跨地铁预制管沟零卸荷施工技术

作者：卢晓

单位：苏州工业园区金鸡湖城市发展有限公司

摘要：采用U型槽、底板与盖板组成的预制管沟是一种新型的地下结构。利用预制管沟盖板上的砂袋进行压载, 补偿土方开挖所造成的卸荷, 达到施工期间的基本零卸荷, 能够有效控制开挖区域下方地铁隧道的隆起变形, 从而确保地下管线安装期间的地铁隧道运行安全。该项技术现已成功运用于苏州中心跨地铁区域的共同管沟施工中。

关键词：地下工程预制管沟零卸荷施工技术

0 引言

苏州中心广场基坑南、北分区之间需埋设诸多市政管线, 以满足区块间供热、供水及供电需求。由于分区之间为苏州轨道交通1号线区间隧道, 给管线开挖施工造成了很大困难。

地铁区间隧道上方需进行土方卸载的工程, 必须严格控制施工对隧道的变形影响, 往往成为工程设计和施工中的重点和难点。本文以苏州中心广场跨地铁侧共同市政管沟施工为例, 对跨地铁预制管沟零卸荷施工技术进行介绍。

1 工程概况

苏州中心广场基坑工程南、北两大分区之间需要布设供水、供电、通信、热力、雨水等众多管线。由于管线横跨苏州轨道交通1号线地铁区间隧道, 且基坑开挖底面与隧道顶面之间最小距离小于1倍洞径, 因此基坑开挖、管线铺设等工程的设计及施工难度极高。过轨道段共同沟埋管区域与轨道交通1号线的平面、竖向位置关系如图1所示。

图1 位置关系 下载原图

Fig.1 Position relationship

共同沟内埋设管线种类、数目众多。其中, 包括ϕ700冷却水管2根, ϕ800冷却水管2根, ϕ200软化水管1根, 6孔ϕ100, 40孔ϕ200电力电缆排管, 6孔ϕ100, 48孔ϕ50通信电缆排管, ϕ700空调冷冻水供水、回水管各1根, ϕ300蒸汽管1根, ϕ600市政给水管1根, ϕ150雨水回用连通管1根, ϕ150冷凝水热媒供回管2根。以上管线与隧道结构净距在5.9～6.295m。

直埋管线跨越苏州轨道交通1号线区间隧道上方, 开挖深度约2.65m, 土方卸荷达45kPa, 施工中只有严格控制基坑开挖卸载所产生的回弹变形, 辅助合理的地下水控制措施, 才能保证轨道区间隧道的安全使用。

2 预制管沟结构设计

为保证地铁运行安全, 确保地铁隧道在基坑开挖及管沟施工期间的附加变形得到有效控制, 采用“零卸荷”的设计理念, 补偿土方开挖引起的土体应力损失。

“零卸荷”即施工期间土方开挖引起的应力减小量通过及时压载得以补偿, 确保土体应力场基本保持不变。施工期间为使土方开挖引起的卸荷量能够及时得到补偿, 需尽快完成管道施工并进行回填。因此, 针对本工程项目特点, 设计了一种新型预制管沟结构, 该结构体系由U型槽、底板与盖板组成 (见图2) 。土方开挖后, 立即进行预制管沟吊装, 并利用砂袋迅速压载以补偿基坑开挖引起的土方卸荷, 基本达到施工期间的“零卸荷”。由于施工过程中土体应力场基本保持不变, 土体位移场也基本不变, 因此本工程实施完成后, 管线群下方地铁隧道的隆起变形得到有效控制。

图2 预制管沟结构及管线埋设示意 下载原图

Fig.2 Precast trench structure and pipeline embedding

预制管沟结构由若干U型槽、底板和盖板拼装而成, 各部件均为钢筋混凝土预制构件。U型槽间隔设置 (A, B, C舱) , U型槽下部由分块底板连接 (D, E舱) , 盖板则搁置在U型槽上。U型槽、底板和盖板3部分共同组成若干个箱形结构的管沟, 管沟内用以布置管线。

U型槽结构两侧采用重力坝作为围护结构。依据基坑整体稳定性、抗倾覆稳定性等各项安全系数, 确定墙体宽度及插入深度。基坑开挖深2.6m, 墙体长4.6m, 宽2.2m。

埋管区域管沟结构施工技术要求如下。

1) 埋管区土方开挖预制管沟吊装、加载、卸载、回填等工序限于地铁停运时段内 (23:00至次日6:00) 施工。管道安装可以在封闭管沟内进行, 而不需卸载掀开管沟盖板, 地铁运营时也可施工。

2) 埋管区域基坑开挖总长36.8m, 宽20.1m, 开挖深度局部3.15m, 其余2.925m。开挖的前提条件为:基坑围护结构 (重力坝) 达到设计强度, 管沟相应预制构件已进场并堆放至指定部位, 加载所用砂袋已进场并装袋完毕。

