某地铁过街通道大断面矩形顶管工程设计
摘 要 顶管法是采用液压千斤顶等设备， 将预制管节按设计方案顶入土层中的一种采用非开挖技术修建隧道的施工方法。 将大断面矩形顶管设计应用于城市过街通道工程中，可显著减小工程施工对道路交通、管线迁改等的影响。 文章通过对采用大断面矩形顶管方案的某地铁过街通道工程的设计方案实例进行了分析，结果表明大断面矩形顶管方案是解决城市重要道路下地下通道的先进施工方法，不仅施工速度快、工程施工安全可靠，还具有良好的社会效益和经济效益。
关键词 过街通道 大断面矩形顶管 设计
1引 言
城市轨道交通的建设， 越来越受到了其周边环境的限制，尤其是各个繁华路口的交通疏解压力，以及地下管线的迁改。在各种市政管线层叠密布的交通要道下修建过街通道， 如何降低施工对交通的影响、如何减少管线迁改、如何安全快速地建设就成了大家非常关注的问题。 武汉地铁二号线王家墩东站Ⅳ号出入口下穿汉口的交通要道青年路， 就遇到了这样的难题：工程地处交通要道、上部管线多、地质条件差、隧道埋深浅，若采用明挖法施工则交通疏解困难且管线改移费用高昂； 若采用暗挖法施工则所处淤泥质地层富水、软弱，施工风险太大。 在针对工程特点进行了技术、经济等方面的综合比选后，确定采用大断面矩形顶管方案， 成功地解决了上述各种难题，实施了该过街通道工程。
2大断面矩形顶管简介
2.1 机械设备组成
大断面矩形顶管一般采用大刀盘土压平衡式矩形顶管机，机械由顶管机壳体（含刀盘系统、纠偏系统和螺旋出土机）、顶进动力装置、后靠体、机架及垫块等设备组成。王家墩东站Ⅳ号出入口顶管工程采用4 m×6 m 偏心多轴土压平衡式矩形顶管机，设有 2 个 3 m×3.5 m 的大刀盘（由 8 根偏心轴驱动）、16个纠偏千斤顶、 两个螺旋出土机和主顶进装置等设备（图 1）。 主顶进装置由 12 台油缸及U 形顶铁、顶环 、垫铁、底架、钢后靠等组成 。 12 台油缸分成两组，呈对称分布，并用分体式结构的支座固定。 每台油缸可单独控制，根据需要可进行编组。
2.2 顶管工作原理
土压平衡式顶管机是在利用土压力平衡和支护开挖面土体、 并控制地表沉降的情况下进行顶进施工的。大断面矩形顶管机采用两个单独的刀盘切割土体，并挡住开挖面土体，有效防止正面土体倒坍，由螺旋出土机排出土舱里由刀盘系统切削下的碴土，由主顶进动力装置推动顶管机壳体和管节向前运动，从而实现掘进施工。
每个刀盘由四组偏心轴支撑、驱动，可进行相对或相反方向运转，在偏心驱动轴的旋转和推进油缸的顶进作用下，进行偏心平面运动和朝前移动，带动正面刀具和周边刀具切削土体，带动后面的长短搅拌棒进行切削土的搅碎和搅拌， 并在土舱内形成土压。
螺旋输送机的功能是将土舱内已开挖的土排出，其入口位于顶管土舱隔板的底部，前端槽体为前壳体的一部分，后端用法兰与中段槽体连接，螺旋叶片绕制在空心轴上，采用液压马达驱动，通过螺旋输送机上的出土闸门控制排土量， 以维持工作面正确土压和控制地面沉降。 因顶管机的横断截面为 4m×6 m，为达到更好的出土性能 ，采用两个螺旋机同时出土，每个螺旋机的最大出土量为42 m3/h。
为保证隧道轴线偏差的可控制性， 顶管机壳体设计成前后两段，中间由纠偏油缸联接，以便控制机头的姿态和进行系统纠偏。
2.3 顶管施工工艺
大断面矩形顶管法建造地下过街通道的施工工序是：在建造好的工作井内（始发井）进行矩形顶管机的组装、调试、试运转，将其准确地安放在符合设计轴线的机架上，顶管机头出洞，顶管机沿设计轴线向地层内不断顶进并安装预制管节； 当顶管机将要到达终点时，准确测定矩形顶管机的位置，调整和控制其姿态，使顶管机准确无误地进入（进洞）预先建造好的接收井内的基座上。 其顶进施工工艺如图 2所示。
