富水地层采用矩形顶管修建附属方案研究

文/雷振宇 农兴中 翟利华

1.前言

随着城市轨道交通建设高速发展，明挖法实施地铁附属结构虽然工艺成熟，但在富水地层实施时易发生塌孔、漏水、漏砂等工程风险，同时施工对地面交通及既有城市管线（管廊）等造成诸多影响，前期投入大，并逐渐成为制约车站工期的控制性因素之一。目前地铁附属结构中出入口通道采用矩形顶管实施已获得成功，本文据此开展富水地层地铁风道采用矩形顶管（非开挖掘进）施工的可行性研究。

2.环控功能及对土建实施要求

通风空调系统为地铁系统中一个重要系统，其不仅直接关系到整个地铁内部空气环境能否满足需要，也关系到事故（列车阻塞、火灾、车站火灾等）发生时整个地铁系统的防灾和救灾工作。风道是通风空调系统与外界进行换气的主要途径，分为新风道、排风道、活塞风道。新风道为大小系统共用，一般通风净面积要求12个平方。排风道除负责大小系统的排风需求外还有轨排系统且此部分的风量占的比例较大，一般为40～50立方每秒，故排风道的净面积要求20个平方。活塞风需满足车辆进站降压要求，一般净面积要求16个平方。

3.富水地层采用明挖法实施地铁风道的风险及制约因素

3．1 富水地层围护结构成槽易塌孔造成漏水、漏砂

富水地层地下水位普遍偏高（特别是降雨使地下水位急剧上升），泥浆液面标高不够与槽内出现承压性，降低了静水压力造成槽壁漏浆或施工不慎造成槽内泥浆面降低，从而使得围护结构夹泥夹砂，基坑开挖时造成漏水、漏砂。

3．2 明挖实施前需进行交通疏解

城市轨道交通建设中一般将车站设置于主要道路下方，减少对周边既有建筑及地块的影响。因此开展明挖法施工时为保障道路通畅，一般均需要进行交通倒改，保证城市居民出行条件，根据周边条件一般需进行地面硬化、设置标识标线、新增围挡，建设完成后还需进行道路恢复，视复杂程度需占用2-4个月工期。

3．3 明挖实施前需进行管线迁改

城市道路下方一般均敷设有市政管网（雨、污水管、给水管、电力、通讯、路灯等），采用明挖法实施时需对影响开挖的既有管线进行临时（永久）迁改，涉及临时迁改的后期需回迁，视复杂程度需占用1-3个月工期。

图1 拆解后各标准风道断面

4.富水地层采用矩形顶管实施地铁风道的可行性分析

4．1 采用顶管技术的优势

顶管施工技术是指首先采用顶管掘进机成孔，然后将管道从工作井顶入、并按要求形成始发工作井至接收井之间连续通道的管道非开挖铺设技术和施工方法。管道以圆形截面和方形截面居多，这种施工技术具有综合成本低、施工周期短、环境影响小、不影响交通和施工安全性好等优势。

4．2 矩形多隧道顶管施工风道的断面拟定

将地铁常见风道断面新风道、排风道、活塞风道各自独立形成断面，新风内净空要求12m2（最低要求不小于10m2）、排风内净空要求20m2（最低要求不小于15m2）、活塞风内净空要求16m2（最低要求不小于14m2），拟定断面时主要考虑因素：

※由于矩形顶管不同于圆形顶管，其掌子面存在偏转可能，断面尽量选用宽扁形的断面优于竖长形的断面；

※尽量减少对车站土建规模的影响，地铁站厅层层高一般为4.7m～5.1m左右，结合管节壁厚、洞口环梁等，尽量减少对站厅层净高影响。

拟定各风道断面如图1。

将各风道拆解后单个风道的断面目前国内矩形顶管技术均可满足，且由于一般地铁风道均与地下负一层（站厅层）衔接，其埋深约8m～10m，结合断面尺寸可知其顶部覆土超过4m，基本可不影响各类管线；从目前国内已实施的矩形顶管通道看，其对地面沉降的控制良好，基本可保证地面交通的通畅。

