矩形顶管地铁车站同侧始发安全控制技术研究.pdf

第41 卷第1 0 期2023年1 0 月文章编号：1 0 0 9-7 7 6 7（2 0 2 3）1 0-0 2 0 3-0 7Vol.41,No.10Journal of Municipal Technology0ct.2023D0I:10.19922/j.1009-7767.2023.10.203矩形顶管地铁车站同侧始发安全控制技术研究韩瑞林，孟毅欣*，宋寿忠(北京市政建设集团有限责任公司，北京1 0 0 0 8 9)摘要：为保证矩形顶管在地铁车站同侧顺利始发，结合其狭小空间和异形后靠背的结构特点，以北京地铁昌平南延线上清桥站出入口矩形顶管施工为背景，通过数值模拟预测分析和实际工程控制措施总结，得到了完善的矩形顶管始发安全控制技术：钻孔灌注桩加钢支撑施工措施保证了始发井的结构稳定；后靠背浇筑混凝土填平后安装钢后靠，洞门土体加固以及导轨和止水钢环的安装等技术措施控制了施工安全风险，确保了矩形顶管的顺利始发。相关技术可为北京地区同类工程提供参考。关键词：地铁；矩形顶管；车站同侧始发；异形工作井；始发安全；土体加固中图分类号：U455.47Researchon Safety Control Technology of Starting from theSame Side at Rectangular Pipe Jacking Metro StationHan Ruilin,Meng Yixin*,Song Shouzhong(Beijing Municipal Construction Group Co.,Ltd.,Beijing 100089,China)Abstract:In order to ensure the smooth launch of the rectangular pipe jacking at the same side of the subway sta-tion,combined with its narrow space and the structural characteristics of the special-shaped backrest,the rectan-gular pipe jacking construction at the entrance and exit of Shangqingqiao Station of Beijing Changping South Exten-sion Line was taken as the background.By numerical simulation predictive analysis and summary of actual engi-neering control measures,a perfect starting safety control technology of rectangular pipe jacking was obtained,namely the construction measures of bored pile and steel support,which ensured the structural stability of the launchshaft;Technical measures,such as the installation of steel backrest after back backrest filling with concrete,soilreinforcement of the cave door and installation of guide rails and water-stop steel rings,control construction safetyrisks and ensure the smooth launch of rectangular pipe jacking.Relevant technologies can provide reference for sim-ilar projects in Beijing.Key words:subway;rectangular pipe jacking;departs at the same side of the station;abnormal working well;de-parture safety;soil reinforcement文献标志码：A地铁作为城市主要的公共交通方式，极大地缓解了地面交通压力。随着交通需求的不断增加，地铁里程也在快速增长，同时地铁车站及其附属结构的修建方式也越来越多样。矩形顶管法因具有施工效率高、空间利用率高等优点，被广泛应用于地铁车站附属结构以及过街通道的施工中。矩形顶管始发收稿日期：2 0 2 3-0 5-0 8作者简介：韩瑞林，男，助理工程师，学士，主要从事隧道与地下工程施工技术管理工作。通讯作者：孟毅欣，男，助理工程师，硕士，主要从事隧道与地下工程施工技术研究工作。