3) 管沟结构在宽度方向分为5舱, 即A, B, C, D, E舱。按照预先制定的施工计划, 按一定顺序分阶段按1∶0.5放坡开挖, 先施工舱室, 并吊装预制结构, 及时通过砂袋压载进行卸载补偿。

4) 基底标高距离轨道区间顶部最深处5.40m, 其余5.625m。考虑到需在轨道顶部进行作业, 对车载的要求较高, 采用中型挖掘机 (重15t) , 由中间向两侧退挖, 将土倒至两侧装车运出场外。土方车在加固后的结构楼板上行走, 不影响轨道安全。

5) 埋管区域沿管线横向共分为5个舱室, 5个舱室沿纵向再划分为40个分段。按照设备最大吊重要求及中部最远处吊装距离, 确定分段长度。

本工程所采用的履带式起重机最大吊运距离为25m, 额定载重20.4t。单个预制构件最大宽度4.8m, 最大长度2.4m, 单重最大16.5t, 小于额定载重。预制构件设计尺寸及质量参数如图3, 4所示。

图3 管沟分舱、分块平面布置 下载原图

Fig.3 Trench subcompartment and partition plan

图4 预制构件分舱、分块平面布置 下载原图

Fig.4 Precast component subcompartment and partition plan

本工程总体施工工序:①P, Q区工井围护结构施工;②埋管区域两侧重力坝施工;③工井及管沟两侧重力坝达到设计强度, 分舱、分段进行土方开挖;④土方开挖后, 及时吊装预制管沟及砂袋压载;⑤全部管沟吊装完成后, 舱内布置管线;⑥移除砂袋, 进行土方回填。

各舱位开挖及管沟吊装顺序:①A舱 Ⅰ-1→Ⅰ-2→Ⅰ-3→Ⅰ-4;②C舱 Ⅱ-1→Ⅱ-2→Ⅱ-3→Ⅱ-4;③E舱 Ⅲ-1→Ⅲ-2→Ⅲ-3→Ⅲ-4;④B舱 Ⅳ-1→Ⅳ-2→Ⅳ-3→Ⅳ-4;⑤D舱 Ⅴ-1→Ⅴ-2→Ⅴ-3→Ⅴ-4。

A舱为排管舱, 施工步骤、工序衔接及时间要求如下。

1) 准备工作需在地铁停运前完成。具体内容:将预制构件运至场地内, 150t履带式起重机拼装完成, 砂石运至指定场地, 土方车、挖土机准备就绪。

2) 首先进行A舱开挖, 开挖顺序为Ⅰ-1→Ⅰ-2→Ⅰ-3→Ⅰ-4。以Ⅰ-1舱为例, 第1个开挖为Ⅰ-1跳舱同时开挖, 23:00地铁停运后准时开始, 采用挖掘机倒退的形式进行挖土施工, 根据挖土量 (取大者为72m³) 计算, 完全挖完所需时间为H。

3) 其后, 采用碎石进行垫层铺设、吊装预制管沟及预制排管所需时间为3.5H。

4) 最后, 保护管线接头及将Ⅰ-1舱内和舱外土方回填至绝对标高3.900m所需时间为1.5H, 共计7H。

A舱其余的Ⅰ-2, Ⅰ-3, Ⅰ-4舱做法与上述一致。A舱施工完毕后按照A→C→E→B→D的顺序进行C舱及土方开挖。

其他各舱均为独立管道, 施工步骤、工序衔接及时间要求如下 (以C舱为例) 。

1) 采用挖掘机倒退的形式挖土, 按照最大挖土量72m³/h计算, 单个分块挖土时间为2H。

2) 铺设碎石垫层、吊装预制管沟及预制盖板结构, 所需时间2.5H。

3) 管沟结构安装完毕后, 立即在预制盖板上堆载。采用袋装砂横放堆载, 共堆放4层, 堆载高度1.6m, 约为30kPa, 袋装砂横放, 共4层砂袋, 所需时间2H, 共计6.5H。

C舱其余Ⅱ-1, Ⅱ-2, Ⅱ-3, Ⅱ-4做法与上述一致。

3 施工改进措施

1) 提高砂袋吊装速度

要求预制盖板上砂袋堆载达到30kPa。按每袋砂50kg计, 1m²需要60个砂袋。人工搬运速度慢, 需投入大量劳动力资源, 不合理。

综合考虑, 根据叉车载重量, 用钢筋焊制约1m宽、1.6m高的钢筋笼, 将砂袋置于钢筋笼内, 以叉车运至指定部位为主;履带式起重机空闲时, 辅助吊运。根据150t履带式起重机性能参数, 吊重为4t时, 履带式起重机覆盖范围可>40m。

2) 管节吊装及安放

管道通过管沟端部盖板与腰梁之间的缝隙放入管沟内, 人及设备也通过此缝隙进入管沟内。部分管道管径>700mm, 将腰梁靠埋管区一侧搅拌桩部分凿除后进入, 如图5所示。

图5 管节出入口位置 下载原图

Fig.5 Position of pipe joint entry and exit

3) 管道定位及接长为避免穿墙管道预留位置不准确的影响, 工井外墙结构施工时, 接长埋管区管道并伸入墙内, 与结构墙整浇在一起, 局部腰梁及围护桩阻碍管道时可凿除。

