，減小施工過程對社會環境的影響，提高居民對政府工作的滿意度，對加強城市環境及地下空間合理規范化建設起到了十分積極的作用。

[1]彭立敏,王哲,葉藝超,楊偉超.矩形頂管技術發展與研究現狀[J].隧道建設,2015,(1):1-8.

[2]劉發前,盧永成.矩形頂管地下通道的設計[J].城市道橋與防洪,2014,(8):317-321.