顶管法在地铁车站出入口下穿通道中的应用与设计

郭建鹏

顶管法在地铁车站出入口下穿通道中的应用与设计

郭建鹏

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

对于下穿道路或管线等构筑物的地铁出入口通道,选择何种经济合理的施工工法以满足通道上方的沉降要求、减小施工风险一直是个工程难题。结合哈尔滨市轨道交通一号线电表厂站5号出入口下穿通道工程,介绍一种钢管节顶进后浇筑钢筋混凝土内衬的顶管施工方案,对该方案的比选、施工工艺及钢管节的设计进行论述。该方案可有效降低施工风险、缩减工期、减小对城市交通及管线工程的影响。

顶管法;钢管节;出入口;下穿通道;地铁车站

顶管法[1-2]是一种对环境无公害的在地表不开挖的情况下进行岩土钻掘的施工技术,它利用液压油缸将管段顶入由切削刀盘或掘进形成的钻孔中形成衬砌。顶管施工技术已有百年发展历史,我国自20世纪50年代开始在市政给排水工程中广泛应用和发展了这一技术,由早期的人工挖掘顶管发展到现阶段的多轴土压平衡顶管机施工。随着城市轨道交通的大力发展,顶管法在轨道交通领域也开始得到应用,在上海地铁和广州地铁建设[3-4]中取得了良好效果。

目前,城市轨道交通车站越来越多地采用出入口通道下穿主干道路[5],在道路两侧分别设置出入口的方案。下穿通道施工可采用的方法有明挖法,暗挖法及顶管法[1]。传统的明挖顺作法施工,工法成熟、风险小、纯土建的造价较低,但是施工期间需要进行道路交通疏解甚至封路,也可能需要进行地下管线临时搬迁或保护,造成的附加工程造价很高,对社会及周边环境的影响较大。暗挖法可以避免交通疏解或者封路问题,但出入口通道一般埋深较浅,浅埋暗挖是利用土层在开挖过程中短时间的自稳能力,采取适当的支护措施边开挖边浇筑[6],使围岩或土层表面形成密贴型薄壁支护结构的不开槽施工法,在城市主要道路下施工风险较大。而采用顶管法施工,对地面交通基本无影响,也可以避开地下管线,施工控制精度高,对周边环境影响小,具有明显的优势。

通过对哈尔滨市轨道交通一号线电表厂站5号出入口过街通道采用顶管法施工的结构设计予以介绍,供今后类似工程参考借鉴。

1 工程概况及方案选择

1.1 工程概况

哈尔滨市轨道交通一号线电表厂站位于学府路东侧,延兴路口与清滨路口之间,车站结构形式采用地下二层岛式站台,结构底板埋深约15m。沿线地层主要由第四纪全新世人工堆积层、上更新统哈尔滨组地层、中更新统上荒山组地层、下荒山组地层组成,岩性为粉质黏土、砂类土,各土层均在地下水位以上。该车站共设5个出入口,其中5号出入口横跨清滨路(路宽约23m),覆土厚度3～4m,通道总长约100m,通道主要位于粉质黏土层内。

5号出入口下穿清滨路通道长度约25m,结构施工范围内地下有DN600排水、网通24孔(塑)、煤气DN325(钢)以及1条未知线缆与出入口结构相交,空中有横跨清滨路和沿三角坑围墙南北走向2条架空电缆,三角坑内跨电缆通道然后接入三角坑地下停车场地下一层,15m范围内主要有交通科学研究所、新建高层、花坛、2号风道、电缆通道,范围内有4个雨水井、2个消防井、1个排水井、1个中国联通井和1未知线缆井、4根电线杆和1个变压器,下穿通道与周边管线关系见图1。

1.2 方案确定

下穿通道可采用的工法有明挖法、暗挖法、顶管法。根据场地工程地质条件,结合交通疏解,管线迁改,施工风险,以及工程经济等诸多方面对3种工法进行综合比选,通过表1对比可以看出,在交通疏解、管线迁改、施工场地等问题难以解决,地质条件不适合暗挖或者风险很大的情况下,顶管法无疑具有相当的优势,因此通过多次论证研究电表厂站车站5号出入口过街通道决定采用顶管法施工。

图1 5号出入口下穿通道附近管线

表1 电表厂站新增出入口过街通道方案比较

1.3 顶管施工工艺选择

顶管法的施工工艺类型可以分为敞开式和封闭式两种[2],其中敞开式施工工艺一般适用于土质条件稳定、无地下水干扰、工人可以进入工作面直接挖掘的施工条件,封闭式施工工艺需采用专门的顶管机进行施工,机头前端的挖掘面与工人操作室之间用密封舱隔开,一般适用于土质不稳定、地下水位高,工人不能直接进行开挖的施工条件。

因采用顶管机施工需要在线路两端分别设置顶进井和接收井,本工程中下穿通道长度约25 m,顶进长度较短且道路两侧没有足够的场地设置工作井,通道主要位于粉质黏土层中,土层中无地下水,考虑上述因素本工程选用了敞开手掘式顶管法施工。

顶管管节常采用预制钢管或预制钢筋混凝土管节,本工程设计使用年限为100年,且场地土对钢结构具有强腐蚀性,因此直接采用钢管节作为下穿通道的主体结构不合适,而直接采用预制钢筋混凝土管节顶进,管节接头处防水质量难以保证[7-8],管节自重较大,需要大功率液压千斤顶才能提供足够的顶力,也需要加强后背挡墙的设计,同时会减缓施工进度。综合考虑本工程采用钢管管节顶进、待通道外轮廓形成后在钢管节内部浇筑钢筋混凝土内衬的方案,此方案不会增加施工难度,增加投资很少,满足了工程质量和进度要求,目前该通道已施工完成,效果良好。

