地铁过街通道下穿建构筑物方案分析成朋健

地铁过街通道下穿建构筑物方案分析成朋健
发布时间：2023-05-10T11:51:57.921Z 来源：《工程建设标准化》2023年5期作者：成朋健[导读] 结根据地铁附属过街通道周边环境条件，从施工工法、施工工序、平面位置、风险源、加固措施、三维数值分析及动态监测、工程造价等方面，阐述地铁附属过街通道方案比选过程,并介绍了附属通道方案最终落地需要考虑的思路，通过现场监测结果及现场实施情况，论证方案的合理性。

成都畅达通检测技术股份有限公司四川成都 610095
摘要：结根据地铁附属过街通道周边环境条件，从施工工法、施工工序、平面位置、风险源、加固措施、三维数值分析及动态监测、工程造价等方面，阐述地铁附属过街通道方案比选过程,并介绍了附属通道方案最终落地需要考虑的思路，通过现场监测结果及现场实施情况，论证方案的合理性。

关键词：过街通道,矩形顶管，暗挖工法，深埋大直径雨污水管，侧穿挡墙桩基。

引言：对于地铁车站超长过街通道设计平面位置及工法选取一致是地铁设计的一个难点，方案最终落地除需考虑内部功能需求，满足相关设计标准，还需考虑外部地下建构筑物及管线、地面场地可实施条件等，同时还要从方案合理性、安全风险、工程造价等多方面综合考虑，这是对一名工程设计师综合素质能力的考验。

1 工程概况
车站位于南三环路与经天西路（规划）交叉口的南侧，车站沿南三环路南侧呈东西向布置，位于南三环路南侧绿化带内。

车站为地下两层车站。

车站总长302.74m（左线270.9m），标准段车站基坑深约19.3m，宽度20.9m，北侧附属本站A出入口标准段宽度10.7m，顶板覆土约7.0m；C出入口标准段车站宽度8.1m，顶板覆土约6.85m，紧贴车站北侧墙设置，与B号出入口连通；B出入口为过三环路T形出入口，通道过三环路后分为B1、B2出入口，B1出入口设置于南三环路北侧与经天西路东侧的绿地内，出入口开口朝北；B2出入口设置于南三环路北侧与经天西路西侧的绿地内，出入口开口朝西；2号安全出口设置于南三环过街通道内，位于南三环路南侧绿地紧挨道路红线设置。

3号安全出口设置于三环路过街通道内，位于南三环路中央绿化带；4号安全口设置于B出入口通道内，设于南三环路北侧公园绿地。

图1 项目位置示意图
2 邻近建、构筑物及管线情况
过街通道主要下穿的管线有 220KV 电力隧道（竖向净距约3.9m)、DN529高压燃气管道顶埋深约1.6m（竖向净距约9.4m)，距离2号安全口约5m；DN800/DN1800 给水管（竖向净距约 8.9m)、2.6m×2.6m/2.0m×2.3m雨水箱涵（竖向净距约 1.5m)、2 根 DN1000 污水管（竖向净距约2.0m），北侧管底标高496.66m，南侧管底标高496.56m；车站北侧10kV800×800电力管块(埋深约1.0m)，距离2号安全口外侧墙约0.83m。

3号安全两侧为三环路引桥段，采用L型挡墙支护，后续物探资料表明在3号安全口基坑范围内有承台桩基，并且邻居老旧废弃雨水箱涵。

3 场地条件
受主体站位与主干道位置限制，以及220kV电力管廊、DN529高压燃气管等控制性管线影响，过街通道南侧段附属只能紧靠车站主体设置，2号安全口、B号出入口南端附属均可采用明挖法施工；由于三环路为主干道无法占用道路围挡，B号出入口过街通道必然无法采用明挖法施工，同时受2根DN1000污水管(埋深约10.4m)和2根2000x2300mm雨水管（埋深约10m）影响，B号出入口需加大埋深，下穿避让管线，从而导致北侧所有与B号出入口相连通的附属埋深均大于19m；为满足疏散要求，3号安全口通道内净宽需要做到4m，考虑结构外轮廓宽需要5.2m，路中绿化带的挡墙之间净距只有6.7m，无法满足明挖法围护桩施工。

