上海地铁9号线七宝站矩形顶管法应用与设计

宋 杰 侯艳春

近年来,随着城市轨道交通的大力发展,矩形顶管法在轨道交通领域也开始得到应用,尤其是在下穿主干道路的出入口通道结构的设计和施工中。以往出入口多采用明挖顺做施工,其优点是工法成熟、风险小,纯土建的造价较低。但由于出入口通道多下穿交通主干道,道路交通繁忙,地下市政管线繁多,因此难度大、费用高,对社会、环境等综合影响较大。在软土地区采用大截面矩形顶管施工方法施作此种出入口具有相当大的优势。其施工期间不需要搬迁地下管线,不影响道路交通的正常运行,而且施工期间无噪声,地面沉降及地下管线的变形可控制,施工控制精度高,对周边环境影响小。因此在上海及周边软土地区轨道交通设计中已开始引入该工法,积累了一定的设计、施工经验。

笔者通过上海市轨道交通9号线七宝站等站的矩形顶管法过街出入口通道的设计,深刻感受到其广阔应用前景,对其设计方法做了初步的总结,以为今后类似工程的设计及施工提供参考。

1 七宝站5号、6号出入口通道矩形顶管法设计概况

上海市轨道交通9号线一期工程七宝站位于七莘路与漕宝路交叉路口东侧,沿漕宝路呈东西走向设置,为地下两层岛式站台车站,车站共有6个出入口,其中5号、6号两个出入口通道均横穿七莘路,采用了矩形顶管法。顶管线路全长分别为55 m和53 m,沿线穿越的土层主要为③1淤泥质粉质粘土层和④淤泥质粘土层。顶管上部覆土厚度约4.2 m～4.5 m,线路纵向坡度分别为0.3%和0.5%。控制性管线有φ 1200的煤气管,距离管壁约1.5 m。矩形顶管与常规的顶管法一样,均需设置工作井,分为始发井和接收井。工作井的设置位置根据现场的场地条件,结合车站建筑总图布置,在七莘路东侧人行道上出入口与车站结构相接处设置一个工作井,在七莘路西侧人行道上设置另一个工作井。工作井紧贴车站结构时,若作为始发井,顶推力将直接作用在车站结构上,可能造成车站结构的安全隐患,故七莘路东侧的工作井均按接收井设计考虑。

顶管始发井净尺寸为:长9.2m(沿顶进方向)×宽8m(垂直顶进方向),基坑开挖深度约10.2 m,围护结构采用φ 850mm SMW工法桩,一隔一内插700号H型钢。

顶管接收井净尺寸为:长8m×宽7m,基坑开挖深度约10.3 m,围护结构采用φ 850mm SMW工法桩,逐根内插700号H型钢。管节内净尺寸宽5 m×高3 m,壁厚0.5 m,外包尺寸宽6 m×高4 m。

2 七宝站矩形顶管管节设计

2.1 管节型式及结构尺寸

采用矩形顶管法施作的出入口,其管节的断面内净尺寸由建筑净宽、净高等限界要求控制,壁厚则根据管节受力分析并考虑顶管机的施工工艺综合确定。管节内净尺寸宽5 m×高3 m,壁厚0.5 m,外包尺寸宽6 m×高4 m。管节的结构型式为预制钢筋混凝土箱形结构,管节长度为1.5 m,混凝土强度等级C50,抗渗等级0.8MPa。

2.2 管节内力分析

顶管管节受力分析可考虑施工阶段和使用阶段两个阶段分别进行计算。

2.2.1 施工阶段

顶管顶进过程中,管节主要承受千斤顶的顶推力和管节周边的侧壁摩阻力,管节以轴心受压为主,施工阶段要保证管节具有足够的抗压承载力而不被压坏,所以,确定顶管顶力是施工阶段管节设计的关键。

在顶管设计中,顶管顶力的计算将直接影响工作井的设计、管节强度的确定、中继站的布置及顶进设备的选择等,在工程实践中,常采用的计算方法有以下两种:

1)上海结合本地区土层的条件,采用触变泥浆顶管的经验认为,顶力可按每平方米的管道外侧表面积为8kN～12kN计算。

2)根据日本下水道协会的经验公式计算推进顶力:

其中,P为顶力,t;S为刃刀的外周长,m;qr为顶进端的阻力,t/m;R为土和管节的摩擦力,t/m2;F为管节外周长,m;W为管节单位重量,t/m;f为管节自重的摩擦系数;L为顶进长度,m。

具体设计时,除按上述经验公式计算顶力外,还要注意验算后靠土体的稳定性,使最大顶力不超过工作井周边土体的抗力。如果超过,需要采取加中继站或其他措施,确保后靠土体的稳定性。

根据笔者设计经验,施工阶段管节的承压计算基本不控制管节截面尺寸及配筋。

2.2.2 使用阶段

七宝站出入口通道的覆土厚度为5 m左右,属于浅覆土,计算时不考虑土拱效应。使用阶段顶管管节承受的荷载主要有:自重、顶板上的覆土荷载和地面超载、侧向水土压力、水浮力和地基反力等。计算时沿顶管通道纵向取1 m作为分析框架单元,按照底板支撑在弹性地基上的平面框架进行内力分析,并据此确定管节截面尺寸及配筋。

2.3 防水设计

管节的防水包括管节纵向接缝防水和进出洞口接口防水。

2.3.1 管节纵向接缝防水

对于混凝土管节,管节接头采用“F”形承插式,接缝内设有锯齿形橡胶止水圈和双组分聚硫密封膏组成的两道防水装置,见图1。

2.3.2 管节进出洞口接口防水

为防止顶管机进出预留洞时水、土涌入工作井,并确保在顶进过程中压注的触变泥浆不流失,必须在工作井与接收预留洞上安装洞口止水装置。该装置安装在洞口预留法兰上,由橡胶止水圈与插板组成,需与设计管位保持同心,误差小于2mm。并在进洞环端面预埋钢板,顶管进洞后,将进洞环管节与洞门之间的间隙及时封堵,并填充一定量的浆液,以弥补洞口进洞阶段的水土流失,控制洞口上方的沉降(如图2所示)。

3 结语

顶管法不需要大面积开挖土方,占用施工场地小,不影响道路交通,地下施工噪声低,土方和泥浆集中排放,对环境的影响很小,对既有道路、桥梁、河流、建筑物扰动很小,不影响既有建筑物和构筑物的正常使用。顶管施工过程在仪器显示的压力平衡状态下进行,使得施工安全程度大大提高。随着近年来国内各大城市轨道交通的大发展,矩形顶管法由于其具备的众多优势,必将得到更多地区和城市的应用。针对不同地区的地质条件和技术要求,拓展、完善矩形顶管法的应用范围和设计方法,是轨道交通设计人员值得努力的一个方向和课题。

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