yantubbs-上海轨道交通6号线车站过街出入口采用大截面矩形顶管的设计与研究

在地铁车站的设计中一般要求配置兼具过街功

能的出入口，此种出入口既是地铁车站的出入口，同时也利用地铁车站作为横穿地面主要道路的地下通道。在以往工程中,出入口多采用明挖顺做施工，明挖法施工的优势是土建造价低。但一般情况下，由于主要道路地面交通繁忙，地面下市政管线繁多。为了解决路面通行问题,通常需要将出入口的分段施工，交通压力非常大；同时，明挖施工还需将路面下的地下管线予以搬迁，而在大城市，某些地下管线的搬迁费用非常高(如信息管、通信管、电力

上海轨道交通6号线车站过街出入口采用

大截面矩形顶管的设计与研究

安 危 赵寒青

摘要 在地铁车站的设计中对设置于路侧的车站一般要求配置兼具过街功能的出入口。此种出入口若横穿主要道路，由于路面交通流量大，地面以下市政管线密布，若采用明挖顺作施工，保证交通及搬迁管线难度较大，费用昂贵。在上海轨道交通6号线浦电路站、龙阳路站的设计中，对过街的出入口采用了矩形顶管的设计方案，取得了较为满意的效果，本文对两车站过街出入口采用大截面矩形顶管法方案设计中考虑的重点（包括工作井的设置、管节的拟定、管节接缝的防水、工作井与管节接头的防水等内容）予以介绍，同时对在施工中发现的一些技术细节问题的进行经验总结，以期对今后类似工程的设计及施工做进一步的总结改进，让大截面矩形顶管过街通道的技术更加成熟，应用更加广泛。

关键字 地铁车站 过街出入口 大截面 矩形顶管 设计

Abstract: The passageway in the subway station located along the street is generally required to design with

crossing-street function. As such passageway of the subway station crosses the major street, there are those problems such as the heavy traf fic flow in the pavement and dense public pipelines layout underneath the road. So it is dif ficult

and expensive to ensure the transportation fluent and remove the pipelines if open-cut method is used. In the design of the Pudian and Longyang subway station in Shanghai Rail Transit Line 6, the scheme of rectangle pipe jacking is adopted in the crossing-street passageway, obtaining comparatively satisfactory effects. This paper introduces the key points in the large-section pipe jacking scheme adopted in crossing-street passageway of the two subway stations

(including work well installation, pipe joints draft, pipe joint waterproo fing, the waterproo fing between work well and pipe joint), as well as concludes some technology experiences in detail occurred in the construction. This is expected to help promote the design and construction in similar projects and perfect the technology of cross-section rectangle

pipe jacking in the crossing-street passageway with broader coverage.

Key words: subway station; crossing-street passageway; cross section; rectangle pipe jacking; design;

管等)。

顶管法地下顶进工艺，以前常见于地下管线的非开挖铺设，但其管节断面尺寸较小，不能满足地

下人行通道的要求。随着当今世界施工技术的不断飞跃，大截面矩形土压平衡顶管机的研发成功，在软土地区采用大截面矩形顶管施工方法施做此种出入口具有相当大的优势。其施工期间不需要搬迁地下管线，不影响道路交通的正常运行，而且施工期间无噪音，地面沉降及地下管线的变形可控制。

近年来，我国的矩形顶管机研发也取得了较大的发展。2003年10月，由上海隧道工程股份有限公司研制的4m ×6m 矩形顶管机在宁波药行街－开明街下成功地完成了2条长50m 的地下过街通道的顶进。

在以下文章中，将介绍在上海市轨道交通6号线浦电路、龙阳路(现儿童医学中心站)车站的过街出入口设计中，采用上述两台先进的矩形顶管机施做地下通道的设计方案及心得体会，以期对今后类似工程的设计及施工做进一步的总结改进。

二、浦电路车站、龙阳路车站采用大截面矩形顶管施工的设计方案介绍

1. 浦电路车站顶管设计方案简介

浦电路车站顶管出入口平面布置如图1所示，顶管的出发井布置在车站一侧，接收井布置于东方路的另一侧，顶管线路全长42.7m，顶管全线埋置于③层淤泥质粘质粉土、③夹粉质粘土、④淤泥质粘土层内。顶管上部覆土5.7m～6.9m,顶管线路纵向坡度3％，东方路地下管线见图2所示。其中Φ1200污水管，距离管壁仅1.0m。设计原采用明挖顺作法施工，由于东方路为交通主干道，明挖施工对东方路的影响很大，且管线搬迁的费用昂贵，因此改用大截面矩形顶管法施工，顶管施工时在道路两侧设置工作井，采用矩形顶管机下穿道路。

