文/雷振宇 農(nóng)興中 翟利華
隨著城市軌道交通建設(shè)高速發(fā)展,明挖法實施地鐵附屬結(jié)構(gòu)雖然工藝成熟,但在富水地層實施時易發(fā)生塌孔、漏水、漏砂等工程風(fēng)險,同時施工對地面交通及既有城市管線(管廊)等造成諸多影響,前期投入大,并逐漸成為制約車站工期的控制性因素之一。目前地鐵附屬結(jié)構(gòu)中出入口通道采用矩形頂管實施已獲得成功,本文據(jù)此開展富水地層地鐵風(fēng)道采用矩形頂管(非開挖掘進(jìn))施工的可行性研究。
通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)為地鐵系統(tǒng)中一個重要系統(tǒng),其不僅直接關(guān)系到整個地鐵內(nèi)部空氣環(huán)境能否滿足需要,也關(guān)系到事故(列車阻塞、火災(zāi)、車站火災(zāi)等)發(fā)生時整個地鐵系統(tǒng)的防災(zāi)和救災(zāi)工作。風(fēng)道是通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)與外界進(jìn)行換氣的主要途徑,分為新風(fēng)道、排風(fēng)道、活塞風(fēng)道。新風(fēng)道為大小系統(tǒng)共用,一般通風(fēng)凈面積要求12個平方。排風(fēng)道除負(fù)責(zé)大小系統(tǒng)的排風(fēng)需求外還有軌排系統(tǒng)且此部分的風(fēng)量占的比例較大,一般為40~50立方每秒,故排風(fēng)道的凈面積要求20個平方。活塞風(fēng)需滿足車輛進(jìn)站降壓要求,一般凈面積要求16個平方。
富水地層地下水位普遍偏高(特別是降雨使地下水位急劇上升),泥漿液面標(biāo)高不夠與槽內(nèi)出現(xiàn)承壓性,降低了靜水壓力造成槽壁漏漿或施工不慎造成槽內(nèi)泥漿面降低,從而使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)夾泥夾砂,基坑開挖時造成漏水、漏砂。
城市軌道交通建設(shè)中一般將車站設(shè)置于主要道路下方,減少對周邊既有建筑及地塊的影響。因此開展明挖法施工時為保障道路通暢,一般均需要進(jìn)行交通倒改,保證城市居民出行條件,根據(jù)周邊條件一般需進(jìn)行地面硬化、設(shè)置標(biāo)識標(biāo)線、新增圍擋,建設(shè)完成后還需進(jìn)行道路恢復(fù),視復(fù)雜程度需占用2-4個月工期。
城市道路下方一般均敷設(shè)有市政管網(wǎng)(雨、污水管、給水管、電力、通訊、路燈等),采用明挖法實施時需對影響開挖的既有管線進(jìn)行臨時(永久)遷改,涉及臨時遷改的后期需回遷,視復(fù)雜程度需占用1-3個月工期。
圖1 拆解后各標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)道斷面
頂管施工技術(shù)是指首先采用頂管掘進(jìn)機(jī)成孔,然后將管道從工作井頂入、并按要求形成始發(fā)工作井至接收井之間連續(xù)通道的管道非開挖鋪設(shè)技術(shù)和施工方法。管道以圓形截面和方形截面居多,這種施工技術(shù)具有綜合成本低、施工周期短、環(huán)境影響小、不影響交通和施工安全性好等優(yōu)勢。
將地鐵常見風(fēng)道斷面新風(fēng)道、排風(fēng)道、活塞風(fēng)道各自獨立形成斷面,新風(fēng)內(nèi)凈空要求12m2(最低要求不小于10m2)、排風(fēng)內(nèi)凈空要求20m2(最低要求不小于15m2)、活塞風(fēng)內(nèi)凈空要求16m2(最低要求不小于14m2),擬定斷面時主要考慮因素:
※由于矩形頂管不同于圓形頂管,其掌子面存在偏轉(zhuǎn)可能,斷面盡量選用寬扁形的斷面優(yōu)于豎長形的斷面;
※盡量減少對車站土建規(guī)模的影響,地鐵站廳層層高一般為4.7m~5.1m左右,結(jié)合管節(jié)壁厚、洞口環(huán)梁等,盡量減少對站廳層凈高影響。
擬定各風(fēng)道斷面如圖1。
將各風(fēng)道拆解后單個風(fēng)道的斷面目前國內(nèi)矩形頂管技術(shù)均可滿足,且由于一般地鐵風(fēng)道均與地下負(fù)一層(站廳層)銜接,其埋深約8m~10m,結(jié)合斷面尺寸可知其頂部覆土超過4m,基本可不影響各類管線;從目前國內(nèi)已實施的矩形頂管通道看,其對地面沉降的控制良好,基本可保證地面交通的通暢。
