地鐵過街通道大斷面矩形頂管工程設計建筑工程

　　　摘    要    頂管法是采用液壓千斤頂等設備將預制管節按設計方案頂入土層中的一種采用非開挖技術修建隧道的施工方法，將大斷面矩形頂管設計應用于城市過街通道工程中，可顯著減小工程施工對道路交通、管線遷改等影響。文章通過對采用大斷面矩形頂管方案的某地鐵過街通道工程實例的設計方案進行介紹及分析，驗證了大斷面矩形頂管方案是解決城市重要道路下施工地下通道的先進施工方法，不僅施工速度快，工程施工安全可靠，還具有良好的社會效益，并創造了較大的經濟效益。

　　　關鍵詞    過街通道  大斷面矩形頂管  設計
　Abstract   The pipe-jacking method is a trenchless technology to build a tunnel construction, by using hydraulic jack equipment to jacking segment linings prefabricated into soils according to design schemes. It can significantly reduce the influence of road traffic, pipeline moving, etc in engineering construction by using the design of large-sections-rectangular pipe jacking in cities exit passageway projects. Based on the large sections of pipe jacking rectangular scheme for metros exit passageway of project design schemes are introduced and analyzed, and verifies the large-sections-rectangular pipe jacking scheme is an advanced method to solve underground passage construction in the city, not only the construction speed is quick, engineering construction is safe and reliable, but also it has the good social efficiency and created great economic benefits.
　
　Key words    Exit passageway for crossing a street; Pipe-jacking system with large-rectangular section; Design
　中圖分類號：TB21文獻標識碼： A 文章編號：2095-2104（2012）02-0020-02

1  引言
　　城市軌道交通的建設，越來越受到了地鐵周邊環境的限制，尤其是各個繁華路口的交通疏解壓力以及地下管線的遷改。在各種市政管線層疊密布的交通要道下修建過街通道，如何降低施工對交通的影響，如何減少管線遷改，如何安全快速地建設，就成了大家非常關注的問題。武漢地鐵二號線王家墩東站Ⅳ號出入口下穿漢口的交通要道青年路，就遇到了這樣的難題：工程地處交通要道、上部管線多、地質條件差、隧道埋深淺，若采用明挖法施工則交通疏解困難且管線改移費用高昂；若采用暗挖法施工則所處淤泥質地層富水、軟弱，施工風險太大。在針對工程特點進行了技術、經濟等方面的綜合比選后，確定采用大斷面矩形頂管方案，成功地解決了上述各種難題，實施了該過街通道工程。

2  大斷面矩形頂管簡介
2.1  機械設備組成
　　大斷面矩形頂管一般采用大刀盤土壓平衡式矩形頂管機，機械由頂管機殼體（含刀盤系統、糾偏系統和螺旋出土機）、頂進動力裝置、后靠體、機架及墊塊等設備組成。王家墩東站Ⅳ號出入口頂管工程采用4m×6m偏心多軸土壓平衡式矩形頂管機，設有2個3m×3.5m的大刀盤（由8根偏心軸驅動）、16個糾偏千斤頂、兩個螺旋出土機和主頂進裝置等設備，如圖1所示。主頂進裝置由12臺油缸及U形頂鐵、頂環、墊鐵、底架、鋼后靠等組成。12臺油缸分成兩組，呈對稱分布，并用分體式結構的支座固定。每臺油缸可單獨控制，根據需要可編組工作。

2.2  頂管工作原理
　　土壓平衡式頂管機是在利用土壓力平衡和支護開挖面土體并控制地表沉降下進行頂進施工的。大斷面矩形頂管機采用兩個單獨的刀盤切割土體，并擋住開挖面土體，有效防止正面土體倒坍，由螺旋出土機排出土倉里由刀盤系統切削下的碴土，由主頂進動力裝置推動頂管機殼體和管節向前運動，從而實現掘進施工。
　　每個刀盤由四組偏心軸支撐、驅動，可進行相對或相反方向運轉，在偏心驅動軸的旋轉和推進油缸的頂進作用下，進行偏心平面運動和朝前移動，帶動正面刀具和周邊刀具切削土體，帶動后面的長短攪拌棒進行切削土的攪碎和攪拌，并在土倉內形成土壓。 
　　螺旋輸送機的功能是將土倉內已開挖的土排出，其入口位于頂管土倉隔板的底部，前端槽體為前殼體的一部分，后端用法蘭與中段槽體連接，螺旋葉片繞制在空心軸上，采用液壓馬達驅動，通過螺旋輸送機上的出土閘門控制排土量，以維持工作面正確土壓和控制地面沉降。因頂管機的橫斷截面為4m×6m，為達到更好的出土性能，采用兩個螺旋機同時出土，每個螺旋機的最大出土量為42m3/h。
　　為保證隧道軸線的偏差的可控制性，頂管機殼體設計成前后兩段，中間由糾偏油缸聯接，以便控制機頭的姿態和進行系統糾偏。
2.3  頂管施工工藝
　　大斷面矩形頂管法建造地下過街通道的施工工序是：在建造好的工作井內（始發井）進行矩形頂管機的組裝、調試、試運轉，將其準確地安放在符合設計軸線的機架上，頂管機頭出洞，頂管機沿設計軸線向地層內不斷頂進并安裝預制管節，當頂管機將要到達終點時，準確測定矩形頂管機的位置，調整和控制其姿態，使頂管機準確無誤地進入（進洞）預先建造好的接收井內的基座上，其頂進施工工藝如圖2所示。