顶管始发井净尺寸为11m×9m，深度为13.7m，围护采用厚地下连续墙。顶管出洞口采用搅拌桩加固并设置一排密插型钢的Φ850SMW工法，为防止出洞加固土体搅拌桩与连续墙间的空隙产生漏水，采用旋喷加固填满缝隙。顶管接收井净尺寸为9.3m×6.35m，深度为11.85m，设于东方路对面。围护采用地下连续墙，顶管进洞口增加3m厚Φ850搅拌桩加固，旋喷加固填满缝隙。

管节外形尺寸为6.24m×4.36m，壁厚为500mm，管节长度为1.5m。管节混凝土强度等级为C40，抗渗等级为0.8MPa。

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TH625PMX-1型土压平衡式矩形隧道掘进机。

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-1.2cm，各管线监测指标均满足要求。浦电路车站的过街出入口布置如图1、2所示：

2. 龙阳路车站顶管设计方案简介

龙阳路站4号过街出入口如图3、4所示，出发井位于东方路对面的东方城市花园小区内，下穿东方路和龙阳路车站连接。顶管顶进长度为40.5m，顶管全线埋置于③层淤泥质粘质粉土、③夹粉质粘土、④淤泥质粘土层内。顶管上部覆土5.5m～5.8m,顶管线路纵向坡度0.7％，东方路地下管线见图4

所示，

图2

浦电路站顶管线路纵剖面

图1 浦电路站顶管平面布置图其中Φ450污水管，距离顶管管壁1.07m。顶管始发井净尺寸为9.2m×8m，深度为10.10m，设于东方城市花园小区西北角。顶管始发井采用Φ850SMW工法围护，顶管出洞口增加两排Φ850搅拌桩加固，后靠位增加三排Φ850搅拌桩，提高后墙壁承载顶管的推力。

因为地下通道和地铁车站斜交，在地铁车站外要设置一座和顶进轴线垂直的顶管接收井。顶管接收井依靠车站主体位置而布置，呈五边形结构，深度为9.80m，设于地铁车站施工区域内施工通道上。顶管接收井的基坑采用Φ850SMW工法围护，进洞口增加两排Φ850搅拌桩加固，内衬墙壁厚为600mm，井内基坑底下3m进行搅拌桩满堂加固。

顶管机采用上海隧道工程股份有限公司大刀盘土压平衡式矩形顶管机顶进施工，每个顶程布置地面沉降观测点。顶进过程中各项监测指标均满足要求。

3. 两顶管通道的特点比较

目前上海的大截面矩形顶管机仅两台，在两个车站出入口分别采用了机施公司和隧道股份的设备，主要区别如下表所示：

表1两顶管通道主要区别

6号线浦电路站

出入口(机施

公司顶管机)

6号线龙阳路站出入

口(隧道股份顶管机)管节净尺寸 5.24m×3.36m 5.0m×3.0m

出发井吊装孔

尺寸(宽×长)

7.0m×8.5m7.0m×7.7m

出发井结构净

尺寸(宽×长)

7.6m×10.4m8.0m×9.2m

接收井吊装孔

尺寸(宽×长)

8.1m×5.0m五边形孔最大宽度

6.8m，长度约3.5m

接收井结构净

尺寸(宽×长)

9.3m×6.35m五边形最大宽度

7.6m，长度约4.0m 注：表中宽为垂直与顶管推进方向

(1) 工作井的围护型式：浦电路的工作井采用了地下连续墙围护，而龙阳路的工作井采用了Φ850SMW工法围护，围护的型式主要由开挖的深度决定，从顶管的工艺来讲两种围护型式均可行，但若采用地下连续墙围护，除了出洞口土体水泥土搅拌桩加固外，最好在出洞侧加设一排型钢插入，插入深度洞门下3.0m以上,方可确保出洞的安全。若工作井的开挖深度较小，可优先选用SMW工法围护较为经济，但顶管机进洞前必须在接收井内主体结构设置临时钢板或混凝土板预先封闭洞门，防止涌水或涌砂现象产生。