引文格式：韩瑞林，孟毅欣，宋寿忠.矩形顶管地铁车站同侧始发安全控制技术研究 .市政技术，2 0 2 3，41（1 0)：2 0 3-2 0 9.（HANRL，ME N G Y X，SONG S Z.Research on safety control technology of starting from the same side at rectangular pipe jacking metro station JJ.Journal of municipaltechnology,2023,41(10):203-209.)市放技术204Journal of Municipal Technology井的空间和位置选择极为重要，且对应的始发安全控制技术决定了矩形顶管施工是否顺利。国内外学者通过理论分析、数值模拟和监控量测等手段对矩形顶管始发的风险控制技术进行了广泛研究。黄章君等叫通过建立数值模型分析了顶管始发顶推力荷载对始发井结构以及周围土体的影响，探究了不同加载深度、加固工况对土体水平位移的影响规律。郭昊 2 提出了大断面顶管施工的始发和接收关键技术。王彬等 3 采用改进的层次分析法建立了大断面矩形顶管风险层次结构模型，可有效识别风险并将风险水平进行排序，以便快速实施控制手段。海涵等 4 采用SAP2000计算软件，计算分析了电力顶管隧道进出洞对工作井结构受力的影响，得出了不同工艺井侧壁开洞前后的内力变化规律，并提出了相应的井体结构优化设计建议。刘增胜等 5 基于实际工程始发井基坑的支护体系，提出了采用灌注排桩围护和钢支撑的支护体系，且采用悬挂式止水惟幕加坑底注浆隔断后坑内集水明排的地下水控制方案，有效控制了基坑变形和地下水引发的风险。丁猛猛 6 以海南省海口市美兰机场二期扩建场外排水工程为背景，利用数值模拟和现场监测相结合的方法分析了顶管始发井开挖过程中地表沉降、围护结构变形和内支撑轴力变化趋势。李俊玲 7 以杭州地铁1 6 号线中泰站过街通道工程为依托，介绍了地铁车站侧接收的顶管施工技术要点，总结了地铁车第41 卷站附属结构中顶管始发和接收的方案选择。上述研究对于矩形顶管始发的结构安全控制研究成果较为丰富，但是对地铁车站侧始发井、异形工作井始发的安全控制研究较少，且缺乏相应的成套控制技术。因此，笔者以北京地铁昌平南延线上清桥站出入口矩形顶管施工为背景，针对地铁车站同侧异形工作井始发端超近接下穿直径为1 5 5 0 mm的污水管道施工安全风险大的特点，通过数值模拟预测，并结合矩形顶管始发安全控制措施，总结得到异形后靠背始发、大断面矩形顶管超近接下穿污水管道的风险控制技术，可为北京地区类似地铁车站同侧始发的矩形顶管工程提供借鉴。1工程简介1.1工程概况北京地铁昌平南延线上清桥站位于京藏高速清河北收费站西侧，车站东侧B出人口下穿京藏高速主、辅路以及沿线污水、上水、雨水、燃气等管道。B出人口通道采用矩形顶管法进行施工，该工程始发井位于车站结构一侧，车站主体结构在顶管施工前已经完工，始发井距离车站主体结构外壁约为5.5m,中间的原状土体可以对顶推力起到一定的缓冲作用。B出人口通道总长度约为9 9.7 m，覆土深度约为1 1.8 m。始发井到接收井区间坡度为0.7%。地铁车站出人口矩形顶管施工示意如图1 所示。接收井B2出人口WL66辅路O0500燃气管200水管O01800雨水管01550污水管主路辅路02000雨水2B1出人口始发井a)平面图图1 地铁车站出人口矩形顶管施工示意图(m)Fig.1 Construction schematic drawing矩形顶管始发井采用明挖法施工，为双层单跨矩形框架结构，因受地层空间和陈展机构空间的限制，导致始发井形状不规则，净尺寸约为1 3.5 9 mx14.67mx11.69mx11.00m,后靠背墙体与洞口墙体不始发平行,顶板覆土厚度约为3.0 m，侧墙厚度为0.7 m,顶板厚度为0.8 m,中板厚度为0.4m,底板厚度为0.9m。基坑深度为1 8.0 2 m，局部集水坑加深处坑底标高为27.185m,基坑深度达1 8.96 m。顶进长度99.7 mb)断面图接收井第1 0 期1.2地质概况矩形顶管始发井所在地层主要为杂填土层、中粗砂层粉质黏土层和黏质粉土砂质粉土层，硬可塑，中等压缩性，干强度较高，物理力学性质较好。各地层物理力学指标见表1。表1 地层物理力学指标Tab.1 Physical and mechanical indicators of the stratum含水量/重度/黏聚力/摩擦角/地层%杂填土层13中粗砂层16粉质黏土层12黏质粉土砂质粉土层281.3顶管机介绍在深人研究京藏高速主路岩土工程勘察报告、设计图纸、隧道施工条件、环境条件和现场调查情况的基础上，参考国内外已有顶管工程实例以及相关的顶管技术规范，按照安全性、可靠性、适用性、先进性、经济性相统一的原则进行顶管机以及其他设备的选型，最终选取了土压平衡矩形顶管机，其刀盘断面尺寸为6 940 mmx4940mm，机头采用6 个切削式刀盘，通过6 组马达驱动刀盘进行切削，并配备2个螺旋出土机进行取土，通过控制顶管机的顶进速度以及螺旋出土机排土量来平衡正面土压力，以减少对地面的影响。