表4 ．3-1 华南地区土层的主要物理力学性质指标表

4．3 矩形多隧道顶管施工风道的理论分析

结合既有非开挖掘进技术的施工经验以及华南地区地层情况，首先对多隧道顶进的最小间距进行预估，初拟其水平净距为1m（便于设置环框梁）。参考华南地区各代表性土层参数，其土层主要物理力学指标(标准值)如表4.3-1。

本次分析采用粉细砂作为模拟土层进行分析。

本次分析的地铁结构参数及本构关系见表4.3-2。

计算采用MIDAS GTS软件进行，采用地层结构法，以Solid实体单元模拟土层，以Plate壳单元模拟管片的结构。对于土层与各结构之间的接触采用共用节点的方式进行模拟。

对土层，采用Mohr-Coulomb本构关系进行模拟，对连续墙、管片及支撑体系则按照Linear Elastic本构关系进行模拟。图2（一）分别为实体单元（a）、板壳单元(b)以及隧道顶进施工过程模拟。

图2 基础模型（一）

4．4 隧道侧向位移

在隧道侧向位移计算结果中，主要以掌子面侧向位移为主，其变形量计算结果见图3-6，计算结果汇总详见表4.3-3。

图3 第二条隧道顶进造成隧道累积变形

图4 第三条隧道顶进造成隧道累积变形

图5 隧道顶进造成地面累积沉降

图6 地面累积沉降量统计

表4 ．3-3 计算的隧道侧向位移

图7 工程项目平面位置示意

图8 矩形顶管实施完成后

图9 顶管形成地下空间效果

矩形顶管隧道满足侧向位移小于50mm（上海地区顶管施工相关规范），隧道形式满足使用要求。从场地整体沉降位移云图可知，圆形顶管施工在残积土层施工上覆土层最大沉降位移仅9.58mm，由于其未超20mm对周边管线基本不造成影响，满足管线要求。

5.富水地层采用矩形顶管小间距施工工程实例

华南地区某地下空间项目顶管工程，为在建的A、B楼盘的地下连接商场，该地下商场为C地块，横穿既有道路下方，为地下空间开发项目（见图7），地面交通繁忙，该道路作为交通通行的主干道,若采用明挖法施工,交通疏解非常困难,且地下管线众多、迁改周期较长，因此采用顶管法施工。

本工程设计为4条并行顶管通道,通道内净空尺寸为6m×4m，管节壁厚0.45m，管节混凝土为C50P10,标准管节宽1.5m，共120节，7.5m异形管节2节，5.45m异形管节10节。每个通道各长60.5m，间距0.5m。

1～4号通道全长均为60.5m，其中1号通道施工历时34天，2号、3号、4号历时21天、21天、25天，其中最快掘进速度达到了7.5m/d，目前已建成投入使用。

施工过程中地面沉降得到控制。4条顶管先后施工，引起土体多次扰动，造成地面沉降叠加，2号通道上方监测点在1、2、3、4号通道顶进期间最大累计隆起及沉降分别为+4.15mm、-26.58mm，均在规范及设计要求范围以内。

6.结束语

综上所述，在富水地层采用矩形顶管法小间距实施地铁风道总体上是可行的。该工艺可有效规避明挖法施工带来的工程风险，同时缓解了地面交通疏解、管线迁改的困难。

当选择矩形顶管法小间距施工时应提前做好车站内部各专业房间的布设，预留好顶管始发、接收的前期条件，尽量减少因顶管施工对车站主体结构及后续机电装修工程的影响。

随着矩形顶管工艺日益成熟，施工技术与机具生产水平也将得到进一步提升，顶管法实施地铁风道将可能代替明挖法成为主要施工方案。