4 水文地质条件
隧道工程的设计主要是完成“两大斗争”：一个是与围岩“斗”，另一个是约地下水“斗”，因此认识地下水对隧道施工的影响和做好防排水措施至关重要[1]。

3.1场地条件
场地地貌单元为岷江水系冲积平原Ⅲ级阶地，地势平坦，起伏小，地形地貌条件简单，车站范围内整体北西低南东地面高程为503.46～508.33m，相对高差约5m，场地整体起伏较小。

属成都市锦江区柳江街道管辖。

3.2 水文地质地层条件
岩土组成主要为<1-2>杂填土、<4-1-3>黏土（硬塑）、<4-2-3>黏土夹卵石（硬塑）、<5-1-1>全风化泥岩、<5-1-2>强风化泥岩等组成。

场地地下水主要有两种类型：一是赋存于黏土层及人工填土层中的上层滞水，二是基岩裂隙水。

地下水对混凝土结构具有微腐蚀性；在A类条件下，地下水对混凝土结构具有微腐蚀性；地下水对钢筋混凝土结构中的钢筋具有微腐蚀性，强、中风化基岩裂隙水按弱腐蚀性考虑。

本车站地面标高503.46～508.33m，地下水埋深5.6～8.6m，稳定地下标高496.36~501.75m。

3.3不良地质及特殊岩土
场区范围揭露的特殊性岩土主要为人工填土、膨胀土、膨胀岩、石膏。

图2 过街通道地质纵断面图
4 附属结构形式
4.1主要支护结构
B号出入口及2、3、4安全出口及过街通道基底持力层主要位于强风化泥岩层<5-1-2>（承载力特征值fak=300kPa），所需最大地基承载力值为197kPa小于修正后地基承载力，地基承载力满足要求。

综合以上因素考虑，B号出入口及2、3、4安全出口可采用明挖法施工，支护结构采用旋挖桩+内支撑，其中过街通道南侧附属采用φ1000mm@1800mm，2号安全口旋挖桩φ800mm@1200mm,北侧B号出入口及4号安全出口采用桩桩径φ1000mm@2000mm；标准段竖向设置2~3道钢支撑支撑，提升段考虑临时换撑；3号安全出口不具备围护桩设置条件，采用倒挂井壁明挖施工，井壁竖向断面采用胶囊型，支护形式采用格栅钢架初支+内支撑，竖井初期支护结构厚400mm，二次衬砌为600mm；连接通道采用矿山法施工，为直墙矩形断面形式，采用台阶法施工，初期支护结构厚300mm，二次衬砌为500mm，初期支护由喷混凝土、锚管、钢筋网、格栅钢架等支护型式组合形成，出入口的初期支护与二次衬砌间敷设柔性防水层，形成复合式衬砌结构。

B出口及4安全口支护结构采用旋挖桩+内支撑，旋挖桩桩径1000mm，桩间距采用2000mm，局部1800mm；标准段竖向设置2~3道钢支撑支撑，提升段考虑临时换撑；基坑垫层厚200mm（含防水层）。