顶管机实物如图2 所示。1.4地铁车站同侧异形工作井始发特点由于该工程具有特殊施工环境以及复杂空间位置，矩形顶管始发井需要设置于车站同侧。为保证矩形顶管顺利始发以及主体结构的安全，需要对始发井周边土体进行加固，采用洞内深孔注浆加固，浆液为水泥浆；加固范围为矩形顶管通道顶部上方3 m至通道底部下方3 m，以提高土体的强度。同时，由于矩形顶管始发井形状不规则，后靠背井壁与洞口井壁不平行，矩形顶管施工的传力机制必然十分复杂，且巨大的顶力会对始发井结构造成安全威胁，因此需要对始发井的后靠背墙体进行加固填平，使洞口壁和后靠背墙壁保持平行，以确保矩形顶管顺利始发以及后续顶进。2矩形顶管始发井变形计算2.1有限元模型建立笔者采用Midas-GTS软件建立矩形顶管始发井有限元模型，模型尺寸为6 0 mx60mx26m,选用韩瑞林等：矩形顶管地铁车站同侧始发安全控制技术研究(kN/m)kPa19.0820.2020.62920.017205（）20251728a)顶管机刀盘b)顶管机机头图2 顶管机实物图Fig.2 The pipe jacking machine摩尔-库伦屈服准则的弹塑性模型来模拟岩土材料特性。矩形顶管始发井后靠背墙体填平加固后呈梯形，最厚处约为2.4m。模型上边界取为地面，下边界取为矩形顶管始发井地板下2 Bi(BI为矩形顶管隧道的高度），地面横向和纵向均取隧道中线两侧各3H（H 为基坑深度）。矩形顶管始发井有限元模型尺寸和网格划分如图3 所示。2.2矩形顶管始发井受力及变形分析该模型简化了矩形顶管的掘进过程，通过改变矩形顶管始发井后靠背墙体的荷载来模拟不同掘进长度下顶推力对始发井的影响，为了提高分析和计算精度，矩形顶管始发井模型网格划分比较密集。模拟时将1 0 个千斤顶的顶推力均匀分布在矩形顶管始发井后靠背墙体的两侧，即矩形顶管始发顶进第1 节管节的顶推力为40 0 0 kN,顶进结束至第6 7 节管节的顶推力为2 8 0 0 0 kN。矩形顶管顶进时始发井后靠背井壁水平位移云图如图4所示。从图4可以看出，矩形顶管顶进第1 节管节时，始发井后靠背井壁水平位移随着深度的增加而增206图3 矩形顶管始发井有限元模型尺寸和网格划分图Fig.3 The fine element size mesh of the starting well大，在施加顶推力的位置区域变形最大，但无较大突变且位移较为接近,约为1.5 mm；矩形顶管顶进第6 7 节管节时，始发井后靠背井壁水平位移继续增大,其中上部和中部的位移较为接近,约为1 9mm。因此，在实际工程中需要对矩形顶管始发井后靠背区域的壁后土体进行注浆加固，以提升土体抗力，从而约束始发井的变形 8-1 0 Journal of Municipal Technology3400S90810082106S8第41 卷NoX:-6.40-004DISPLACENENT-7.18312e-0050.0K2.05846e-0040.1X-3.39860-0040.0%4.73875e-0042.5-6,07889e-00413.3-7.419040-00415.03-8.75919e-00412.18-1.00993e-0037.3X-1.14395e003Xi:-164-0038.6-1.27796e-0038.7-1.41198e00315.05-1.54599e-00317.1-1.68001e003a)第1 节管节Xin:-1.99e-002a)始发井纵剖面图1100014.670b)始发井平面尺寸c)模型网格划分图DISPLACENENTTXR4.68629e-0030.1%6.05534e-0030.18%7.424390030.6%-8.79344-00314.2%1.01625e-00214.0%-1.15315e-0029.3%1.29006e-00211.2069-1.42696e-00212.881.56387e002二12.1%-1.7007Te-0028.2%-1.83768e00212.1#-1.97458e-0025.2-2,11149e-002ax：-1.0 46 0 0 2b）第6 7 节管节图4矩形顶管顶进时始发井后靠背井壁水平位移云图Fig.4 Cloud chart of horizontal displacement of the well bodyduring the pushing process由上述数值模拟结果可知，矩形顶管顶进会导致未加固的始发井结构及其周边土体发生较大位移，从而产生安全隐患，同时由于矩形顶管始发井位于车站同侧，较大的土体变形会延伸至地铁车站的主体结构上，因此需要从矩形顶管始发井结构加固和顶管机械设备的安全施工技术方面进行控制。3矩形顶管始发安全控制技术3.1矩形顶管始发井围护结构施工通过在矩形顶管始发井周边施作钻孔灌注桩以确保支挡和加固作用，同时在钻孔灌注桩间施作高压旋喷桩形成闭合的止水惟幕。