大截面矩形顶管施工在城市地下人行通道中的应用[2012]

第２８卷第１０期Ｖ０１．２８Ｎｏ．１０建筑施工ＢＵＩＬＤＩＮＧＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ大截面矩形顶管施工在城市地下人行通道中的应用ＬａｒｇｅＳｅＣｔｉｏｎＲｅｃｔａｎｇｕＩａｒＰｉｐｅＪａｃｋｉｎｇＡｐｐ¨ｅｄｔｏＵｒｂａｎＵｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄＰｅｄｅｓｔｒｉａｎＰａｓｓａｇｅｗａｙ口熊诚２０００２０）（上海市地下建筑设计研究院【摘要】针对城市地下通道施工影响地面交通和地下管线的难点，通过不同施工方法比较，论述了大截矩形顶管施工的优势。介绍了大截面矩形顶管机的研制、顶管设计及施工的技术要点，并指出大截面矩形顶管施工未来发展研究的方向。【关键词】城市地下过街人行通道矩形顶管【中图分类号】ｕ４５５．４７顶管孔Ｂ管节设计／文献标识码【文章编号】１００４—１００１（２００６）１０—０７７６一０３１不同方法施工地下通道的比较１．１明挖法施工地下通道的劣势城市地下人行通道一般均横穿主要道路。主要道路地面交通繁忙，地面以下市政管线繁多。在大型城市中施工地下通道遇到最大的困难是“交通”和“管线”。首先，地下通道的施工不能阻断地面交通，所以一般采用翻交分段施工，即将横穿道路的通道沿纵向分成几个施工区段，在未施工区段可维持地面交通：地面交通的维持流量由施工分段数决定，如分两段施工，可维持５０％的交通流量，如分三段施工，可维持６６％的交通流量：但施工分段数不能一味加大，这样会降低施工效率，增加施工成本，实际的施工工期也会更长；所以，采用翻交施工无论如何都不能保证施工期间地面交通１００％的畅通。其次，地下通道的施工对管线的影响：由于新建的地下通道一般设计埋设于现有市政管线的下方，对于软土地基的城市，开挖地下通道前还需要进行深基坑围护结构体的施工，上述条件使得地下通道施工前，必须将通道上方的市政管线先行搬迁，而且管线改迂必须结合道路翻交同时进行；市政管线的搬迁一般会涉及到多个权属单位，各单位间协调工作复杂，某些管线的搬迁工作往往受到一些客观因素的影响，迟迟不能进行；另外，～些管线（如信息管、通信管、电力管等），搬迁费用昂贵，有时甚至会超过地下通道本身的±建造价；所以，管线搬迁也是一项费时又费钱的工作。【作者简介】熊诚（１９７３一），男，工程师，地铁所副所长，主任工程师。联系地址：上海市复兴中路５９３号２４楼（２０００２０），电话：（０２１）２４０２８３００。１．２矩形顶管施工地下通道的优势采用矩形项管法施工，不需要搬迁地下管线，不破坏地面道路结构，也丝毫不影响现有道路交通的正常运行，一切施工均在道路面以下进行。采用先进的土压平衡项管机，施工期间无噪音，地面沉降及地下管线的变形均在可控制范围。１．３明挖法与矩形顶管法经济比较明挖法施工的优势往往在于土建造价较低，而矩形顶管法地下通道单位长度造价要高于明挖法。但是，如果将地下管线的改迁费用、道路翻交费用一并考虑，在一般大城市，上述两种施工工法的综合经济成本就相当了，对于地下存在搬迁费用较高管线（如信息管、通信管、电力管等），则矩形顶管法就有决定的优势。如果将道路通行受阻、施工噪音等社会成本也考虑进来，矩形顶管法相对于明挖法有不可替代的优势。２大截面矩形顶管机工具机头的研制目前矩形顶管机械及工艺发展比较成熟的国家是日本。日本在上世纪８０年代开发应用了矩形隧道掘进机，并完成了多条人行隧道、公路隧道、铁路隧道、地铁隧道、排水隧道、市政共同沟的施工。