4.2过街通道工法对比分析
4.2.1初步方案（矩形顶管法）
三环路主干道上管线众多，且埋深较深，过街通道正上方有老雨水箱涵，拟采用顶管法施工。

顶管法是一种类似于盾构法的地下工程非开挖管道铺设方法。

该方法的实质就是所用顶进的管道在主顶工作站的作用下，由始发井始发，顶进至目标工作井。

顶管法分土压平衡、泥水平衡、气压平衡三种类别，本工程过街通道处于黏土层、黏土夹卵石层、强风化泥岩层，含水率较小，选用土压平衡顶管法。

本项目拟选用一台7900*5400顶管设备，设备自重205T，最大部件重量67T(前壳体上)。

主要组成部分为：大小刀盘、驱动设备、机壳、排土设备、导轨和反力架、千斤顶和后靠背。

图3 矩形顶管设备
矩形顶管机由前后组合六个刀盘组成，其中前置刀盘直径3200mm，后置刀盘3000mm。

矩形顶管刀盘切削率为91.4%，存在8.6%的盲区无法切削。

矩形顶管适用于软土、硬土、黏土、砾石土、砂土等普通土，在中风化泥岩地层中无法正常顶进。

北侧附属围挡面积小，顶管始发场内需设置一台260t履带吊，用于顶管机的拼装和顶管管节的吊运。

场内设置七块管节的临时堆放区，现场不具备管节预制条件。

顶管井围护结构及三重管旋喷桩加固区施工需占用三环路北侧非机动车道及部分辅路，需进行交通疏解和管线探挖。

后续现场3号安全口施工过程中，挖探出三环路挡墙下有承台及桩基，再结合收集的物探资料中桩基长度，初步判定地下桩基与过街通
道冲突。

图4 过街通道地质纵断面图
三环路挡墙下桩基直径为1400mm，为摩擦端承桩，主通道受两侧主体预留条件限制，无法调整平面位置以及埋深，因此顶管方案无法
实施。

图5 过街通道地质纵断面图
4.2.1实施方案（矿山法）
针对顶管法施工存在的诸多风险，结合实际揭示的水文地质情况，考虑采用矿山法进行过街通道施工。

过街通道采用V型坡，最低点设在3号安全口，因雨污水管埋深较深，考虑雨污水管资料误差及管棚施工距离，工法调整后隧道顶距污水管最近距离按约2.0米控制，过街通道需整体加深，坡度由0.5%调整为2%，对应其他附属均需调整，其中3号安全口需加深2.36m， B1出入口及4号安全口加深1.8m，通道主体接口部位加深1.44m，2号安全口加深1.54m，加深后，相应B1号出入口长度增加约3.12m。

过街通道由2号安全口和B出入口两头向中间开挖，其中2号安全口先期施工，由2号安全口隧道向主体方向施打13.4m管棚，向B出口方向施打管棚至超出污水管3m范围；B号出入口同期施工，由B号出入口往车站主体方向进行隧道施工，先期施打15m大管棚。

暗挖通道由三环路北侧绿化带内始发，至车站主体负二层接收。

过街通道拱顶埋深 11-12m，内净空宽 6.5m、高 5.05m，初支厚0.3m、
二衬厚 0.6m。

图7 过街通道地质纵断面图矿山法采用中隔墙开挖法（CD法），工法先分布开挖隧道一侧，并施作临时中隔墙，当西安开挖一侧超前段距离后，在分布开挖隧道另一侧的开挖工法[2]。

将隧道分为左右两大部分进行开挖，先在隧道一侧采用台阶法自上而下分层开挖，待该侧初期支护完成，且喷射混凝土达到设计强度70%以上时再分层开挖隧道的另一侧，其分部次数及支护形式与先开挖的一侧相同。

主要施工流程：施工148大管棚→施工超前小导管→隧道分左右、上下台阶开挖→初期支护、临时中隔壁支撑施工→防水施工→衬砌施
工。

图6 过街通道地质纵断面图4.3监控量测
1、拱顶沉降、净空收敛测点与地表沉降测点应对应布置。

2、地表沉降（累计）控制值30mm、横向沉降坡度控制值1% ，地表沉降平均（最大）速率控制值2mm/d（5mm/d）；水平收敛控制值20mm，平均（最大）速率控制值1mm/d（3mm/d）；拱顶沉降控制值30mm，平均（最大）速率控制值2mm/d（5mm/d）。

