雙層大斷面頂管法在上海軌道交通14號(hào)線(xiàn)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， 上海∥第一作者， 正高級(jí)工程師)

上海軌道交通14號(hào)線(xiàn)(以下簡(jiǎn)為“14號(hào)線(xiàn)”)靜安寺站建設(shè)過(guò)程中，為減小車(chē)站明挖施工對(duì)周邊環(huán)境的影響，創(chuàng)新性地提出采用頂管法對(duì)車(chē)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(guó)內(nèi)外首例采用雙層大斷面頂管進(jìn)行暗挖建造的車(chē)站，從而開(kāi)創(chuàng)了頂管法建造地鐵車(chē)站主體結(jié)構(gòu)的先河，其實(shí)踐可為今后類(lèi)似工程提供借鑒。

1 車(chē)站概況

14號(hào)線(xiàn)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(chē)站為地下3層島式站臺(tái)車(chē)站，深度約24 m。車(chē)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(xiàn)寬度為42 m，設(shè)雙向7車(chē)道；延安西路寬70 m，設(shè)雙向14車(chē)道，該路口交通繁忙，車(chē)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(xiàn)眾多，特別是延安西路下方有各類(lèi)市政公用管線(xiàn)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(hào)線(xiàn)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(xiàn)搬遷難等問(wèn)題，創(chuàng)新性地提出下穿延安路西路及延安西路高架段(長(zhǎng)約82 m)采用暗挖法施工，車(chē)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(chē)站建造對(duì)延安西路的交通影響，以及避免延安西路管線(xiàn)搬遷，方便市民出行，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)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(tái)層施工2根頂管分別作為上、下行線(xiàn)軌行區(qū)及站臺(tái)，并通過(guò)4個(gè)聯(lián)絡(luò)通道進(jìn)行上、下行站臺(tái)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?chē)?guó)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(lái)看，其難度遠(yuǎn)不及靜安寺站頂管工程的難度。總體而言，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(chē)站站臺(tái)層頂管斷面需滿(mǎn)足一定的站臺(tái)寬度及行車(chē)要求，靜安寺站站臺(tái)層頂管斷面尺寸為9.9 m×8.7 m(長(zhǎng)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(mǎn)足車(chē)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(tái)層頂管覆土較深。站臺(tái)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(zhǎng)，且為平行、疊交施工，難度大。站臺(tái)層2根頂管水平凈距僅為2 m，站臺(tái)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(chǎng)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(wèn)題。

5) 車(chē)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(tái)層2根頂管距延安路高架樁基(φ600 mm PHC管樁，樁長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)性地開(kāi)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(tái)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(chǎng)后進(jìn)行拼裝，錯(cuò)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(tái)層鋼管節(jié)通過(guò)分塊設(shè)計(jì)，可滿(mǎn)足運(yùn)輸要求，且拼裝后亦可滿(mǎn)足整體吊裝要求。

車(chē)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(mǎn)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(tái)層頂管(含車(chē)站站臺(tái))和站廳層頂管均為人行通道，防水要求較高，需達(dá)到一級(jí)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(tái)層鋼管節(jié)接縫防水需滿(mǎn)足施工階段的防水要求，復(fù)合管節(jié)接縫防水需滿(mǎn)足使用階段一級(jí)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(duì)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(tái)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(lái)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(chē)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(tái)層 2 根頂管之間通過(guò)設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道進(jìn)行上、下行線(xiàn)站臺(tái)溝通，導(dǎo)致其開(kāi)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(mǎn)足抗震要求，還需進(jìn)行專(zhuān)門(mén)研究。通過(guò)開(kāi)展有限元計(jì)算、振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)(見(jiàn)圖4～5)，研究該結(jié)構(gòu)型式地鐵車(chē)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(dòng)力特性，以及節(jié)點(diǎn)抗震設(shè)計(jì)的可靠性等，以確保車(chē)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(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.5 Shaking table test model

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

1) 對(duì)于車(chē)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。總體而言，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(duì)于車(chē)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(dòng)力作用下產(chǎn)生了較大的內(nèi)力響應(yīng)；且其與 4 個(gè)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(duì)稱(chēng)，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(chē)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(dòng)工況下，將車(chē)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(guò) 1/500 的要求，表明車(chē)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(cāng)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(guò)開(kāi)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(guò)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(zhuān)用臺(tái)模等措施，確保車(chē)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(duì)不同斷面的頂管，本工程分別研制了專(zhuān)用于站廳層頂管和站臺(tái)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(pán)、伺服式自動(dòng)止退裝置、減摩泥漿、頂管機(jī)配套車(chē)架、糾偏鉸接止水裝置、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)等方面進(jìn)行了針對(duì)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(duì)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_(tái)層下行線(xiàn)頂管，其次施工站臺(tái)層上行線(xiàn)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(duì)管節(jié)外壁進(jìn)行漿液固化，通過(guò)預(yù)留注漿孔進(jìn)行二次補(bǔ)壓漿，對(duì)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(duì)施工全過(guò)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(duì)已施工頂管與延安路高架、管線(xiàn)、周邊建筑物等環(huán)境的監(jiān)測(cè)，特別是對(duì)已施工頂管、延安路高架橋墩及地面采取了自動(dòng)測(cè)量結(jié)合人工測(cè)量的方式，以實(shí)時(shí)了解頂管施工對(duì)環(huán)境的影響，并對(duì)施工參數(shù)進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。

3 結(jié)語(yǔ)

上海軌道交通14號(hào)線(xiàn)靜安寺站建設(shè)過(guò)程中為解決延安路交通和管線(xiàn)問(wèn)題，對(duì)車(chē)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(chē)站出入口擴(kuò)展到車(chē)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(chē)站應(yīng)用上取得的重要突破，其實(shí)踐將為后續(xù)類(lèi)似軟土地區(qū)工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與施工提供參考。