郭建鵬

頂管法在地鐵車站出入口下穿通道中的應(yīng)用與設(shè)計(jì)

郭建鵬

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

對(duì)于下穿道路或管線等構(gòu)筑物的地鐵出入口通道,選擇何種經(jīng)濟(jì)合理的施工工法以滿足通道上方的沉降要求、減小施工風(fēng)險(xiǎn)一直是個(gè)工程難題。結(jié)合哈爾濱市軌道交通一號(hào)線電表廠站5號(hào)出入口下穿通道工程,介紹一種鋼管節(jié)頂進(jìn)后澆筑鋼筋混凝土內(nèi)襯的頂管施工方案,對(duì)該方案的比選、施工工藝及鋼管節(jié)的設(shè)計(jì)進(jìn)行論述。該方案可有效降低施工風(fēng)險(xiǎn)、縮減工期、減小對(duì)城市交通及管線工程的影響。

頂管法;鋼管節(jié);出入口;下穿通道;地鐵車站

頂管法[1-2]是一種對(duì)環(huán)境無公害的在地表不開挖的情況下進(jìn)行巖土鉆掘的施工技術(shù),它利用液壓油缸將管段頂入由切削刀盤或掘進(jìn)形成的鉆孔中形成襯砌。頂管施工技術(shù)已有百年發(fā)展歷史,我國(guó)自20世紀(jì)50年代開始在市政給排水工程中廣泛應(yīng)用和發(fā)展了這一技術(shù),由早期的人工挖掘頂管發(fā)展到現(xiàn)階段的多軸土壓平衡頂管機(jī)施工。隨著城市軌道交通的大力發(fā)展,頂管法在軌道交通領(lǐng)域也開始得到應(yīng)用,在上海地鐵和廣州地鐵建設(shè)[3-4]中取得了良好效果。

目前,城市軌道交通車站越來越多地采用出入口通道下穿主干道路[5],在道路兩側(cè)分別設(shè)置出入口的方案。下穿通道施工可采用的方法有明挖法,暗挖法及頂管法[1]。傳統(tǒng)的明挖順作法施工,工法成熟、風(fēng)險(xiǎn)小、純土建的造價(jià)較低,但是施工期間需要進(jìn)行道路交通疏解甚至封路,也可能需要進(jìn)行地下管線臨時(shí)搬遷或保護(hù),造成的附加工程造價(jià)很高,對(duì)社會(huì)及周邊環(huán)境的影響較大。暗挖法可以避免交通疏解或者封路問題,但出入口通道一般埋深較淺,淺埋暗挖是利用土層在開挖過程中短時(shí)間的自穩(wěn)能力,采取適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)措施邊開挖邊澆筑[6],使圍巖或土層表面形成密貼型薄壁支護(hù)結(jié)構(gòu)的不開槽施工法,在城市主要道路下施工風(fēng)險(xiǎn)較大。而采用頂管法施工,對(duì)地面交通基本無影響,也可以避開地下管線,施工控制精度高,對(duì)周邊環(huán)境影響小,具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

通過對(duì)哈爾濱市軌道交通一號(hào)線電表廠站5號(hào)出入口過街通道采用頂管法施工的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)予以介紹,供今后類似工程參考借鑒。

1 工程概況及方案選擇

1.1 工程概況

哈爾濱市軌道交通一號(hào)線電表廠站位于學(xué)府路東側(cè),延興路口與清濱路口之間,車站結(jié)構(gòu)形式采用地下二層島式站臺(tái),結(jié)構(gòu)底板埋深約15m。沿線地層主要由第四紀(jì)全新世人工堆積層、上更新統(tǒng)哈爾濱組地層、中更新統(tǒng)上荒山組地層、下荒山組地層組成,巖性為粉質(zhì)黏土、砂類土,各土層均在地下水位以上。該車站共設(shè)5個(gè)出入口,其中5號(hào)出入口橫跨清濱路(路寬約23m),覆土厚度3～4m,通道總長(zhǎng)約100m,通道主要位于粉質(zhì)黏土層內(nèi)。