矩形顶管始发井和接收井围护桩共计9 5 根，桩长为2 2.7 4m，桩径为8 0 0 mm，桩间距为1 1 0 0 mm。围护桩使用旋挖钻机施工，泥浆护壁成孔，施工过程主要包括制笼、成孔、下笼、混凝土灌注等过程。矩形顶管始发井围护桩和钢支撑布置如图5 所示。第1 0 期图5 矩形顶管始发井围护桩和钢支撑布置图Fig.5 Layout diagram of the starting well enclosure pile and steelsupport12.935韩瑞林等：矩形顶管地铁车站同侧始发安全控制技术研究AA2QQQQQQQQQQQQQQQQQQQQ02073.2矩形顶管始发井配套设备施工3.2.1后靠背墙体加固和安装在实际施工中,采用楔形加固墙填平顶管机后45.0B45.045.0钢支撑5.0AAA（A）靠背墙体,加固墙的主筋与侧墙上预留的螺纹钢筋通过套筒连接，然后浇筑加固墙，以保证矩形顶管。0 S t始发井结构的整体性和传力的稳定性。顶管机后靠背墙体填平如图6 所示。为保证顶管机顶推力的均匀传递，钢后靠根据QQQQQQ实际顶进轴线放样进行安装。钢后靠与始发井内楔形加固墙之间贴合安装，在楔形加固墙两侧预埋钢板，将后安装的钢后靠与楔形加固墙两侧的预埋钢板矩形顶管通道轴线3钢筋混凝土填充a)平面图Fig.6 Schematic diagram of the back wall of the pipe jacking machine进行焊接，钢后靠与楔形加固墙的间隙采用混凝土填充，使得钢后靠、楔形加固墙、结构侧墙形成一个整体，以确保在顶管施工过程中为主顶油缸提供足够的b）实物图图6 顶管机后靠背墙体填平示意图反力。钢后靠的安装高程偏差应不超过5 0 mm,水平偏差应不超过5 0 mm，垂直度偏差不应超过0.1%H(H为后靠背墙体垂直高度）。钢后靠安装如图7 所示。a)平面图3.2.2矩形顶管始发井端头加固矩形顶管始发井端头加固长度为8.0 m、宽度为b)安装图图7 钢后靠安装示意图Fig.7 Installation diagram of steel backrest12.9m,竖向加固范围为通道顶部上方5.0 m至通道底部下方3.0 m；后靠背墙体外侧土体加固长度为市放技术208Journal of Municipal Technology5.9m、宽度为1 1.0 m,竖向加固范围为通道顶部上方5.0m至通道底部下方4.5 m。始发洞门和接收洞门附近的土体采用0 8 0 0 5 5 0 mm三重管高压旋喷桩加固。其中，对污水管道区域土体进行注浆加固时，注主体结构侧墙（示意）主体围护结构（示意）080055001?高乐旋喷棋OAACA006LOOSTI第41 卷浆方式采用垂直注浆加固和水平注浆加固结合，水平注浆加固的作业面为始发井洞口壁。当注浆范围距污水管道0.5 m时，停止注浆，为水泥浆液的自由扩散预留空间。矩形顶管始发井端头加固如图8 所示。8000550745001ABB0000000007B顶管顶进方向1009535059000800450高压旋喷桩Fig.8 Schematic diagram of reinforcement at the end of the starting well3.2.3洞口止水和导轨安装1)洞口止水由于矩形顶管始发井洞圈与管节间存在1 5 cm宽的建筑空隙，在顶管机出洞和正常顶进过程中极易出现外部土体、触变泥浆和黄泥涌人始发井内的严重安全事故。因此,必须在始发井和接收井的预留洞口上安装洞口止水装置，该装置安装在内衬洞口的预留法兰上，由双层帘布橡胶板与压板组成,洞口止水装置安装时应与设计管位轴线高程保持一致，误差应小于 2 0 mm。2)导轨安装在顶管机顶进过程中应保证基座不位移、不变形、不沉降,且基座上的2 根导轨必须平行、等高。导轨应与顶进轴线平行,导轨高程偏差应不超过3 mm，导轨中心水平位移应不超过3 mm。导轨选用钢台架基础铺设钢轨，基础刚度和强度满足施工要求，可保证导轨安装精度。导轨安装位置应避开刀盘旋转范围，导轨前端距离始发洞门0.5 0.7 m。导轨的安装允许偏差：轨道与轴线偏差3 mm；导轨顶面高程允许偏差0 3 mm;导轨距偏差3 mm。为防止顶管机进洞栽头，在拟合线路始发的基础上整体抬高2 0 mm。BBBAAA图8 矩形顶管始发井端头加固示意图3.3顶管机始发技术3.3.1全土压始发该工程为稳定控制土压,采取全土压始发技术，即刀盘接触到土体进入隧道密封口后便将膨润土泥浆注满整个土仓，保证初始开挖面大于7 0%的土压力达到1 0 0%，以减少对周边管道的扰动。3.3.2顶管机参数控制1)土仓压力根据施工经验以及地下水水位状况，土仓压力需在计算值基础上增加2 0 kPa，即理论土仓压力设置为0.0 8 MPa，实际土仓压力略大于理论土仓压力，最大值为0.1 3 MPa，在整个施工过程中管线变形监测和地表沉降监测数值均未超限。