3工程概述
3.1 工程概况
王家墩东站是武汉市轨道交通二号线与七号线的换乘站，位于青年路与建设大道交叉路口处，二号线车站地下两层，跨建设大道沿青年路呈南北走向布置；七号线车站地下三层，沿建设大道方向布置。车站所处位置东侧主要有青年路高架桥和招银大厦等建筑，西侧、北侧主要是建设大道、青年路变电站及沿街砖结构商铺、住宅楼。
Ⅳ号出入口位于二号线车站的东北角， 下穿青年路，下穿段过街通道长约 60.8 m，于青年路东侧出地面，平面位置如图 3 所示。出入口所在范围地下管线密集， 主要有两个较大的排水箱涵 （7 m×2.7m）、多根高压电力、给水、电信及煤气等管线。 出入口所处地层较差， 主要为人工填土及淤泥质粉质土等。
3.2 工程地质与水文地质
根据地质勘察报告，场区地形平坦，地面高程一般在20.82~21.75 m 之间， 场地在地貌单元上属长江北岸I 级阶地。 根据钻探揭示及对地层成因、年代的分析，场地分布地层自上而下可分为以下几个单元层：〈1-1〉层杂填土，〈1-2〉层素填土，〈3-1a〉层粘土，〈3-3〉层淤泥质粉质粘土，〈3-4〉层粉质粘土夹粉土、粉砂，〈3-5〉层粉质粘土、粉土、粉砂互层，〈4-1〉层粉细砂等。通道工程的地质纵剖面如图 4 所示，通道基本位于〈3-3〉层淤泥质粉质粘土和〈3-4〉层粉质粘土夹粉土、粉砂中。
场地内的地下水有上层滞水、 孔隙承压水和基岩裂隙水三种类型。据勘察报告反映，抽水试验孔中测得承压水水头在地面下3.05 m，水头标高年变化幅度在3.0~4.0 m 之间。
4大断面矩形顶管通道工程设计
4.1 顶管工作井设计
（1）顶管工作井结构设计
① 工作井的宽度
B=d+2b
式中
B———工作井的宽度(m)；
d———顶进管节的外径尺寸(m)；
b———工作坑内安好管节后两侧的工作空间(m)。
② 工作井的长度
L=L1+L2+L3+S1+S2
式中
L———工作井的长度(m)；
L1———管节长度(m)；
L2———千斤顶及顶进的长度(m)；
L3———后背支座厚度(m)；
S1———顶进管节留在导轨上的最小长度(m)；
S2———管内出土操作在管尾留出的空间长度(m)。
③ 工作井的深度
由设计管底高程及基础厚度决定，管底高程减去基础厚度即为坑底标高。在确定工作井的结构尺寸后，根据工作井所承受的水土压力大小进行结构计算， 确定工作井结构厚度并进行配筋设计。王家墩东站顶管始发井结构尺寸为20 m×10 m，接收井尺寸为 11.7 m×5 m，始发井及接收井的开挖深度分别为11.7 m 和 11.65m，结构墙厚度为 0.8 m。
（2）顶管工作井围护设计
顶管工作井为明挖施工， 围护结构的设计应既能起到围护结构作用，又方便在顶管机进出洞时破除围护结构、 减少顶进难度， 故工作井一般采用SMW 工法桩围护结构形式 ：施作工作井时 SMW 工法桩内插型钢起围护结构作用， 顶管机进出洞时拔出相应围护桩中的型钢，以方便顶管机进出洞。王家墩东站顶管工作井基坑围护均采用SMW 工法桩围护，标准桩长 21 m，采用桩径 φ850 mm 的三轴搅拌桩机进行施工，密插H700×300 型钢 ；顶管工作井根据深度变化设置1~2 道 φ609 钢管支撑。
4.2 顶管后靠背设计
顶管后靠背结构一般由4 部分组成：由工作井外至内依次是后靠背加固土体、工作井围护、工作井结构和主顶油缸支座。 后靠背为主顶动力装置提供支承反力， 顶管机械的支座反力通过千斤顶传到后靠背钢梁和钢板， 再通过钢板均布到工作井钢筋混凝土结构上， 部分的反力通过钢筋混凝土结构的变形传递到土层中。 因此，在设计后靠背时，工作井结构应满足强度、刚度、稳定性等要求，同时被动区的土体以不产生破坏为原则。