3、对于管线沉降监测要求如下：在地下管线沉降测点设置前，应对施工影响范围内的雨水管、污水管、中压天然气管进行实地调查。

其中特别应了解雨水管、污水管的接头和渗漏状况和结构、材料情况。

地下管线测点重点布置在有压管线上，如受对抗变形能力差、易于渗漏和年久失修的雨污水管也应重点监测。

测点布置在管线接头处，或对位移变化敏感的部位。

同时，管线测点宜直接布置在管线上。

4、地下管线控制指标参考值：有压管线沉降控制值10mm，雨水管、污水管沉降控制值20mm。

若与管线单位要求有冲突时，以管线单位要求为准。

5、监测应随开挖连续进行，监测数据超出预警值时，应及时通知业主、监理及设计等有关单位，并适当加强支护，必要时立即停止掘进，待妥善处理后再进行下一步施工。

5风险源计算分析
5.1风险概况分析
3号安全出口竖井采用倒挂井壁明挖施工，井壁竖向断面采用胶囊型，顶部局部外扩，两侧临近三环路挡墙及桩基，基坑标准断面长10m，宽6.7m，基坑深度约20m，局部集水坑加深3.2m，三环路过街通道采用矿山法施工，标准段通道净高4.65m,净宽6.5m,顶板覆土约13.75m，隧道纵向长度约110.55m，采用V形坡，坡度为2%,隧道上方管线众多，地层依次分布有<1-2>杂填土、<4-1-3>黏土（硬塑）、<4-2-3>黏土夹卵石（硬塑）、<5-1-1>全风化泥岩、<5-1-2>强风化泥岩，竖井基坑开挖较深，施工过程中存在支护结构变形、地面沉降超限，周边建构筑物沉降变形过大，基坑坍塌、坑底突涌、坑底隆起、地下结构上浮等风险。

暗挖隧道主要位于<5-1-2>强风化泥岩；暗挖隧道开挖较深，施工过程中存在初支变形过大、地面沉降超限，周边建构筑物沉降变形过大，隧道坍塌、突涌、坑底隆起、地下结构上浮等风险。

5.2 三维数值分析检算
5.2.1 建模思路
3号安全口竖井、三环路过街通道施工阶段受力变形分析，采用“地层--结构模型”进行受力及变形分析，地层及加固模型采用3D单元，采用摩尔库伦材料，初支网喷采用2D面单元，格栅钢架及横撑采用1D单元
5.2.2计算结果
1）挡墙验算及3号安全口竖井施工影响分析
图8 过竖井初支施工阶段地面沉降云图（mm）
图9 竖井初支施工阶段基坑及挡墙水平位移云图（mm）
2）暗挖三环路过街通道下穿三环路挡墙桩基及箱涵影响分析
图10 暗挖通道施工阶段竖向位移云图（mm）
5.3.3分析结果
通过在施工阶段模型计算，对地面沉降、三环路挡墙承台、桩基验算结果如下：
1、竖井施工影响分析：
1）地面最大沉降约4.5mm<30mm（控制值）；2）挡墙承台最大沉降约5.6mm ，最大水平位移约0.68mm ，挡墙倾斜1/10000；3）桩底最大竖向位移0.3mm ，最大水平位移1.8mm ；2、暗挖通道下穿老箱涵以及承台桩基分析：
1)地面最大沉降约5.3mm<30mm（控制值）；
2)挡墙承台最大沉降约5.2mm ；
3)桩底最大竖向位移0.28mm ，最大水平位移2.3mm。

综上所述，3号安全口竖井施工、暗挖下穿老箱涵以及承台桩基时，地面、承台及桩基沉降及变形均在安全范围之内，均满足原设计要求。

6结语
地铁车站超长过街通道设计平面位置及工法选取需要考虑地层条件、地下建构筑、场地实施条件、工法自身的优缺点多角度考虑。

顶管工法下穿建构筑物时，地面及建构筑沉降变形较小，相对较安全，但是对场地要求较大，单个顶管通道造价较高，以及底层条件以及穿越建构筑物也有特殊需求，如需桩基洞内拖换，顶管工法就无法满足；采用矿山法施工，安全风险虽然相对大一些，对于本项目覆土埋深，地下水及地层条件，均在可控范围内，而且对于洞内对三环路挡墙桩基拖换也能实施，现场暗挖通道最终顺利实施，本案例为相似车站附属过街通道施工法方案选取提供一个借鉴思路。

参考文献：
[1]赵勇.隧道设计理论与方法[M].北京：人民交通出版社股份有限公司,2019.1
[2]杨会军.浅埋暗挖隧道穿越既有线施工技术[M].北京：人民交通出版社股份有限公司,2019.11.
作者简介：成朋健(1988-)，男，汉族，四川成都，本科，土木工程师，从事地下工程与隧道工程设计工作。