2)掘进速度顶管机始发端在加固区内超近接下穿污水管道,顶速较慢，始发洞口内注满泥浆，掘进速度控制在 5 1 0 mm/min。3)触变泥浆注浆压力触变泥浆可以有效减小管土摩擦力，并起到支撑土体的作用，该工程中矩形管节均匀分布1 0 个注浆孔,通过理论计算,设置注浆压力为0.2 0.3 MPa，000000800550高压旋喷桩01550污水管（示意）第1 0 期注浆量为管土空隙体积的2 3 倍。3.4控制技术效果验证顶管机始发端地表沉降变化如图9所示。20-2-4-6-8-10-12-14-16-30-20-10距轴线中心距离/m图9顶管机始发端地表沉降变化图Fig.9 Changes of surface subsidence at the originator of the pipejacking machine从图9可以看出，顶管机始发前、后始发端地表沉降发展缓慢，沉降值总体小于1 0 mm,这表明矩形顶管地铁车站同侧始发安全控制技术的效果良好。4结论1)矩形顶管始发井井体结构在顶推过程中受到巨大顶推力后会发生变形，并与周边土体变形趋势一致,水平方向最大位移接近2 0 mm,因此应在顶管施工前对始发井结构和对应土体进行加固。2为确保矩形顶管地铁车站同侧顺利始发，始发井结构采用钻孔灌注桩进行支护，且在桩间进行旋喷桩施工，以构成闭合的止水惟幕。同时,针对异形工作井，采用楔形加固墙进行填平加固，并对洞口区域土体进行注浆加固，以提高土体强度，从而提升矩形顶管始发的安全性。3)顶管机采用全土压始发施工技术，使刀盘在接触加固土体时即开始维持土压平衡，合理安装洞口止水钢环以及导轨，同时控制顶管机参数，以确保顶管机始发端超近接下穿污水管道的施工安全。参考文献1 黄章君，杨艳玲，汤东桑，等.大尺寸矩形顶管始发井反力墙数值模拟与监测 J.隧道建设（中英文）,2 0 2 0,40（7)：97 2-98 0.(HUANG ZJ,YANG Y L,TANG D S,et al.Numerical simula-tion and monitoring of reaction walls in large rectangular toppipe launching wellsJ.Tunnel construction(Chinese and Eng-韩瑞林等：矩形顶管地铁车站同侧始发安全控制技术研究机头顶进前2 m机头通过后1 0 m机头通过后2 0 m机头通过后40 m机头通过后6 5 m顶管结束控制值-1 5 mm0209lish),2020,40(7):972-980.)2 郭昊.大断面矩形顶管机始发和接收施工技术 J.地下工程与隧道,2 0 1 4(3):2 2-2 5,5 6-5 7.(GUO H.Construction technologyfor starting and receiving large section rectangular pipe jackingmachineJ.Underground engineering and tunnels,2014(3):22-25,56-57.)3 王彬，宗秋雷，徐昕，等.繁华路段地铁站出人口大断面矩形顶管施工风险评估 J.内蒙古科技大学学报，2 0 2 1,40(1)：8 5-90.(WANG B,ZONG Q L,XU X,et al.Risk assessment of largecross-section rectangular pipe jacking construction at the en-trance and exit of subway stations in bustling sectionsJJ.Journalof Inner Mongolia University of Science and Technology,2021,40(1):85-90.)4海涵，何伟,詹源，等.大直径顶管进出洞口对矩形竖井结构的受力影响研究 J.岩土工程技术，2 0 2 3,3 7(2）：1 7 4-1 8 0.（HAIH,HE W,ZHAN Y,et al.Research on the mechanical effect of102030large diameter top pipe inlet and outlet openings on rectangularvertical shaft structures JJ.Geotechnical engineering technology,2023,37(2):174-180.)5刘增胜，王焕郎，詹源，等.砂土地层顶管始发竖井深基坑支护体系选型及地下水控制 J.四川水泥,2 0 2 3(3):1 3 9-1 41.(LIUZS,WANG H L,ZHAN Y,et al.Selection of support system andgroundwater control for deep foundation 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