5號(hào)出入口下穿清濱路通道長(zhǎng)度約25m,結(jié)構(gòu)施工范圍內(nèi)地下有DN600排水、網(wǎng)通24孔(塑)、煤氣DN325(鋼)以及1條未知線纜與出入口結(jié)構(gòu)相交,空中有橫跨清濱路和沿三角坑圍墻南北走向2條架空電纜,三角坑內(nèi)跨電纜通道然后接入三角坑地下停車場(chǎng)地下一層,15m范圍內(nèi)主要有交通科學(xué)研究所、新建高層、花壇、2號(hào)風(fēng)道、電纜通道,范圍內(nèi)有4個(gè)雨水井、2個(gè)消防井、1個(gè)排水井、1個(gè)中國(guó)聯(lián)通井和1未知線纜井、4根電線桿和1個(gè)變壓器,下穿通道與周邊管線關(guān)系見圖1。

1.2 方案確定

下穿通道可采用的工法有明挖法、暗挖法、頂管法。根據(jù)場(chǎng)地工程地質(zhì)條件,結(jié)合交通疏解,管線遷改,施工風(fēng)險(xiǎn),以及工程經(jīng)濟(jì)等諸多方面對(duì)3種工法進(jìn)行綜合比選,通過表1對(duì)比可以看出,在交通疏解、管線遷改、施工場(chǎng)地等問題難以解決,地質(zhì)條件不適合暗挖或者風(fēng)險(xiǎn)很大的情況下,頂管法無疑具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì),因此通過多次論證研究電表廠站車站5號(hào)出入口過街通道決定采用頂管法施工。

圖1 5號(hào)出入口下穿通道附近管線

表1 電表廠站新增出入口過街通道方案比較

1.3 頂管施工工藝選擇

頂管法的施工工藝類型可以分為敞開式和封閉式兩種[2],其中敞開式施工工藝一般適用于土質(zhì)條件穩(wěn)定、無地下水干擾、工人可以進(jìn)入工作面直接挖掘的施工條件,封閉式施工工藝需采用專門的頂管機(jī)進(jìn)行施工,機(jī)頭前端的挖掘面與工人操作室之間用密封艙隔開,一般適用于土質(zhì)不穩(wěn)定、地下水位高,工人不能直接進(jìn)行開挖的施工條件。

因采用頂管機(jī)施工需要在線路兩端分別設(shè)置頂進(jìn)井和接收井,本工程中下穿通道長(zhǎng)度約25 m,頂進(jìn)長(zhǎng)度較短且道路兩側(cè)沒有足夠的場(chǎng)地設(shè)置工作井,通道主要位于粉質(zhì)黏土層中,土層中無地下水,考慮上述因素本工程選用了敞開手掘式頂管法施工。

頂管管節(jié)常采用預(yù)制鋼管或預(yù)制鋼筋混凝土管節(jié),本工程設(shè)計(jì)使用年限為100年,且場(chǎng)地土對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)腐蝕性,因此直接采用鋼管節(jié)作為下穿通道的主體結(jié)構(gòu)不合適,而直接采用預(yù)制鋼筋混凝土管節(jié)頂進(jìn),管節(jié)接頭處防水質(zhì)量難以保證[7-8],管節(jié)自重較大,需要大功率液壓千斤頂才能提供足夠的頂力,也需要加強(qiáng)后背擋墻的設(shè)計(jì),同時(shí)會(huì)減緩施工進(jìn)度。綜合考慮本工程采用鋼管管節(jié)頂進(jìn)、待通道外輪廓形成后在鋼管節(jié)內(nèi)部澆筑鋼筋混凝土內(nèi)襯的方案,此方案不會(huì)增加施工難度,增加投資很少,滿足了工程質(zhì)量和進(jìn)度要求,目前該通道已施工完成,效果良好。

2 管節(jié)設(shè)計(jì)與內(nèi)力分析

2.1 管節(jié)結(jié)構(gòu)形式及尺寸

本工程的矩形鋼管節(jié)斷面內(nèi)凈尺寸由通道凈寬、凈空要求及內(nèi)襯結(jié)構(gòu)厚度控制,鋼管節(jié)結(jié)構(gòu)形式及構(gòu)件尺寸則根據(jù)管節(jié)受力分析并考慮頂管機(jī)的施工工藝綜合確定。通道內(nèi)凈尺寸為寬×高=5m×3.82m,鋼筋混凝土內(nèi)襯厚度為500mm(內(nèi)襯按此厚度設(shè)計(jì)主要是考慮鋼管節(jié)僅在施工階段承受荷載,通道施工完成后荷載主要由內(nèi)襯承擔(dān),內(nèi)襯的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按正常地下出入口通道設(shè)計(jì),此處不再作詳細(xì)介紹),內(nèi)襯與鋼管節(jié)間防水層厚度100 mm,因此鋼管節(jié)內(nèi)凈尺寸為寬×高=6.2m×5.02 m。

