论矩形顶管在地铁车站出入口中的应用

2018-02-01刘海涛

建筑与装饰 2018年1期

刘海涛

陕西省铁路集团有限公司陕西西安 710054

前言

近年来，随着我国城市轨道交通的迅速发展，绝大部分进出地铁车站的出入口需要跨路口设置。当地面交通较为繁重，不允许对交通临时导改，或特殊地段地下重要管线较多，严禁道路明挖施工，非开挖工程的顶管施工技术彻底解决了该难题。非开挖并非完全无土方开挖，仅需对顶管工作井进行明挖，方便顶管设备的吊入与吊出。当地面交通地下管线不允许设置接收井的情况下，也可采用设置始发井吊入顶管设备及管片，车站内接收吊出顶管设备的方案。

1 顶管法施工的工作原理和优缺点

顶管法是借助液压千斤顶等设备将预制管片或掘进机从始发井内顶进，穿过土层一直推到接收井内的一种非开挖通道施工技术。依靠安装在设备端部的钻掘系统不断地切削土层，由出土系统将切削的土屑排出，边顶进，边切削，边输送，与此同时，把紧随掘进机后的管片铺设在始发井与接收井之间的一种非开挖施工技术，并在顶进的过程中通过激光导向系统纠偏来调整铺管方向[1]。

顶管法具有以下优点：①施工时产生的噪音及振动很小，环境污染小；②在现有道路下进行铺设时，不影响路面交通；③工作井之间地下管线无须迁改，施工速度快；④开挖部分只有工作井及通道部分，土方开挖量少，经济效益好，安全性高；⑤预制管节质量优于现浇混凝土管节。

顶管法具有以下缺点：①根据设计通道截面，需要定制顶管设备，造价较高；②需对始发井前后以及接收井前土体进行加固；③防水性能较外包防水性能差。

2 矩形顶管设备简介

图1 顶管刀盘图

图2 顶管横断面图

本工程顶管刀盘采用3大+3小型式，如图1所示。多个刀盘前后错开设计，单个刀盘所需功率、扭矩较低，布置较为灵活。前部大刀盘倒三角形布置，其中两个刀盘对应壳体处帽檐设置，给开挖面顶部提供足够支撑；开挖面覆盖率约90%，开挖盲区小，渣土搅拌均匀，流动性好，利于开挖舱压力平衡[2]。

3 顶管顶力估算及允许顶力

3.1 顶管顶力

顶管顶力由管道外壁与土层的摩擦阻力和顶管机迎面阻力两部分组成，根据规范《顶管工程施工规程》（J11324-2017）第7.4节知：

由F1和F2公式以及受力原理可知，规范以圆形顶管为例，D为圆环管道外径，则矩形顶管顶力为，

其中F1、 F2-管道外壁与土层的摩擦阻力（KN）、顶管机迎面阻力（KN），

B、H-矩形顶管外壁宽度、高度（m），本文由CAD测量得出顶管外周长为22.8m，

L'、R1-管道顶进长度（m）、顶管机下1/3处被动土压力（kPa），

f-管道外壁与土的平局摩阻力，宜取2kPa～7kPa（本文取5kPa）。

3.2 允许顶力

根据规范《顶管工程施工规程》（J11324-2017）第7.4节，允许顶力为管节截面面积的混凝土所能承受抗压强度再乘以折减系数，即Fdc=kdcfcAp，式中Fdc为管节的允许顶力（KN），kdc为混凝土管综合系数0.372，fc为混凝土抗压强度设计值（MPa），Ap为管道的最小有效传力面积(mm2)，本文由CAD测量得出A为9839973mm2。

4 工程实例

4.1 工程概况

文博园站为徐州市轨道交通2号线一期工程中间站，车站位于昆仑大道与纬一路的丁字路口南侧，城市主干道绿化场地内，沿昆仑大道东西方向敷设，为地下两层双柱三跨岛式车站，与远期5号线预留通道换乘。

车站共设置4个出入口(3号出入口预留)，昆仑大道为城市主干道，车流量较大且与邻徐州市行政中心，为减小对交通的影响，横穿昆仑大道的4号出入口通道采用土压平衡式顶管法施工。

4.2 计算参数

顶管管节内径4m×6m、外径5m×7m、标准节长1.5m，外径直角处倒圆角半径700mm，内径直角处倒圆角半径300mm，如图2所示。标准节单节混凝土16.5m³，钢筋约4.1吨，钢板约1.1吨，标准节总重约41.5吨。

前两节管节内壁预埋500×200mm，h=15mm钢板，每面预埋6块。前三节管节顶进完成后采用型钢将管节连接为整体，以便于机头姿态控制。首节管节插口端面、尾节管节承口端面预埋350×350mm，h=15mm钢板，用于连接两端环梁钢筋。

顶管底埋深约9.8m，地下水位以地面下0.5m计，顶面覆土约4.8m，通道长49.5m，共设置管节33节。顶管掌子面主要穿越地层为2-6-3粉砂、2-5-3粉土、2-3-3黏土，持力层主要位于5-3-4黏土层。顶管机下1/3处主要为2-6-3粉砂层，根据地质勘察详勘试验结果，其内摩擦角为18°，黏聚力为0kPa，土层重度19.1KN/m³。地面超载按20Kpa考虑，静止土压力系数按0.45计算。管节采用强度等级C50的混凝土工厂预制后运至现场进行施工。管节采用“F”型承插式接口，接缝防水采用锯齿型止水圈和双组分聚硫密封膏嵌缝。