宋 杰 侯艷春

近年來,隨著城市軌道交通的大力發(fā)展,矩形頂管法在軌道交通領(lǐng)域也開始得到應(yīng)用,尤其是在下穿主干道路的出入口通道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工中。以往出入口多采用明挖順做施工,其優(yōu)點(diǎn)是工法成熟、風(fēng)險(xiǎn)小,純土建的造價(jià)較低。但由于出入口通道多下穿交通主干道,道路交通繁忙,地下市政管線繁多,因此難度大、費(fèi)用高,對(duì)社會(huì)、環(huán)境等綜合影響較大。在軟土地區(qū)采用大截面矩形頂管施工方法施作此種出入口具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。其施工期間不需要搬遷地下管線,不影響道路交通的正常運(yùn)行,而且施工期間無噪聲,地面沉降及地下管線的變形可控制,施工控制精度高,對(duì)周邊環(huán)境影響小。因此在上海及周邊軟土地區(qū)軌道交通設(shè)計(jì)中已開始引入該工法,積累了一定的設(shè)計(jì)、施工經(jīng)驗(yàn)。

筆者通過上海市軌道交通9號(hào)線七寶站等站的矩形頂管法過街出入口通道的設(shè)計(jì),深刻感受到其廣闊應(yīng)用前景,對(duì)其設(shè)計(jì)方法做了初步的總結(jié),以為今后類似工程的設(shè)計(jì)及施工提供參考。

1 七寶站5號(hào)、6號(hào)出入口通道矩形頂管法設(shè)計(jì)概況

上海市軌道交通9號(hào)線一期工程七寶站位于七莘路與漕寶路交叉路口東側(cè),沿漕寶路呈東西走向設(shè)置,為地下兩層島式站臺(tái)車站,車站共有6個(gè)出入口,其中5號(hào)、6號(hào)兩個(gè)出入口通道均橫穿七莘路,采用了矩形頂管法。頂管線路全長(zhǎng)分別為55 m和53 m,沿線穿越的土層主要為③1淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層和④淤泥質(zhì)粘土層。頂管上部覆土厚度約4.2 m～4.5 m,線路縱向坡度分別為0.3%和0.5%?？刂菩怨芫€有φ 1200的煤氣管,距離管壁約1.5 m。矩形頂管與常規(guī)的頂管法一樣,均需設(shè)置工作井,分為始發(fā)井和接收井。工作井的設(shè)置位置根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的場(chǎng)地條件,結(jié)合車站建筑總圖布置,在七莘路東側(cè)人行道上出入口與車站結(jié)構(gòu)相接處設(shè)置一個(gè)工作井,在七莘路西側(cè)人行道上設(shè)置另一個(gè)工作井。工作井緊貼車站結(jié)構(gòu)時(shí),若作為始發(fā)井,頂推力將直接作用在車站結(jié)構(gòu)上,可能造成車站結(jié)構(gòu)的安全隱患,故七莘路東側(cè)的工作井均按接收井設(shè)計(jì)考慮。

頂管始發(fā)井凈尺寸為:長(zhǎng)9.2m(沿頂進(jìn)方向)×寬8m(垂直頂進(jìn)方向),基坑開挖深度約10.2 m,圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ 850mm SMW工法樁,一隔一內(nèi)插700號(hào)H型鋼。

頂管接收井凈尺寸為:長(zhǎng)8m×寬7m,基坑開挖深度約10.3 m,圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ 850mm SMW工法樁,逐根內(nèi)插700號(hào)H型鋼。管節(jié)內(nèi)凈尺寸寬5 m×高3 m,壁厚0.5 m,外包尺寸寬6 m×高4 m。

2 七寶站矩形頂管管節(jié)設(shè)計(jì)

2.1 管節(jié)型式及結(jié)構(gòu)尺寸

采用矩形頂管法施作的出入口,其管節(jié)的斷面內(nèi)凈尺寸由建筑凈寬、凈高等限界要求控制,壁厚則根據(jù)管節(jié)受力分析并考慮頂管機(jī)的施工工藝綜合確定。管節(jié)內(nèi)凈尺寸寬5 m×高3 m,壁厚0.5 m,外包尺寸寬6 m×高4 m。管節(jié)的結(jié)構(gòu)型式為預(yù)制鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu),管節(jié)長(zhǎng)度為1.5 m,混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50,抗?jié)B等級(jí)0.8MPa。

