随着国内地铁车辆段建成数量的增多,对车辆段的改建、扩建工程也随之增加,在车辆段改扩建工程中给排水管线穿越既有轨道和道路的工程随之增多。本文以沈阳地铁2号线浑南车辆段工程新建污水管道穿越既有轨道及道路工程为例,对给排水管道穿越既有轨道及道路工程技术方案进行探讨。

　　 沈阳市地铁2号线一期工程正线全长约为22km,设一处停车场,一处车辆段。正线及停车场于2011年12月投入运营,但原设计车辆段由于征地等原因未能建成,为确保地铁检修工作正常进行,在既有停车场西侧增建定修段,以完成检修功能。通过现场实地调查及与排水部门沟通,仅既有停车场北侧安顺路有市政污水管道,故定修段污水排水管道仅能通过既有轨道和既有道路排至停车场范围内,再排至安顺路侧市政污水管道。该处过轨污水管道管径为DN400,埋深4.5m;过轨管段处于咽喉区,共通过4段股道,过轨管段长度约为33m,过既有道路长度约为8m。该工程面设计情况见图1。

　　 根据岩土工程勘察报告,过轨段土层为第四系全新浑河新扇形冲洪积层,以粉质粘土和粘土层为主。过轨处主要为粘土,颜色为灰褐色、黄褐色,状态可塑局部软塑,天然密度1.85g/cm³,天然含水量34.4%;场地10m深度范围内未实测到地下水,施工时可不考虑施工降水。

　　 过轨管段处位于既有停车场咽喉区,共设有4段股道,既有道路上敷设有通信管线(缆线,标高49.70m)、信号管线(缆线,标高49.70 m)、FAS/BAS管线(缆线,标高49.70m)、牵引变电排管(钢筋混凝土,标高48.00 m)、雨水管道(钢筋混凝土管,DN800,管底标高47.67 m)、消防管道(球墨铸铁管,DN200,管底标高49.00m)、生产生活给水管道(球墨铸铁管,DN100,管底标高49.00m)等既有管道。其中雨水管道管底标高最低为47.67 m,通信管线、FAS、BAS管线标高最低为49.70m。管线穿越既有管线情况见图2。

　　 根据既有管线平剖面及调研现场实际情况分析,发现其主要限制因素为雨水管道和牵引变电排管。电缆排管为牵引变电排管,主要为地铁车辆牵引供电,如迁改会对地铁车辆正常运营造成一定的影响,故本次设计不建议改移电缆排管。由于该处雨水管道为排往市政雨水管道的主干管,与市政雨水管接口标高已定,故新建污水管仅能从雨水管下方穿越,污水管道以重力流方式过轨及厂区道路后,经污水泵站提升排入市政排水管道。

　　 针对该地段水文地质条件及既有管线情况,可采用3种技术方案,方案分别为明挖技术方案、顶管技术方案及定向钻技术方案。

　　 明挖方案,即大开挖方案,该方案首先需对既有轨道及管线进行加固及支护,采用支护钢梁对既有轨道进行支护(详见图3),然后进行分股道进行人工开挖,由于过轨段处于咽喉区,咽喉区为车辆进出停车场的必经之处,停运较为困难,应考虑在夜间地铁停运期间进行开挖。开槽施工槽底宽度为1.0m,按1∶0.5放坡进行开槽,由于开槽较陡,为保证施工人员安全,在基坑边坡上固定钢筋网片,并喷射混凝土,从而对边坡进行支护,减少开槽宽度。一个股道开挖完成后,需立即敷设DN400球墨铸铁排水管,然后立即进行回填。依此工序进行下股道施工,过既有道路部分进行开挖时也采用人工开挖方式,并根据现场实际情况对既有管线进行支护。道路开挖时应考虑一侧开挖,另一侧用于交通疏解,一侧开挖完成后,立即敷设排水管线,回填后再进行另一侧道路开挖。

　　 采用明挖方案时,由于雨水管道采用钢筋混凝土材质,明挖施工时需对雨水管道进行临时迁改,建议对电缆排管进行悬吊保护。在非雨季时施工,可对其进行临时拆除,施工完成后立即恢复。

　　 顶管方案采用敞开式机械掘进顶管,是用顶管掘进机械成孔,然后将管道从顶进工作坑顶入以形成连续衬砌的管道的非开挖敷设技术(见图4)。

　　 顶管施工首先应对既有轨道进行支护(与明挖方案相同)。然后进行工作井和接收井的开挖,工作井和接收井可选在无既有管线处采用机械开挖,并在工作井的一侧设置圆孔作为预制管节的出口与入口,顶管出口孔壁对面侧墙为承压壁,墙上安装液压千斤顶和承压垫板。千斤顶将带有刃脚和支护开挖装置顶出工作井出口孔壁。然后以带刃脚的工具管为先导,将预制Ø1 500管节按设计轴线逐节顶入土层,直至工作井前段进入接收井的孔壁,施工结束。然后再在预制Ø1 500钢筋混凝土管节内敷设DN400球墨铸铁污水管道。球墨铸铁管敷设坡度为5‰。并在Ø1 500钢筋混凝土管节两端加设检修孔,以便检修。顶管施工时,顶进管外壁距离既有雨水管线外壁的距离不得小于1.5m。