3  工程概述
3.1工程概況
　　王家墩東站是武漢市軌道交通二號線與七號線的換乘站，位于青年路與建設大道交叉路口處，二號線車站地下兩層，跨建設大道沿青年路呈南北走向布置；七號線車站地下三層，沿建設大道方向布置。車站所處位置東側主要有青年路高架橋和招銀大廈等建筑，西側、北側主要是建設大道、青年路變電站及沿街磚結構商鋪、住宅樓。
　　Ⅳ號出入口位于二號線車站的東北角，下穿青年路，下穿段過街通道長約60.8m，于青年路東側出地面，平面位置如圖3所示。出入口所在范圍地下管線密集，主要有兩個較大的排水箱涵（7m×2.7m）、多根高壓電力、給水、電信及煤氣等管線。出入口所處地層較差，主要為人工填土及淤泥質粉質土等。

3.2  工程地質與水文地質
　　根據地質勘察報告，場區地形平坦，地面高程一般在20.82~21.75米之間，場地在地貌單元上屬長江北岸I級階地。根據鉆探揭示及對地層成因、年代的分析，場地分布地層自上而下可分為以下幾個單元層：（1-1）層雜填土、（1-2）層素填土、（3-1a）層粘土、（3-3）層淤泥質粉質粘土、（3-4）層粉質粘土夾粉土、粉砂、（3-5）層粉質粘土、粉土、粉砂互層、（4-1）層粉細砂等。通道工程的地質縱剖面如圖4所示，通道基本位于（3-3）層淤泥質粉質粘土、（3-4）層粉質粘土夾粉土、粉砂中。
　　場地內的地下水有上層滯水，孔隙承壓水和基巖裂隙水三種類型。據勘察報告反映，抽水試驗孔中測得承壓水水頭在地面下3.05m，水頭標高年變化幅度在3.0~4.0m之間。

4  大斷面矩形頂管通道工程設計
4.1頂管工作井設計
4.1.1 頂管工作井結構設計
　　工作井的寬度：B=d+2b，式中：B-工作井的寬度(m)；d-頂進管節的外徑尺寸(m)；b-工作坑內安好管節后兩側的工作空間(m)。
　　工作井的長度：L=L1+L2+L3+S1+S2，式中：L-工作井的長度(m)；L1-管節長度(m)；L2-千斤頂及頂進的長度(m)；L3-后背支座厚度(m)；S1-頂進管節留在導軌上的最小長度(m)；S2-管內出土操作在管尾留出的空間長度(m)。
　　工作井的深度：由設計管底高程及基礎厚度決定。管底高程減去基礎厚度，即為坑底標高。
　　在確定工作井的結構尺寸后，根據工作井所受的水土壓力大小進行結構計算，確定工作井結構厚度并進行配筋設計。王家墩東站頂管始發井結構尺寸為20m×10m，接收井尺寸為11.7m×5m，始發井及接收井的開挖深度分別為11.7m和11.65m，結構墻厚度為0.8m。
4.1.2頂管工作井圍護設計
　　頂管工作井為明挖施工，圍護結構的設計應既能起到圍護結構作用，又方便在頂管機進出洞時破除圍護結構，減少頂進難度，故工作井一般采用SMW工法樁圍護結構形式：施工工作井時SMW工法樁內插型鋼起圍護結構作用，頂管機進出洞時拔出相應圍護樁中的型鋼，方便頂管機進出洞。王家墩東站頂管工作井基坑圍護均采用SMW工法樁圍護，標準樁長21m，采用樁徑Ø850mm的三軸攪拌樁機進行施工，密插H700×300型鋼；頂管工作井根據深度變化設置1~2道Ø609鋼管支撐。