后靠背的反力根据推进系统的顶推力进行变化，顶推力R 由掘进机前端的迎面阻力 N 和管壁外周摩阻力F 组成。掘进机前端的迎面阻力主要为正面土压力，采用 Rankine 压力理论进行计算。 经计算的顶推力为理论计算值，只能作为最初设定值，随着顶进施工，主顶力随顶进距离的增加而增大，其值应根据实际顶进参数、地面沉降监测数据作相应的调整。
王家墩东站顶管后靠背设5 排桩径 φ850 mm的搅拌桩加固土体， 要求加固后土体强度大于 1.0MPa。 经计算，预设计最大顶进推力为 18 900 kN，小于顶管机额定主顶力（24 000 kN）；后靠背设计可承受顶力极限值为27 000 kN； 该工程顶管始发井结构和后靠背设计如图5 所示。
4.3 顶管管节设计
王家墩东站顶管通道覆土厚度约为5.9 m。 顶管结构全部采用预制矩形钢筋混凝土管节，管节混凝土强度等级为C40，抗渗等级为 0.8 MPa。 顶管通道横断面净空尺寸为5 m×3 m （宽×高），管节外形尺寸为6 m×4 m，管壁厚为 0.5 m，长度为1.5 m，单节重约 33.7 t。 本工程管节共计 41 节。 管节两端分别预埋钢套环和钢环，管节内还预留对称压浆孔、起吊孔及翻身孔。 顶管管节结构如图6所示。
4.4 顶管通道平面设计
本工程所在范围地下管线较密集， 设计考虑从平面上完全避开排水箱涵、电力、给水、电信及煤气等管线和青年路立交桥桥桩。 因此， 本次顶管工程在青年路东、西两侧各设一个顶管工作井，两个工作井之间的净距离为60.8m ，采用土压平衡式大断面矩形顶管机掘进施工，下穿青年路。顶管通道结构距离青年路立交桥桥柱的最近距离约为4.3 m。 在顶管进出洞处设搅拌桩进行土体加固。
4.5 顶管通道纵断面设计
通道顶部管线繁多， 主要为 7 m×2.7 m 砖砌箱 涵 、110 kV 电 力 和 10 kV 电 力 管 线 、φ300 和φ100 煤气钢管， 以及 φ100 铸铁给水、 光纤、光缆、军缆等。 其中，7 m×2.7 m 砖砌排水箱涵内底距离通道结构顶部约为1.6 m。 因受该排水箱涵底高程控制，设顶管始发井于青年路东侧，设顶管接收井于青年路西侧，纵向坡度设计为+0.3%，顶管自东向西推进。
4.6 顶管通道防水设计
本地下通道以后作为人行通道使用， 对渗漏水的要求比较高。因此，通道防水采用了混凝土结构自防水、接缝防水和其他辅助防水等综合防水措施。 管节混凝土抗渗等级为P8。 管节间设多道防水措施：“F”型承插式接头间的橡胶止水条和顶进结束后的双组分聚硫密封膏嵌缝及管节外的注浆。在顶管顶进过程中，“F”型承插式接头间的橡胶止水条已经能够起到止水效果。在顶进结束长时间后，管节周围的地下水逐渐丰富起来，将往管节内渗水。因此，需将管节间的缝隙清理干净，用双组分聚硫密封膏填充，并在管节背后进行注浆，使其形成一道防水的外壳。
5工程分析
5.1 施工速度快
本通道工程若实施明挖顺作，因青年路路面以下市政管线繁多，地下通道埋设于现有市政管线的下方，施工前必须将通道上方的市政管线先行搬迁，而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，工期较长且不可控；而且，因青年路地面交通繁忙，施工期间需要保持地面交通，故一般采用分2~3 段施工 ， 但分段施工的效率较低，施工工期很长。
本通道工程采用顶管方案，已于 2011 年 8 月 8日从顶管始发井开始掘进施工， 并于当月底到达顶管接收井，顺利贯通了过街通道，正常掘进施工能达到每天4~5 m 的进度。 采用顶管法施工，避免了管线迁改的工期， 也无需交通疏解， 一次完成通道工程，大大缩短了施工工期。