2.2 管節(jié)內(nèi)力分析

頂管管節(jié)受力分析可考慮施工階段和使用階段兩個(gè)階段分別進(jìn)行計(jì)算。

2.2.1 施工階段

頂管頂進(jìn)過程中,管節(jié)主要承受千斤頂?shù)捻斖屏凸芄?jié)周邊的側(cè)壁摩阻力,管節(jié)以軸心受壓為主,施工階段要保證管節(jié)具有足夠的抗壓承載力而不被壓壞,所以,確定頂管頂力是施工階段管節(jié)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

在頂管設(shè)計(jì)中,頂管頂力的計(jì)算將直接影響工作井的設(shè)計(jì)、管節(jié)強(qiáng)度的確定、中繼站的布置及頂進(jìn)設(shè)備的選擇等,在工程實(shí)踐中,常采用的計(jì)算方法有以下兩種:

1)上海結(jié)合本地區(qū)土層的條件,采用觸變泥漿頂管的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為,頂力可按每平方米的管道外側(cè)表面積為8kN～12kN計(jì)算。

2)根據(jù)日本下水道協(xié)會(huì)的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算推進(jìn)頂力:

其中,P為頂力,t;S為刃刀的外周長(zhǎng),m;qr為頂進(jìn)端的阻力,t/m;R為土和管節(jié)的摩擦力,t/m2;F為管節(jié)外周長(zhǎng),m;W為管節(jié)單位重量,t/m;f為管節(jié)自重的摩擦系數(shù);L為頂進(jìn)長(zhǎng)度,m。

具體設(shè)計(jì)時(shí),除按上述經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算頂力外,還要注意驗(yàn)算后靠土體的穩(wěn)定性,使最大頂力不超過工作井周邊土體的抗力。如果超過,需要采取加中繼站或其他措施,確保后靠土體的穩(wěn)定性。

根據(jù)筆者設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),施工階段管節(jié)的承壓計(jì)算基本不控制管節(jié)截面尺寸及配筋。

2.2.2 使用階段

七寶站出入口通道的覆土厚度為5 m左右,屬于淺覆土,計(jì)算時(shí)不考慮土拱效應(yīng)。使用階段頂管管節(jié)承受的荷載主要有:自重、頂板上的覆土荷載和地面超載、側(cè)向水土壓力、水浮力和地基反力等。計(jì)算時(shí)沿頂管通道縱向取1 m作為分析框架單元,按照底板支撐在彈性地基上的平面框架進(jìn)行內(nèi)力分析,并據(jù)此確定管節(jié)截面尺寸及配筋。

2.3 防水設(shè)計(jì)

管節(jié)的防水包括管節(jié)縱向接縫防水和進(jìn)出洞口接口防水。

2.3.1 管節(jié)縱向接縫防水

對(duì)于混凝土管節(jié),管節(jié)接頭采用“F”形承插式,接縫內(nèi)設(shè)有鋸齒形橡膠止水圈和雙組分聚硫密封膏組成的兩道防水裝置,見圖1。

2.3.2 管節(jié)進(jìn)出洞口接口防水

為防止頂管機(jī)進(jìn)出預(yù)留洞時(shí)水、土涌入工作井,并確保在頂進(jìn)過程中壓注的觸變泥漿不流失,必須在工作井與接收預(yù)留洞上安裝洞口止水裝置。該裝置安裝在洞口預(yù)留法蘭上,由橡膠止水圈與插板組成,需與設(shè)計(jì)管位保持同心,誤差小于2mm。并在進(jìn)洞環(huán)端面預(yù)埋鋼板,頂管進(jìn)洞后,將進(jìn)洞環(huán)管節(jié)與洞門之間的間隙及時(shí)封堵,并填充一定量的漿液,以彌補(bǔ)洞口進(jìn)洞階段的水土流失,控制洞口上方的沉降(如圖2所示)。

3 結(jié)語

頂管法不需要大面積開挖土方,占用施工場(chǎng)地小,不影響道路交通,地下施工噪聲低,土方和泥漿集中排放,對(duì)環(huán)境的影響很小,對(duì)既有道路、橋梁、河流、建筑物擾動(dòng)很小,不影響既有建筑物和構(gòu)筑物的正常使用。頂管施工過程在儀器顯示的壓力平衡狀態(tài)下進(jìn)行,使得施工安全程度大大提高。隨著近年來國(guó)內(nèi)各大城市軌道交通的大發(fā)展,矩形頂管法由于其具備的眾多優(yōu)勢(shì),必將得到更多地區(qū)和城市的應(yīng)用。針對(duì)不同地區(qū)的地質(zhì)條件和技術(shù)要求,拓展、完善矩形頂管法的應(yīng)用范圍和設(shè)計(jì)方法,是軌道交通設(shè)計(jì)人員值得努力的一個(gè)方向和課題。

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