4.2  頂管后靠背設計
　　頂管后靠背結構一般由4 部分組成：由工作井外至內依次是后靠背加固土體、工作井圍護、工作井結構和主頂油缸支座。后靠背為主頂動力裝置提供支承反力，頂管機械的支座反力通過千斤頂傳到后靠背鋼梁和鋼板，再通過鋼板均布到工作井鋼筋混凝土結構上，部分的反力通過鋼筋混凝土結構的變形傳遞到土層中。因此，在設計后靠背時，工作井結構應滿足強度、剛度、穩定性等要求，同時被動區的土體以不產生破壞為原則。
　　后靠背的反力根據推進系統的頂推力進行變化，頂推力R由掘進機前端的迎面阻力N和管壁外周摩阻力F組成。掘進機前端的迎面阻力主要為正面土壓力，采用Rankine壓力理論進行計算。經計算的頂推力為理論計算值，只能作為最初設定值，隨著頂進施工，主頂力隨頂進距離的增加而增大，其值應根據實際頂進參數、地面沉降監測數據作相應的調整。

4.3頂管管節設計
　　王家墩東站頂管通道覆土厚度約為5.9m。頂管結構全部采用預制矩形鋼筋混凝土管節，管節混凝土強度等級為C40，抗滲等級為0.8MPa。頂管通道橫斷面凈空尺寸為5m×3m（寬×高），管節外形尺寸為6m×4m，管壁厚為0.5m，長度為1.5m，單節重約33.7t。本工程共計管節41節。管節兩端分別預埋鋼套環和鋼環，管節內還預留對稱壓漿孔、起吊孔及翻身孔。

圖6頂管管節橫斷面結構設計圖
Fig.6  Section structure design of Pipe jacking
4.4頂管通道平面設計
　　本工程所在范圍地下管線較密集，設計考慮從平面上完全避開排水箱涵、電力、給水、電信及煤氣等管線和青年路立交橋橋樁。因此， 本次頂管工程在青年路東、西兩側各設一個頂管工作井，兩個工作井之間的凈距離為60.8m，采用土壓平衡式大斷面矩形頂管機掘進施工，下穿青年路。頂管通道結構距離青年路立交橋橋柱的最近距離約為4.3m。在頂管進出洞處設攪拌樁進行土體加固。
4.5頂管通道縱斷面設計
　　通道頂部管線繁多，主要為7m×2.7m磚砌箱涵、110KV電力、10KV電力、φ300和φ100煤氣鋼管、φ100鑄鐵給水、光纖、光纜、軍纜等。其中，7m×2.7m磚砌排水箱涵內底距離通道結構頂部約為1.6m。因該排水箱涵底高程控制，設頂管始發井于青年路東側，設頂管接收井于青年路西側，縱向坡度設計為+0.3%，頂管自東向西推進。
4.6頂管通道防水設計
　　本地下通道以后作為人行通道使用，對滲漏水的要求比較高。因此，通道防水采用了混凝土結構自防水、接縫防水和其他輔助防水等綜合防水措施。管節混凝土抗滲等級為P8。管節間設多道防水措施：“F”型承插式接頭間的橡膠止水條和頂進結束后的雙組分聚硫密封膏嵌縫及管節外的注漿。在頂管頂進過程中，“F”型承插式接頭間的橡膠止水條已經能夠起到止水效果。在頂進結束長時間后，管節周圍的地下水逐漸豐富起來，將往管節內滲水。因此，須將管節間的縫隙清理干凈，用雙組分聚硫密封膏填充，并在管節背后進行注漿，形成一道防水的外殼。