近年来，我国的矩形顶管机也有了较大的发展，２００４年，上海建工机施公司与日本株式会社小松制作所合作开始研制丁Ｈ６２５ＰＨＸ一１矩形隧道掘进机，并于２００５年８月完成了首台制造；该型项管机采用模块化设计理念，通过不同的模数组合，可变化成多种矩形截面，以适应不同隧道截面的需要，采用计算机实时控制的土压平衡控制系统、隧道掘进防旋转特种技术、防背【收稿日期】２００６—０９—１２万方数据７７６熊诚：大截面矩形顶管施工在城市地下人行通道中的应用土技术，能更精确的控制地面的变形，该型顶管机的技术水平目前处于国内领先地位。第１０期３矩形顶管管节设计３．１管节的材质及结构验算从工程成本考虑，管节以采用预制钢筋混凝土结构为好，但也不排除为特殊需要而加工钢制管节，考虑到一般顶管通道线路长度均不长，顶管段覆土厚度及工程地质、水文地质情况变化不大，故设计可采用统一标准，按荷载及地质条件选取埋深最深，最不利工况进行计算，使工程具有一定的安全可靠性。３．２管节断面的选取顶管断面的确定主要取决于工程的使用功能，同时还要考虑施工误差、测量误差、管节加工及运输等因素。作为人行的地下通道，一般高度考虑在吊顶下方有３ｍ左右的净高，通道的净宽保证在５ｍ左右，满足双向人行的要求。以上述ＴＨ６２５ＰＨＸ一１矩形隧道掘进机为例，设计可选取３×２的模块组合，管节采用厚度为５００ｍｍ的钢筋混凝土，则通道内净尺寸可保证５．２４ｍ×３．３６ｍ，基本满足使用要求。３．３管节的长度管节长度越长可使同等长度通道内的接缝越少，漏水环节少，提高了通道的纵向刚度，加快施工进度，降低了工程造价。但管节长度主要受到运输条件及起吊设备的限制，不能无限制的加大，对于混凝土管节宜取长１．５２．Ｏｍ。ｍ一图２齿形橡胶止水圈（单位：ｃｍ）围的±体。混凝土管节设计中应将施工措施中的预埋件及今后设备安装的预埋件一并考虑并预埋到位，以免将来不必要的植筋、打膨胀螺丝等操作对构件混凝土产生的不利影响。３．６进出洞口接口设计为适应顶管进、出洞口的防水、连接构造需要，在顶管工作井侧墙进、出洞口处预埋特殊钢环，以确保顶管施工期间及使用阶段接口处的防水需要。４顶管施工技术４．１工作井顶管线路两端均需设置工作井，分别为出发井和接收井：顶管掘进头由出发井进入，顶推至接收井，完成整个推进过程。出发井和接收井顶部均留设掘进工具头吊装孔，出发井受顶推工艺限制，长度较长：接收井长度受顶管掘进头大小控制，一般尺寸不大。工作井可利用需要连通的地下主体工程结合设计，如不能利用主体工程，也可单独设置。工作井采用现浇钢筋混凝土结构，采用明挖施工，围护结构视开挖深度可选取三轴ＳＨＷ工法或地下连续墙。顶管进出洞土体均需加固，要求加固后的地基，应有良好的均匀性和自立性，可采用水泥土搅拌桩或高压旋喷桩等。４．２正式顶进正式顶进前，应调整好工具头及千斤顶的初始状态，并确认各控制参数的初始数据，复核定位测量轴线。初始顶进过程为参数积累调整阶段，顶进速度不应过快，一般可控制在１０ｍｍ／ｍｌｎ。通过初始推进，结合地面沉降观测，控制出土速度，选择最佳的掘进参数，初始顶进在最初的几环中完成，进入正常顶进后，顶进速度可控制在２０～３０ｍｍ／ｍｌｎ。项管掘进头中应设置注浆孔，在顶管顶进３．４管节纵向连接对于混凝土管节，管节接头采用”ＦＩ．型承插式，接缝内设由锯齿形橡胶止水圈和双组分聚硫密封膏组成的两道防水装置（图１、２）。过程中，在掘进头外表面注触变泥浆，形成润滑面，起到图１”Ｆ¨型承插接口示意图（单位：ｃｍ）减摩、减少背土的作用，除机头设置注浆孔外，在顶管管节设置补浆断面，即在管节的周长方向也均匀布置注浆孔，３．５其它构造管节四周应设置注浆孔。顶进施工中，对管节四周进行膨润土浆液注浆，以形成泥浆套。减小土对管壁的摩擦力。顶进完成施工后，采用水泥浆进行置换，固结管节周施工过程中，可根据需要进行注浆操作。４．３施工监测及管线保护顶管顶进前，必须掌握施工影响范围内的地面建（构）筑物、地下管线、地下障碍物、地下设施等；埋设地面道万方数据７７７第１０期熊诚：大截面矩形顶管施工在城市地下人行通道中的应用Ｏ．８ＨＰａ。