文/雷振宇 農(nóng)興中 翟利華

1.前言

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道采用矩形頂管（非開挖掘進）施工的可行性研究。

2.環(huán)控功能及對土建實施要求

通風空調(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、車站火災等）發(fā)生時整個地鐵系統(tǒng)的防災和救災工作。風道是通風空調(diào)系統(tǒng)與外界進行換氣的主要途徑，分為新風道、排風道、活塞風道。新風道為大小系統(tǒng)共用，一般通風凈面積要求12個平方。排風道除負責大小系統(tǒng)的排風需求外還有軌排系統(tǒng)且此部分的風量占的比例較大，一般為40～50立方每秒，故排風道的凈面積要求20個平方?；钊L需滿足車輛進站降壓要求，一般凈面積要求16個平方。

3.富水地層采用明挖法實施地鐵風道的風險及制約因素

3．1 富水地層圍護結(jié)構(gòu)成槽易塌孔造成漏水、漏砂

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，從而使得圍護結(jié)構(gòu)夾泥夾砂，基坑開挖時造成漏水、漏砂。

3．2 明挖實施前需進行交通疏解

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)周邊條件一般需進行地面硬化、設(shè)置標識標線、新增圍擋，建設(shè)完成后還需進行道路恢復，視復雜程度需占用2-4個月工期。

3．3 明挖實施前需進行管線遷改

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行臨時（永久）遷改，涉及臨時遷改的后期需回遷，視復雜程度需占用1-3個月工期。

圖1 拆解后各標準風道斷面

4.富水地層采用矩形頂管實施地鐵風道的可行性分析

4．1 采用頂管技術(shù)的優(yōu)勢

頂管施工技術(shù)是指首先采用頂管掘進機成孔，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。

4．2 矩形多隧道頂管施工風道的斷面擬定

將地鐵常見風道斷面新風道、排風道、活塞風道各自獨立形成斷面，新風內(nèi)凈空要求12m2（最低要求不小于10m2）、排風內(nèi)凈空要求20m2（最低要求不小于15m2）、活塞風內(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。

擬定各風道斷面如圖1。

將各風道拆解后單個風道的斷面目前國內(nèi)矩形頂管技術(shù)均可滿足，且由于一般地鐵風道均與地下負一層（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性質(zhì)指標表

4．3 矩形多隧道頂管施工風道的理論分析

結(jié)合既有非開挖掘進技術(shù)的施工經(jīng)驗以及華南地區(qū)地層情況，首先對多隧道頂進的最小間距進行預估，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指標(標準值)如表4.3-1。

本次分析采用粉細砂作為模擬土層進行分析。

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)點的方式進行模擬。

對土層，采用Mohr-Coulomb本構(gòu)關(guān)系進行模擬，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)以及隧道頂進施工過程模擬。

圖2 基礎(chǔ)模型（一）

4．4 隧道側(cè)向位移

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 第二條隧道頂進造成隧道累積變形

圖4 第三條隧道頂進造成隧道累積變形

圖5 隧道頂進造成地面累積沉降

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。

5.富水地層采用矩形頂管小間距施工工程實例

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,標準管節(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，其中最快掘進速度達到了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)。

6.結(jié)束語

綜上所述，在富水地層采用矩形頂管法小間距實施地鐵風道總體上是可行的。該工藝可有效規(guī)避明挖法施工帶來的工程風險，同時緩解了地面交通疏解、管線遷改的困難。

當選擇矩形頂管法小間距施工時應提前做好車站內(nèi)部各專業(yè)房間的布設(shè)，預留好頂管始發(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)與機具生產(chǎn)水平也將得到進一步提升，頂管法實施地鐵風道將可能代替明挖法成為主要施工方案。