富水地層采用矩形頂管修建附屬方案研究

文/雷振宇 農興中 翟利華

1.前言

隨著城市軌道交通建設高速發展，明挖法實施地鐵附屬結構雖然工藝成熟，但在富水地層實施時易發生塌孔、漏水、漏砂等工程風險，同時施工對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。目前地鐵附屬結構中出入口通道采用矩形頂管實施已獲得成功，本文據此開展富水地層地鐵風道采用矩形頂管（非開挖掘進）施工的可行性研究。

2.環控功能及對土建實施要求

通風空調系統為地鐵系統中一個重要系統，其不僅直接關系到整個地鐵內部空氣環境能否滿足需要，也關系到事故（列車阻塞、火災、車站火災等）發生時整個地鐵系統的防災和救災工作。風道是通風空調系統與外界進行換氣的主要途徑，分為新風道、排風道、活塞風道。新風道為大小系統共用，一般通風凈面積要求12個平方。排風道除負責大小系統的排風需求外還有軌排系統且此部分的風量占的比例較大，一般為40～50立方每秒，故排風道的凈面積要求20個平方。活塞風需滿足車輛進站降壓要求，一般凈面積要求16個平方。

3.富水地層采用明挖法實施地鐵風道的風險及制約因素

3．1 富水地層圍護結構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），泥漿液面標高不夠與槽內出現承壓性，降低了靜水壓力造成槽壁漏漿或施工不慎造成槽內泥漿面降低，從而使得圍護結構夾泥夾砂，基坑開挖時造成漏水、漏砂。

3．2 明挖實施前需進行交通疏解

城市軌道交通建設中一般將車站設置于主要道路下方，減少對周邊既有建筑及地塊的影響。因此開展明挖法施工時為保障道路通暢，一般均需要進行交通倒改，保證城市居民出行條件，根據周邊條件一般需進行地面硬化、設置標識標線、新增圍擋，建設完成后還需進行道路恢復，視復雜程度需占用2-4個月工期。

3．3 明挖實施前需進行管線遷改

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

圖1 拆解后各標準風道斷面

4.富水地層采用矩形頂管實施地鐵風道的可行性分析

4．1 采用頂管技術的優勢

頂管施工技術是指首先采用頂管掘進機成孔，然后將管道從工作井頂入、并按要求形成始發工作井至接收井之間連續通道的管道非開挖鋪設技術和施工方法。管道以圓形截面和方形截面居多，這種施工技術具有綜合成本低、施工周期短、環境影響小、不影響交通和施工安全性好等優勢。

4．2 矩形多隧道頂管施工風道的斷面擬定

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

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

※盡量減少對車站土建規模的影響，地鐵站廳層層高一般為4.7m～5.1m左右，結合管節壁厚、洞口環梁等，盡量減少對站廳層凈高影響。

擬定各風道斷面如圖1。

將各風道拆解后單個風道的斷面目前國內矩形頂管技術均可滿足，且由于一般地鐵風道均與地下負一層（站廳層）銜接，其埋深約8m～10m，結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；從目前國內已實施的矩形頂管通道看，其對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 華南地區土層的主要物理力學性質指標表

4．3 矩形多隧道頂管施工風道的理論分析

結合既有非開挖掘進技術的施工經驗以及華南地區地層情況，首先對多隧道頂進的最小間距進行預估，初擬其水平凈距為1m（便于設置環框梁）。參考華南地區各代表性土層參數，其土層主要物理力學指標(標準值)如表4.3-1。

本次分析采用粉細砂作為模擬土層進行分析。

本次分析的地鐵結構參數及本構關系見表4.3-2。

計算采用MIDAS GTS軟件進行，采用地層結構法，以Solid實體單元模擬土層，以Plate殼單元模擬管片的結構。對于土層與各結構之間的接觸采用共用節點的方式進行模擬。

對土層，采用Mohr-Coulomb本構關系進行模擬，對連續墻、管片及支撐體系則按照Linear Elastic本構關系進行模擬。圖2（一）分別為實體單元（a）、板殼單元(b)以及隧道頂進施工過程模擬。

圖2 基礎模型（一）

4．4 隧道側向位移

在隧道側向位移計算結果中，主要以掌子面側向位移為主，其變形量計算結果見圖3-6，計算結果匯總詳見表4.3-3。

圖3 第二條隧道頂進造成隧道累積變形

圖4 第三條隧道頂進造成隧道累積變形

圖5 隧道頂進造成地面累積沉降

圖6 地面累積沉降量統計

表4 ．3-3 計算的隧道側向位移

圖7 工程項目平面位置示意

圖8 矩形頂管實施完成后

圖9 頂管形成地下空間效果

矩形頂管隧道滿足側向位移小于50mm（上海地區頂管施工相關規范），隧道形式滿足使用要求。從場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例

華南地區某地下空間項目頂管工程，為在建的A、B樓盤的地下連接商場，該地下商場為C地塊，橫穿既有道路下方，為地下空間開發項目（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。

本工程設計為4條并行頂管通道,通道內凈空尺寸為6m×4m，管節壁厚0.45m，管節混凝土為C50P10,標準管節寬1.5m，共120節，7.5m異形管節2節，5.45m異形管節10節。每個通道各長60.5m，間距0.5m。

1～4號通道全長均為60.5m，其中1號通道施工歷時34天，2號、3號、4號歷時21天、21天、25天，其中最快掘進速度達到了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，造成地面沉降疊加，2號通道上方監測點在1、2、3、4號通道頂進期間最大累計隆起及沉降分別為+4.15mm、-26.58mm，均在規范及設計要求范圍以內。

6.結束語

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

當選擇矩形頂管法小間距施工時應提前做好車站內部各專業房間的布設，預留好頂管始發、接收的前期條件，盡量減少因頂管施工對車站主體結構及后續機電裝修工程的影響。

隨著矩形頂管工藝日益成熟，施工技術與機具生產水平也將得到進一步提升，頂管法實施地鐵風道將可能代替明挖法成為主要施工方案。