2 管节设计与内力分析

2.1 管节结构形式及尺寸

本工程的矩形钢管节断面内净尺寸由通道净宽、净空要求及内衬结构厚度控制,钢管节结构形式及构件尺寸则根据管节受力分析并考虑顶管机的施工工艺综合确定。通道内净尺寸为宽×高=5m×3.82m,钢筋混凝土内衬厚度为500mm(内衬按此厚度设计主要是考虑钢管节仅在施工阶段承受荷载,通道施工完成后荷载主要由内衬承担,内衬的结构设计按正常地下出入口通道设计,此处不再作详细介绍),内衬与钢管节间防水层厚度100 mm,因此钢管节内净尺寸为宽×高=6.2m×5.02 m。

本工程采用钢板焊接形成网格格栅,格栅外包钢板,形成带腔室的管节,为减小管节截面高度和土方开挖工程量,钢管节在宽度和高度方向增加型钢支撑,支撑在内衬浇筑完成后可回收再利用,此种设计可以充分利用钢材强度,节约钢材,减小投资。最终确定管节参数如下:外轮廓尺寸宽×高=6.6 m×5.42m,管节长度1.5m,截面高度0.2 m,外包钢板厚20 mm,内格栅钢板厚度16mm,支撑采用型钢Ⅰ25b和[25a,钢材强度等级Q235B,结构形式见图2。

图2 钢管节剖面(单位:mm)

2.2 内力

2.2.1 荷载及荷载组合

管节顶部覆土厚度3.3 m,不考虑地下水位的影响,土容重取20 kN/m3,静止土压力系数取0.5,土摩擦系数取0.4,地面超载取20 kN/m2,垂直基床系数取35MPa/m,水平基床系数取20 MPa/m,管节重力为11 558 kN。钢管节计算时的顶力计算参考《给水排水工程顶管技术规程》[9]中顶力计算公式,结构承受的荷载和荷载组合按《建筑结构荷载规范》[10]和《地铁设计规范》[11]执行,对管节考虑2种工况进行计算: (1)内衬尚未施工,管节起围护结构作用;(2)管节承受最大顶力作用。

结构计算采用“荷载-结构”模式,土体约束采用受压弹簧模拟,取标准管节采用软件Midas/gen三维空间模型进行计算,其中支撑及钢板分别采用梁单元和板单元模拟,计算模型见图3。

图3 Midas/gen的钢管节三维模型

2.2.2 计算结果

对2种工况下钢管节的应力和变形进行了计算,计算结果见图4～图6,应力计算结果表明钢管节及内支撑强度及稳定性满足规范[12]要求,管节最大竖向变形为3.4 mm,满足规范要求,施工监测数据显示顶管法引起地表最终沉降小于地表沉降限值30mm,满足地面沉降控制要求。

图4 工况1作用下管节应力(单位:MPa)

图5 工况2作用下管节应力(单位:MPa)

3 结语

图6 工况1作用下钢管节竖向变形(单位:mm)

本文介绍的钢管节顶进后施工钢筋混凝土内衬的车站出入口下穿通道施工方法降低了施工难度,缩小了施工占地面积,避免地下管线迁改以及通道施工对城市交通的影响,降低了施工噪声,同时避免了传统顶管法的防水质量问题,满足了工期要求,取得了良好的社会效益和经济效益。随着近年来国内各大城市轨道交通的大力发展,顶管法由于其具备的众多优势,必将在更多地区和城市得到应用,本工程顶管法的成功经验,可为后续的类似工程提供参考和借鉴。

[1] 朱合华.地下建筑结构[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.

[2] 余彬泉,陈传灿.顶管施工技术[M].北京:人民交通出版社,1998.

[3] 宋杰,侯艳春.上海地铁9号线七宝站矩形顶管法应用与设计[J].山西建筑,2010(26):298-299.

[4] 丁文学.矩形土压平衡式顶管在广州地铁工程中的应用[J].现代城市轨道交通,2012(1):36-38.

[5] 黄俊,杨小丽.武汉市常青路地下人行通道超浅埋暗挖施工技术[J].铁道标准设计,2005(2):76-77,81.

[6] 姬利伟.地铁车站出入口设计方法[J].铁道标准设计,2011(7): 78-83.

[7] 朱红.地下车站出入口通道矩形顶管工程的结构设计与探讨[J].地下工程与隧道,2010(1):1-4,52.

[5] 陈伟.萧山旅客站台地下通道防渗治理[J].铁道标准设计, 2008(9):86-88.

[9] 上海市政工程研究总院.CECS246:2008给水排水工程顶管技术规程[S].北京:中国计划出版社,2008.

[10]中华人民共和国建设部.GB50009—2001(2006年版)建筑结构荷载规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2006.

[11]北京城建设计研究总院.GB50157—2003地铁设计规范[S].北京:中国计划出版社,2003.

[12]中华人民共和国建设部.GB50017—2003钢结构设计规范[S].北京:中国计划出版社,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

郭建鹏(1972—),男,高级工程师,1995年毕业于沈阳建筑工程学院,工学学士,E-mail:775809410@qq.com。