　　 水平定向钻进是采用安装于地表的钻孔设备,以相对于地面较小的入射角钻入地层形成先导孔,然后将先导孔扩径至所需大小,并敷设管道的一项技术。定向钻施工方案如图5所示。

　　 主要挖工作坑-测量放线-设备就位安装-钻机安装调试-泥浆配置-钻导向孔-扩孔-管道回拖就位-竣工测量。

　　 首先采用机械开挖入钻点工作坑及出钻点工作坑,然后测量放线确定入钻点工作坑、出钻点工作坑及设备安装位置,然后进行设备安装;设备安装调试完成后,开始导向孔的钻进,然后更换钻头进行扩孔,达到预期孔径后,进行污水管道回拖;管道回拖就位后,进行竣工测量。

　　 施工过程中需注意对既有轨道高低、水平、轨距、轨向、扭矩等指标进行监测。

　　 水平定向钻施工采用PE管,PE管回拖时利用定向钻的直孔钻进段敷设,起点和终点分别为定向钻入钻点工作坑和出钻点工作坑,敷设PE管坡度为5‰。施工完成后入钻点工作坑和出钻点工作坑处设置检查井,以便维修。污水以重力流方式排至污水提升泵站,然后排至市政污水管道。水平定向钻施工时,扩孔与既有雨水管道的垂直距离不得小于0.5m。

　　 明挖施工主要考虑夜间在地铁停运期间进行施工,由于过轨段处于咽喉区,无备用股道,协调地铁停运较为困难,为保障运营安全,考虑在夜间施工完成,待回填完成后再进行通车运行。对运营安全存在一定影响。

　　 顶管施工是一种比较成熟的非开挖施工工法,需对既有轨道进行及时的监测,对运营安全影响较小。

　　 由于过轨土层主要为粘土和粉质粘土,定向钻施工成孔性能好,对运营安全影响较小。

　　 明挖法施工由于所处地段处于咽喉区,协调车辆停运较为困难,采用机械开挖不能确保既有管线及轨道安全,因而需采用人工开挖方式,但由于施工工期较紧,要求尽量一个晚上完成施工,且由于开挖较深,对施工人员安全存在一定的影响。

　　 顶管施工工法依靠机械设备进行工作坑开挖及顶进施工,施工较为安全。

　　 水平定向钻施工法较为成熟,由于过轨段主要为粘土及粉质粘土层,成孔性较好,施工也较为安全。

　　 明挖法施工费主要包括土方开挖运输及回填、管道敷设及对既有轨道及管线保护,此外由于工期紧张,需加大人力物力的投入,投资约为15万元。

　　 机械顶管法施工费主要包括工作坑开挖及回填、顶管设备及安装,Ø1 500管道顶进,管道敷设,投资费用约为31万元。

　　 定向钻施工方案经济投资主要包括入钻点、出钻点工作坑开挖及回填、定向钻设备及安装、管道的水平转进及管道敷设,投资费用约为23万元。

　　 明挖施工主要包括对既有轨道的支护,挖方、填方以及敷设轨道,尽量缩短工期,需比平常加大人力物力及协调组织工作量,工期可为15天。

　　 顶管施工主要包括对既有管道的支护、顶进井开挖及回填、接收井开挖及回填以及管道顶进,施工工期约为10天。

　　 定向钻施工主要包括入钻点工作坑开挖及回填、出钻点工作坑开挖及回填、设备安装、定向钻钻孔及回拖,施工工期约为7天。

　　 明挖法一般适用于所有管径污水管。顶管最小口径一般大于800 mm以上,本工程污水管管径为DN400,采用顶管施工时,需先顶进较大管径套管,并在其内敷设DN400污水管。而定向钻的最大口径一般小于1 000 mm,本工程污水管管径为DN400,可直接采用定向钻回拖DN400污水管。具体比选结果见表1。

　　 根据过轨段地质条件,并从对运营安全性、施工安全性、经济性及施工工期、使用管径范围及投资造价角度分析,得出结论如下:

　　 (1)明挖施工需要在夜间地铁停运期间将施工完成,由于施工工期较紧,一定程度上会对地铁正常运营造成影响,对施工安全存在一定的影响。建议采用非开挖施工方案。

　　 (2)顶管施工法适用范围较广,施工安全及对地铁运营安全影响较小,但施工工期相对较长,造价相对较高,且顶管最小口径一般大于800mm。

　　 (3)定向钻施工方案,对施工安全及地铁运营安全影响较小,造价相对较低,施工工期较短,但容易受地质条件影响,且定向钻施工最大口径一般小于1 000mm。

　　 通过综合比选,本工程最终选用定向钻施工方案。

　　 (1)施工前应与既有线运营公司联系沟通关于运营场区内及轨行区内施工清点的相关事宜。

　　 (2)建议对施工区内的周围环境、地下管线、地质情况进行全面考察和详细了解。对穿越区内地下管线,必须熟知位置、走向、深度,确保施工安全,对工作区的既有轨道及地下管线等防控必须妥善处理。

　　 (3)定向钻穿越既有轨道及道路是存在一定风险性的方法,故在整个施工过程中,任何小的失误都可能带来严重后果,因此必须保证每个操作环节的安全,并根据定向钻穿越施工工艺流程和相关技术规范,制定详细的施工技术方案。