(2) 管节的结构与尺寸：两通道管节结构如图5

所示：

图4

龙阳路站顶管线路纵剖面

图3

龙阳路站顶管平面布置图

龙阳路管节结构图

龙阳路车站采用净尺寸5.0m ×3.0m 的管节，浦电路车站采用净尺寸5.24m ×3.36m 的管节比龙阳路略大，实际使用时的观感较为宽敞。

(3) 龙阳路顶管机的接收井尺寸及接收井吊装孔尺寸较浦电路站小，对场地布置和对管线影响较小。当然，顶管工作井的尺寸并非完全受顶管机尺寸控制，一般来讲，靠车站侧工作井的大小还由井内设置的楼梯长度决定，即通道与站厅层的高差也控制着井的尺寸。也就是说，顶管线路的埋深也决定了靠车站侧的工作井的大小。

4. 顶进施工中采取的措施

(1) 减阻泥浆的应用是减少顶进阻力的重要措施。顶进中，通过机头和混凝土管节上预留的注浆孔，向管道外壁压入一定量的减阻泥浆，在管道外围形成一个泥浆套，减小管节外壁和土层间的摩阻力，从而减小顶进时的顶力。为了保证压浆效果，顶管机头顶部设有压浆孔，以减少机头背土。紧跟机头后面的管节布有压浆孔，四周均布，处于同一截面，在顶进时应及时压注触变泥浆，充填顶进时所形成的建筑空隙，在管节四周形成一泥浆套，减少顶进阻力和地表沉降。压浆时必须遵循“先压后顶、随顶随压、及时补浆”的原则。施工中还需根据土质情况、顶进状况及地面沉降的要求等做适当的调整。

(2) 在顶管工作井侧墙进、出洞口处预埋特殊钢环，由于钢环洞圈与管节间存在着空隙，在顶管出洞及正常顶进过程中极易出现外部土体涌入始发井

内的严重质量安全事故。为防止此类事故发生，施工前在洞圈上安装帘布橡胶板密封洞圈，橡胶板采用12mm 厚钢压板作靠山，压板的螺栓孔采用腰子孔形式，以利于顶进过程中可随管节位置的变动而随时调节，保证帘布橡胶板的密封性能。帘布橡胶板在顶管管节的弧线段应按实际形状特别加工为扇形，确保弧线段的密闭防水功能。

二、设计中的重点及难点问题回顾

下面我们将在浦电路、龙阳路过街顶管出入口的设计过程中重点考虑过的问题回顾，为今后类似的工程提供一些参考：

1. 浦电路顶管始发井位置的确定问题

在设计中首先需确定顶管工作井设置在车站一侧还是东方路对面的场地内。从对车站安全角度出发，不宜将出发井设在车站侧，应将出发井设在对面侧，并对井后做土体加固以解决顶管推进的后座力最为妥当。但若采用从车站对面一侧出发的方案，此侧的井深必须增加，因为若保持井深不变，则需采用顶管按下坡方式推进下穿路中Φ1200污水管，会加大顶管机头出洞“磕头”的风险；若加深工作井，会导致此侧出地面的出入口爬升的平面长度加长，突破场地范围及道路红线，无法实施。因此，在通盘权衡下我们采用了从车站一侧工作井出发顶进的方案，此情况下顶管顶进的反推力对车站主体结构会产生何种不利的影响是保证方案可行的最重要环节，经过力学计算分析后发现，适当加深工作井的深度，让工作井的底板板面低于车站底板结构下约0.5m ，利用车站的底板和中板作为顶管机顶推力支承梁的支撑点，既可保证后座力又对车站的影响减至最小。施工过程中的监测数据表明，效果令人满意。

2. 矩形顶管管节设计

从工程成本考虑，管节以采用预制钢筋混凝土结构为好，根据管壁所受工作荷载和顶进时的施工荷载两种工况进行计算，确定两通道管节均采用厚度500mm

的钢筋混凝土结构，管壁混凝土标号

浦电路管节结构图图5 两通道管节结构图

C40，抗渗等级为0.8Mpa 。顶进施工过程中管壁未发生受压破坏，表明选用C40混凝土可满足要求。由于通道长度短、坡度也较缓，顶管配筋计算按荷载及地质条件选取埋深最深，最不利工况进行计算(一般要求顶管段覆土厚度应大于顶管长边尺寸)。