路沉降观测点，建（构）筑物沉降观测点，地下管线的直接或间接观测点以及土体分层沉降观测点等。顶管顶进期间，根据各项变形监测数据及顶管施工所采用的参数，不断优化调整，使顶管在全线推进中，能随地质、埋深、环境条件变化而动态地、合适地确定施工参数，将地面沉降控制在＋１０—一３０ｍｍ范围内。顶管在穿越较近地下管线或重要工程控制点时，更应运用优化项管施工参数的方法，进一步控制地面沉降曲线的特性指标，满足环境保护要求。对于地下管线，如有必要，可采用地面跟踪注浆的方法控制管线沉降。（４）项管接收井净尺寸为９．５ｍ×６ｍ，深度为１１．８ｍ，设于东方路对面。基坑支护结构采用击８５０ｍｍＳＨｗ工法围护，内墙壁厚为８００ｍｍ。井内基坑底以下３ｍ进行搅拌桩加固，顶管出洞口增加书８５０ｍｍ搅拌桩加固。施工时，采用地面沉降监控和预留注浆管进行跟踪注浆来控制管线沉降等措施保护管线安全。本工程已于２００６年５月１３日顺利推进完成，地面最终沉降控制在一１．２ｃｍ，各管线监测指标均满足要求。５工程实例上海市轨道交通６号线浦电路站３号出入口位于浦东新区东方路以西，下穿东方路和浦电路车站连接。东方路交通繁忙，且刚进行完拓宽改造工程；东方路地下管线众多，通道上部经过的管线依次为电力１３孔排管、信息１２孔排管、由３００ｍｍ上水管、信息１２孔排管、由８００ｍｍ上水管、中３００煤气管、巾７００ｍｍ雨水管、巾１２００ｍｍ污水管、小３００ｍｍ煤气管、电力线，信息线等。设计原采用明挖翻交施工，考虑到整个翻交施工的周期以及管线搬迁的费用，经过经济比较后改用矩形顶管法施工。设计线路长度４２ｍ，线路平面为直线，纵坡为单向下坡，坡度３％。顶管管顶距离控制管线（书１２００ｍｍ污水管）的距离最近处仅为１ｍ。顶管顶部覆土厚度在５．７～６．９ｍ之间，顶管穿越的土层为：③层淤泥质粘质粉土、③夹粉质粘土、④淤泥质粘土（图３）。图４贯通后浦电路站过街顶管内景（注浆管未拆除）６发展及研究方向６．１更大截面的通道以ＴＨ６２５ＰＭＸ一１顶管机为例，根据不同的模块组合，该型顶管机可进行最大宽度为８．３ｍ，最大高度６．２ｍ的通道的掘进，这就要求将来能有相应截面的管节与之匹配。由于受吊装条件的制约，需研究采用轻质高强的材料，如钢结构管节，预应力混凝土管节等。６．２拼装管节类似盾构管片的拼装管节也是一个研究发展的方向。分块拼装的管节，单块构件的自重及体积大大减少，有利图３顶管线路纵剖面于批量生产和施工运输。由于矩形断面相对圆形断面的特殊性，要注意管节分块位置的选择，并处理好拼缝处的结（１）顶管机采用上海机施公司与日本小松株式会社共同设计开发的ＴＨ６２５ＰＨＸ一１型土压平衡式矩形隧道掘进机。（２）管节外形尺寸为６．２４ｍ×４．３６ｍ，壁厚为５００ｍｍ，构构造及防水措施。６．３浅覆土条件下的施工由于城市一般存在大量的浅埋地下工程，所以，可在浅覆土条件下推进施工有着特别重要的意义。矩形顶管顶面的覆土层厚度主要受管节抗浮和项推施工工艺控制。对于６．２４ｍ×４．３６ｍ的矩形项管管节，顶覆土在３．２ｍ左右管节长度为１．５ｍ。管节混凝土强度等级为Ｃ４０，抗渗等级为Ｏ．８ＨＰａ，钢筋采用ＨＲＢ３３５级钢。预制矩形管节钢筋骨架焊接成型。管节接口全部采用”ＦｌＩ型承插式，接缝防水装置由锯齿形橡胶止水圈和双组分聚硫密封膏两道组成。（３）顶管始发井净尺寸为１１ｍ×９ｍ，深度为１３．７ｍ，即能满足使用阶段抗浮要求；但覆土过小对顶推施工将带来不利的影响，可造成地面变形严重，所以一般条件下要求覆土层厚度不宜小于矩形断面的长边尺寸，即６ｍ左右。克服浅覆土施工对环境造成的不利影响也是未来研究的方向。设于车站主体侧。顶管始发井的基坑采用地下连续墙。地下连续墙厚６００ｍｍ，内衬墙壁厚为４００ｍｍ。井内基坑底以下３ｍ进行搅拌桩加固，顶管出洞口书８５０ｍｍ搅拌桩加固。工作井内结构混凝土强度等级为Ｃ３０，抗渗等级为万方数据７７８