4 数值计算及分析

埋管区域采用预制管沟方案进行施工, 由于地铁上部土体卸载, 将对地铁隧道结构产生一定的影响。为评价该方案对坑底土体及地铁隧道的隆起变形, 采用数值计算的方法进行环境影响分析, 预估施工过程中的轨道隆起变形及趋势。

图6所示为采用有限元数值分析软件MIDAS/GTS NX建立的三维数值计算模型, 图中未显示预制盖板及周围土体单元。

图6 计算模型 下载原图

Fig.6 Calculation model

计算模型边界条件:上表面为自由面, 四周施加水平位移约束, 底面施加竖向位移约束。

按照前述预制管沟方案模拟土体开挖及埋管施工步骤, 可得到埋管区域坑底土体及地铁隧道的变形值。本场地内土体物理力学特性如表1所示。

表1 土体物理力学参数 导出到EXCEL

Table 1 The mechanical and physical parameters of soil

土层序号及名称	重度γ/ (kN·m^-3)	黏聚力 c/kPa	内摩擦角 φ / (°)	回弹模量 E/MPa
④₁黏土	19.9	30.8	15.9	44.8
⑤₅粉土夹粉砂	19.3	7.76	19.1	62.7
⑥₁粉质黏土夹粉土	19.3	19.3	17.8	33.3
⑧₁黏土	20.3	40.2	16.0	42.7

计算模型主要考虑开挖卸载引起的土体回弹, 故采用土体回弹模量。

土方开挖、管沟吊装及堆载完成后, 坑底土体及隧洞结构的竖向位移分布情况如图7所示。由图7可知, 坑底隆起最大值发生在埋管区域中部, 最大隆起值仅6.85mm。

图7 坑底土体及隧洞竖向位移分布云图 下载原图

Fig.7 Distribution nephogram of vertical displacement of soil and tunnel in pit bottom

北线、南线隧道管片结构 (预制管沟A中线下方剖面) , 拱顶、拱底、左腰、右腰4个位置, 在管沟开挖施工阶段的隆起变形曲线如图8所示。A, B, C, D测点位置如图9所示。

图8 地铁隧道北线隆起变形曲线 下载原图

Fig.8 Uplift deformation curves of the northern line of subway tunnel

图9 隧道隆起变形监测点位置 下载原图

Fig.9 The monitoring points position

由于南、北线隧洞隆起变形规律及数值相近, 限于篇幅, 仅列出北线隧道隆起变形曲线。

由图8可知, 管沟施工阶段, 北线隧道结构测点C的隆起变形较大, 该点隆起变形值在B舱土方开挖完成, 盖板堆载之前最大, 达2.28mm。

管沟开挖施工过程中, 地铁隧道上方土体卸载将引起管片周边土体竖向及水平应力发生变化。

北线、南线管片顶部土体 (图9中测点A位置) 的竖向应力变化曲线如图10所示, 其中土体应力受压为负。由图10可知, 地铁隧道正上方土体发生卸载时, 管片顶部土体竖向应力明显减小。北线A点、南线A点土体的竖向应力变化量分别为16.13kPa和12.39kPa。土体应力变化量变化较小, 说明袋装砂堆载作用基本补偿了土方卸载的影响。

图10 地铁隧道顶部土体应力变化曲线 下载原图

Fig.10 Stress variation curves of soil at the top of subway tunnel

5 监测数据对比

本工程从第1块预制U型槽吊装至最后1块盖板安放完毕, 历时18d。图11所示为北线 (上行线) 测点SS24A及南线 (下行线) 测点SX23A所对应的拱顶沉降历时曲线。以上两测点均位于管沟中部。

图11 拱顶沉降监测曲线 下载原图

Fig.11 The top settlement monitoring curves

由图11可知:①埋管区域施工期间, 隧道结构的隆沉变形控制在±0.6mm, 拱顶沉降曲线基本在0轴附近浮动, 隧道变形基本稳定。②实际拱顶隆起最大值约0.57mm, 远小于2.28mm的计算结果。该结果说明, 土体在卸荷开挖后所产生的变形具有时间效应, 隧道实际变形小于计算值相对合理。

本工程实测隧道隆起值较小, 满足要求的变形控制标准 (10mm) 。

6 结语

1) 埋管区段的划分、预制管沟或预制板的使用, 能够有效加快各施工工序之间的衔接及缩短整个施工工序的时间。

2) 数值分析结果表明, 间隔分条及分块开挖与预制管沟 (或预制板) 吊装施工能够有效控制坑底及地铁隧道的隆起变形, 并且得到实践检验。

3) 苏州中心跨地铁共同管沟施工技术在国内尚属首例, 该项技术有效保证了地铁运营安全。

4) “零卸荷”的设计理念适用于软土地区既有地下建筑结构上方需进行土方卸荷的类似工程, 能够有效控制地下结构隆起变形并确保施工安全。

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