本工程采用鋼板焊接形成網(wǎng)格格柵,格柵外包鋼板,形成帶腔室的管節(jié),為減小管節(jié)截面高度和土方開挖工程量,鋼管節(jié)在寬度和高度方向增加型鋼支撐,支撐在內(nèi)襯澆筑完成后可回收再利用,此種設(shè)計(jì)可以充分利用鋼材強(qiáng)度,節(jié)約鋼材,減小投資。最終確定管節(jié)參數(shù)如下:外輪廓尺寸寬×高=6.6 m×5.42m,管節(jié)長(zhǎng)度1.5m,截面高度0.2 m,外包鋼板厚20 mm,內(nèi)格柵鋼板厚度16mm,支撐采用型鋼Ⅰ25b和[25a,鋼材強(qiáng)度等級(jí)Q235B,結(jié)構(gòu)形式見圖2。

圖2 鋼管節(jié)剖面(單位:mm)

2.2 內(nèi)力

2.2.1 荷載及荷載組合

管節(jié)頂部覆土厚度3.3 m,不考慮地下水位的影響,土容重取20 kN/m3,靜止土壓力系數(shù)取0.5,土摩擦系數(shù)取0.4,地面超載取20 kN/m2,垂直基床系數(shù)取35MPa/m,水平基床系數(shù)取20 MPa/m,管節(jié)重力為11 558 kN。鋼管節(jié)計(jì)算時(shí)的頂力計(jì)算參考《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》[9]中頂力計(jì)算公式,結(jié)構(gòu)承受的荷載和荷載組合按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[10]和《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]執(zhí)行,對(duì)管節(jié)考慮2種工況進(jìn)行計(jì)算: (1)內(nèi)襯尚未施工,管節(jié)起圍護(hù)結(jié)構(gòu)作用;(2)管節(jié)承受最大頂力作用。

結(jié)構(gòu)計(jì)算采用“荷載-結(jié)構(gòu)”模式,土體約束采用受壓彈簧模擬,取標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)采用軟件Midas/gen三維空間模型進(jìn)行計(jì)算,其中支撐及鋼板分別采用梁?jiǎn)卧桶鍐卧M,計(jì)算模型見圖3。

圖3 Midas/gen的鋼管節(jié)三維模型

2.2.2 計(jì)算結(jié)果

對(duì)2種工況下鋼管節(jié)的應(yīng)力和變形進(jìn)行了計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見圖4～圖6,應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明鋼管節(jié)及內(nèi)支撐強(qiáng)度及穩(wěn)定性滿足規(guī)范[12]要求,管節(jié)最大豎向變形為3.4 mm,滿足規(guī)范要求,施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示頂管法引起地表最終沉降小于地表沉降限值30mm,滿足地面沉降控制要求。

圖4 工況1作用下管節(jié)應(yīng)力(單位:MPa)

圖5 工況2作用下管節(jié)應(yīng)力(單位:MPa)

3 結(jié)語

圖6 工況1作用下鋼管節(jié)豎向變形(單位:mm)

本文介紹的鋼管節(jié)頂進(jìn)后施工鋼筋混凝土內(nèi)襯的車站出入口下穿通道施工方法降低了施工難度,縮小了施工占地面積,避免地下管線遷改以及通道施工對(duì)城市交通的影響,降低了施工噪聲,同時(shí)避免了傳統(tǒng)頂管法的防水質(zhì)量問題,滿足了工期要求,取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。隨著近年來國(guó)內(nèi)各大城市軌道交通的大力發(fā)展,頂管法由于其具備的眾多優(yōu)勢(shì),必將在更多地區(qū)和城市得到應(yīng)用,本工程頂管法的成功經(jīng)驗(yàn),可為后續(xù)的類似工程提供參考和借鑒。

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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

郭建鵬(1972—),男,高級(jí)工程師,1995年畢業(yè)于沈陽建筑工程學(xué)院,工學(xué)學(xué)士,E-mail:775809410@qq.com。