5.2 社会影响小
青年路、建设大道均为汉口地区交通干道，地面交通繁忙，车流量很大。地下通道若实施明挖顺作，施工期间需要保持青年路的地面交通，一般采用分段施工，占用青年路部分机动车道，仅可维持 50%的交通流量， 难以保证施工期间地面交通的畅通； 而且，给水、排水、电力、通信等众多管线的迁改，对周边居民的生活也会造成一定影响，这样就对道路的日常交通带来了困扰，影响了周边市民正常的生活秩序。
本通道工程采用矩形顶管法施工， 无需在地面道路范围进行围挡，地面交通与未施工时一样，对现有道路交通基本无影响， 而且不需要对地下管线进行搬迁。采用先进的土压平衡顶管机，施工期间无噪音。 因此，采用大断面矩形顶管，既顺利实施了过街通道工程的建设， 又避免了传统明挖方式在城市干道上的“开膛破肚”，减小了对社会的影响。
5.3 工程安全性好
本通道工程处于〈3-3〉、〈3-4〉淤泥质粉质粘土中，工程地质条件差，汉口地区地下水又异常丰富，若采用暗挖施工，地层变形难以控制，施工风险极高；而且，通道顶部尚有两个常年过水的巨型砖砌结构的箱涵， 地层稍有变形就会引起砖砌箱涵开裂和漏水，漏水后必将会造成工程事故，甚至出现大范围的垮塌，施工安全没有保证。
本工程采用大断面矩形顶管法施工后， 地面沉降及地下管线的变形均在可控制范围， 距离顶管井19.2 m 处、39 m 处（大型排水箱涵处）的通道正上方监测点累积沉降值与顶进距离关系分别如图7、图 8所示。施工监测数据表明，在顶管机临近测点所在断面时，监测点处地表产生隆起，当顶管机通过该测点所在断面时，该处地表隆起值持续增大，至顶管机通过后地表隆起值才逐渐减小转化为地表沉降。 在穿越大型排水箱涵过程中， 因在顶管内超量压注润滑泥浆， 管道周围土体受到注浆压力的挤压， 向外移动，使得地表隆起持续；而当掌子面通过箱涵所在范围后，注浆压力的逐渐减小，地表隆起值逐渐减少，顶管施工的地层损失和管节周围经扰动后的土颗粒再固结引起了地表沉降。
王家墩东站Ⅳ号出入口大断面矩形顶管通道工程的成功实施，大幅度地提高了软弱、富水地层通道工程施工的安全性和可靠性。
5.4 综合经济性强
明挖法与矩形顶管法比较，明挖法施工的优势在于土建造价较低，而矩形顶管法由于设备研发、折旧等因素，其造价要高于明挖法。但考虑到地下管线的改迁费用、道路翻交费用，尤其地下存在搬迁费用较高的管线（如电力管、通信管、信息管等）时，矩形顶管法往往就有明显的优势。 就本通道而言， 矩形顶管方案避免了明挖方案需改迁的两个7 m×2.7m 大型砖砌排水箱涵 、5 根 10 kV 电力管线 、 一根φ300 铸铁中压煤气管、一根 φ100 铸铁给水管、光纤和电信管群等大量管线的迁改工作。根据估算，本通道工程矩形顶管方案管线迁改费用与明挖方案相比，减少了约2 420 万元。 虽然顶管段的土建费用较明挖段有所增加，但结合管线迁改的费用，在本通道工程施工中矩形顶管方案仍然节约了数以千万计的建设工程费用，有效地节省了工程的投资，具有明显的综合经济性。
6结束语
王家墩东站Ⅳ号出入口通道大断面矩形顶管工程的成功实施，避免了过街通道工程施工时对交通干道的影响，减少了多种地下管线的迁改，缩小了施工占地面积，降低了施工噪音，取得了良好的社会效益，并创造了较大的经济效益，省时、省力、又省钱。而且， 该工程开创了武汉地区首次采用大断面矩形顶管施工过街通道的良好局面， 对引导和促进地铁过街通道人性化和绿色环保施工， 具有很好的推动作用。该过街通道大断面矩形顶管法的成功经验，既可在武汉地区建设中大范围推广应用，也可为后续的类似工程提供参考和借鉴。
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