表4 .3-1 華南地區(qū)土層的主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)表
結(jié)合既有非開挖掘進(jìn)技術(shù)的施工經(jīng)驗以及華南地區(qū)地層情況,首先對多隧道頂進(jìn)的最小間距進(jìn)行預(yù)估,初擬其水平凈距為1m(便于設(shè)置環(huán)框梁)。參考華南地區(qū)各代表性土層參數(shù),其土層主要物理力學(xué)指標(biāo)(標(biāo)準(zhǔn)值)如表4.3-1。
本次分析采用粉細(xì)砂作為模擬土層進(jìn)行分析。
本次分析的地鐵結(jié)構(gòu)參數(shù)及本構(gòu)關(guān)系見表4.3-2。
計算采用MIDAS GTS軟件進(jìn)行,采用地層結(jié)構(gòu)法,以Solid實體單元模擬土層,以Plate殼單元模擬管片的結(jié)構(gòu)。對于土層與各結(jié)構(gòu)之間的接觸采用共用節(jié)點的方式進(jìn)行模擬。
對土層,采用Mohr-Coulomb本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行模擬,對連續(xù)墻、管片及支撐體系則按照Linear Elastic本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行模擬。圖2(一)分別為實體單元(a)、板殼單元(b)以及隧道頂進(jìn)施工過程模擬。
圖2 基礎(chǔ)模型(一)
在隧道側(cè)向位移計算結(jié)果中,主要以掌子面?zhèn)认蛭灰茷橹?,其變形量計算結(jié)果見圖3-6,計算結(jié)果匯總詳見表4.3-3。
圖3 第二條隧道頂進(jìn)造成隧道累積變形
圖4 第三條隧道頂進(jìn)造成隧道累積變形
圖5 隧道頂進(jìn)造成地面累積沉降
圖6 地面累積沉降量統(tǒng)計
表4 .3-3 計算的隧道側(cè)向位移
圖7 工程項目平面位置示意
圖8 矩形頂管實施完成后
圖9 頂管形成地下空間效果
矩形頂管隧道滿足側(cè)向位移小于50mm(上海地區(qū)頂管施工相關(guān)規(guī)范),隧道形式滿足使用要求。從場地整體沉降位移云圖可知,圓形頂管施工在殘積土層施工上覆土層最大沉降位移僅9.58mm,由于其未超20mm對周邊管線基本不造成影響,滿足管線要求。
華南地區(qū)某地下空間項目頂管工程,為在建的A、B樓盤的地下連接商場,該地下商場為C地塊,橫穿既有道路下方,為地下空間開發(fā)項目(見圖7),地面交通繁忙,該道路作為交通通行的主干道,若采用明挖法施工,交通疏解非常困難,且地下管線眾多、遷改周期較長,因此采用頂管法施工。
本工程設(shè)計為4條并行頂管通道,通道內(nèi)凈空尺寸為6m×4m,管節(jié)壁厚0.45m,管節(jié)混凝土為C50P10,標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)寬1.5m,共120節(jié),7.5m異形管節(jié)2節(jié),5.45m異形管節(jié)10節(jié)。每個通道各長60.5m,間距0.5m。
1~4號通道全長均為60.5m,其中1號通道施工歷時34天,2號、3號、4號歷時21天、21天、25天,其中最快掘進(jìn)速度達(dá)到了7.5m/d,目前已建成投入使用。
施工過程中地面沉降得到控制。4條頂管先后施工,引起土體多次擾動,造成地面沉降疊加,2號通道上方監(jiān)測點在1、2、3、4號通道頂進(jìn)期間最大累計隆起及沉降分別為+4.15mm、-26.58mm,均在規(guī)范及設(shè)計要求范圍以內(nèi)。
綜上所述,在富水地層采用矩形頂管法小間距實施地鐵風(fēng)道總體上是可行的。該工藝可有效規(guī)避明挖法施工帶來的工程風(fēng)險,同時緩解了地面交通疏解、管線遷改的困難。
當(dāng)選擇矩形頂管法小間距施工時應(yīng)提前做好車站內(nèi)部各專業(yè)房間的布設(shè),預(yù)留好頂管始發(fā)、接收的前期條件,盡量減少因頂管施工對車站主體結(jié)構(gòu)及后續(xù)機(jī)電裝修工程的影響。
隨著矩形頂管工藝日益成熟,施工技術(shù)與機(jī)具生產(chǎn)水平也將得到進(jìn)一步提升,頂管法實施地鐵風(fēng)道將可能代替明挖法成為主要施工方案。