单节管节的长度越长可使通道内的接缝越少，漏水环节少，提高通道的纵向刚度，加快施工进度。但管节长度主要受到运输条件及起吊设备的，根据目前国内的运输及起吊技术能力，确定了每节混凝土管节长度为1.5m 。

3. 顶管线路的最大纵坡问题

对于顶管工艺而言，线路纵向最好采用水平或沿顶进方向坡度较小的上坡为宜，上坡的坡度过大，推进中易产生“背土”现象发生。在浦电路车站的设计中，为保证车站对面出入口不突破地面道路红线，加大了上坡的坡度， 采用3%的上坡坡度，在实际顶进过程中的数据表明，3%的上坡坡度是可行的。但从使用功能、顶管工艺等方面因素考虑，如无特别原因不宜突破此值。

三、经验总结

1. 顶管管节的接缝处防水的处理

对矩形顶管来说，管节间的防水是非常重要的一个环节，两台顶管机由两家公司开发，其顶进工艺、管节尺寸等不尽相同，但在管节的防水设计时采用了基本相同方案，管节接头均采“F ”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。如图6所示：

根据实际推进完成后的效果来看，两条顶管的接缝都存在一定情况的漏水。分析漏水的原因，我们认为主要原因有以下几点：

(1) 顶进完成后随着后坐力撤除，管节反弹引发的漏水：在设计中我们已经估计到顶管完成后随着后坐力的撤除，顶管管节可能会有一定幅度的回弹现象发生，加大了管节间的缝隙，从而导致漏水。所以在设计文件中特别提出，在顶进完成后，后坐力撤除之前，将通道管节的起始4节管节和结束的4节管节分别用型钢拉结成整体，防止管节反弹。但从实际效果来看，这个措施还不够，应将整个管节沿线路纵向全部拉结为宜，拉结可利用管节内壁的本身预留的预埋件，采用角钢或槽钢将管节连接起来，这样应可有效的阻止管节的回弹引起的漏水。

(2) 管节接缝处的防水处理：接缝处防水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，在顶管顶进过程中，F 型的承插钢板就位时有可能破坏锯齿形橡胶止水圈，或者橡胶止水圈与钢板的间隙的控制过大，都有可能直接影响防水的效果。怎样解决这个问题，我们认为在顶管管节回弹完成后若能将“F ”型钢板和锯齿形橡胶及顶管管壁间的空隙采用环氧树脂、聚氨酯等防水材料注入，将会有效的降低接缝的漏水问题。因此我们在最新的顶管设计中将考虑预留向此缝隙注浆的通道，通道可设置在顶管管节的接头处混凝土内，也可设置在顶管管节之间的软木垫中。

(3)

顶管通道作为拼接的结构，管节之间的漏水

“F

”型承插接口示意图

齿形橡胶止水圈

图6 管节接缝防水示意图

2. 车站站厅层设置工作井的可行性分析

在随后的车站方案设计中，均曾有人提出过是否可以在车站主体结构内预留顶管工作井，因为这样可最大限度的减少对路面交通及地下管线的影响。对此问题我们认为：若在车站内预留顶管工作井，则要控制顶管通道底面标高与车站的站厅层标高基本接近。而顶管标高由顶管穿越范围内路下标高最低的管线控制(低于其1.0m以上)。对于标准的地下二层车站，由于站厅层与顶管标高差别很大，难以实施。但对于地下三层车站或埋置深度很深的地下二层车站，还是存在在车站内设置顶管工作井的可能性。

四、结语

随着地铁建设的高速发展，车站设置顶管过街出入口的情况越来越多，目前上海轨道交通7号线、8号线、10号线、11号线等各条线路均有采用顶管方案的过街出入口，可以肯定，顶管法在地铁建设中将会有更大的发展空间。

近期的发展的方向：首先，在目前的顶管机头尺寸条件下，尽可能挖掘潜力，减小管节的壁厚，减小腋角高度，从而增大内部净空，我们已进行了这方面工作开展。其次，配合新型的矩形顶管机的研制，设计更大断面的顶管，将顶管通道的内部净宽度进一步放大，使过街出入口通行功能得到更大的提高。

远期，根据世界上最先进的顶管工艺来看，采用更大截面的顶管、拼装管节、和浅覆土条件下的顶进将是顶管工艺的的发展方向。

参考文献

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注：本文曾发表在《土工基础》2008年8月第22卷第4期上。