5  工程分析
5.1施工速度快
　　本通道工程若明挖順作實施，因青年路路面以下市政管線繁多，地下通道埋設于現有市政管線的下方，施工前必須將通道上方的市政管線先行搬遷，而市政管線的搬遷一般會涉及到多個權屬單位，各單位間協調工作復雜，工期較長且不可控。而且，因青年路地面交通繁忙，施工期間需要保持地面交通，故一般采用分兩~三段施工，但分段施工的效率較低，施工工期很長。
　　本通道工程采用頂管方案，已于2011年8月8日從頂管始發井開始掘進施工，并于當月底到達頂管接收井，順利貫通了過街通道，正常掘進施工能達到每天4~5m的進度。采用頂管法實施，避免了管線遷改的工期，也無須交通疏解，一次實施完成通道工程，大幅度節約了施工工期。
5.2社會影響小
　　青年路、建設大道均為漢口地區交通干道，地面交通繁忙，車流量很大。若明挖順作實施地下通道，施工期間需要保持青年路的地面交通，一般采用分段施工，占用青年路部分機動車道，僅可維持50%的交通流量，難以保證施工期間地面交通的暢通。而且，給水、排水、電力、通信等眾多管線的遷改，對周邊居民的生活也會造成一定影響，這樣就對道路的日常交通帶來了困擾，影響了周邊市民正常的生活秩序。
　　本通道工程采用矩形頂管法施工，無需在地面道路范圍進行圍擋，地面交通與未施工時一樣，對現有道路交通基本無影響，而且不需要對地下管線進行搬遷。采用先進的土壓平衡頂管機，施工期間無噪音。因此，采用大斷面矩形頂管，既順利實施了過街通道工程的建設，又避免了傳統明挖方式在城市干道上的“開膛破肚”，減小了對社會的影響。
5.3工程安全性好
　　本通道工程處于3-3、3-4淤泥質粉質粘土中，工程地質條件差，漢口地區地下水又異常豐富，若采用暗挖施工，地層變形難以控制，施工風險極高；而且，通道頂部尚有兩個常年過水的巨型磚砌結構的箱涵，地層稍有變形就會引起磚砌箱涵開裂和漏水，漏水后必將會造成工程事故，甚至出現大范圍的垮塌，施工安全沒有保證。
　　本工程采用大斷面矩形頂管實施后，地面沉降及地下管線的變形均在可控制范圍，距離頂管井19.2m處、39m處（大型排水箱涵處）的通道正上方監測點累積沉降值與頂進距離關系分別如圖7、圖8所示。施工監測數據表明：在頂管機臨近測點所在斷面時，監測點處地表產生隆起，當頂管機通過該測點所在斷面時，該處地表隆起值持續增大，至頂管機通過后，地表隆起值逐漸減小轉化為地表沉降。在穿越大型排水箱涵過程中，因在頂管內超量壓注潤滑泥漿，管道周圍土體受到注漿壓力的擠壓，向外移動，使得地表隆起持續，而當掌子面通過箱涵所在范圍后，注漿壓力的逐漸減小，地表隆起值逐漸減少，頂管施工的地層損失和管節周圍經擾動后的土顆粒再固結引起了地表沉降。
　　王家墩東站Ⅳ號出入口大斷面矩形頂管通道工程的成功實施，大幅度提高了軟弱、富水地層通道工程施工的安全性和可靠性。

Fig.7 Figure of point 19.2 cumulative sedimentation value Fig.8  Figure of point 39 cumulative sedimentation value
5.4綜合經濟性強
　　明挖法與矩形頂管法比較，明挖法施工的優勢在于土建造價較低，而矩形頂管法由于設備研發、折舊等因素，其造價要高于明挖法。但考慮到地下管線的改遷費用、道路翻交費用，尤其地下存在搬遷費用較高管線（如電力管、通信管、信息管等）時，矩形頂管法往往就有明顯的優勢。就本通道而言，矩形頂管方案避免了明挖方案需改遷的兩個7m×2.7m大型磚砌排水箱涵、5根10KV電力、一根φ300鑄鐵中壓煤氣管、一根φ100鑄鐵給水管、光纖和電信管群等大量管線的遷改工作。根據估算，本通道工程矩形頂管方案管線遷改費用與明挖方案相比，減少了約2420萬元。雖然頂管段的土建費用較明挖有所增加，但結合管線遷改的費用，在本通道工程實施中，矩形頂管方案仍然節約了數以千萬計的建設工程費用，有效節省了工程的投資，明顯具有很強的綜合經濟性。
　　
6  結束語
　　王家墩東站Ⅳ號出入口通道大斷面矩形頂管工程的成功實施，避免了過街通道工程施工時對交通干道的影響，減少了多種地下管線遷改，縮小了施工占地面積，降低了施工噪音，形成了良好的社會效益，并創造較大的經濟效益，省時、省力、又省錢。而且，該工程開創了武漢地區首次采用大斷面矩形頂管施工過街通道的良好局面，對引導和促進地鐵過街通道人性化、綠色環保地施工，具有很好的推動作用。該過街通道大斷面矩形頂管法的成功經驗，既可在武漢地區建設中大范圍推廣應用，也可為后續的類似工程提供參考借鑒作用。

 

參考文獻

［1］地下建筑結構  中國建筑工業出版社 朱合華 主編  2007
［2］頂管施工技術  人民交通出版社 余彬泉 陳傳燦 編著1998
　［3］王家墩東站巖土工程勘察報告  機械工業第三勘察設計研究院，2008
　［4］王家墩東站Ⅳ號出入口施工圖設計  中鐵隧道勘測設計院有限公司， 2009
　
　作者簡介：吳圣賢（1979-），男，工程師，本科，2001年7月畢業于西南交通大學，土木工程專業，現從事隧道及地下工程設計工作。