地鐵建設中大管徑深埋并行排水管道遷改設計

楊廣偉

（北京城建設計發展集團股份有限公司，北京 100037）

1 引言

地鐵是一種運量大、速度快、節能環保、智能先進的公共交通運輸工具。截至2019 年年底，中國大陸地區共有40 個城市開通地鐵，運營線路208 條，運營線路總長度6 736.2 km[1]。預計2021—2022 年將有上海、深圳、重慶、廈門等城市地鐵線路新增開工，合計總里程達3 381.94 km，車站1 377 座，總投資額達19 928.24 億元[2]。地鐵車站往往設置在城市市政道路下，容易與給水、排水、燃氣、熱力及通信等市政管線在平面走向、豎向高程上交叉矛盾。城市雨水、污水一般通過重力排放，排水干管末端一般埋深深，遷改難度大。因此，大管徑深埋排水管線的遷改往往制約著地鐵車站的建設進度。

2 工程概況

2.1 車站建筑及管線概況

鄭州地鐵10 號線西流湖南站位于中原西路與西三環交叉口，站體沿中原西路設置，位于西三環西側（見圖1）。西流湖南站為標準地下2 層島式單柱雙跨車站，設4 個出入口和2 組風亭，其中，1 號、2 號出入口位于車站南側，3 號、4 號出入口及風亭位于車站北側。中原西路為鄭州市東西向城市主干路，西三環為南北向城市主干路。

中原西路路中0.0 m 有1 根DN1 000 mm 現狀雨水管，向東排放，管道平均埋深約3.1 m。路中北10.0～15.0 m 有1根DN2 400 mm 現狀雨水管，由東向西排入賈魯河，管道平均埋深約10.0 m。路中北21.5 m 有1 根DN800 mm 現狀污水管，向東排入西三環污水管道，管道平均埋深約7.5 m（見圖1）。DN2 400 mm 雨水管及DN800 mm 污水管為片區排水干管。

圖1 西流湖南站建筑及現狀排水管線示意圖

車站主體及附屬結構采用明挖法施工，DN1 000 mm 雨水管道位于車站主體結構正上方，DN2 400 mm 雨水管及DN800 mm 污水管穿越車站風亭結構，影響車站施工，車站基坑開挖前必須進行遷改。

2.2 管線遷改方案

根據車站管線普查資料，中原西路與西三環交叉口及附近市政工程管線眾多，管道敷設路由錯綜復雜。因此，在管線遷改實施前，首先要統籌安排好各類管線在地上及地下的空間位置，協調目標遷改管線與其他管線及各項工程之間的關系。簡言之，車站管線遷改必須依據管線綜合規劃開展工作。

基于本站管線資料，規劃編制單位給出排水管線規劃方案如下：主體上方的DN1 000 mm 雨水管規劃臨時廢除，在車站西端向北接入現狀DN2 400 mm 雨水管，車站施工完成后原位恢復。DN2 400 mm 雨水管規劃向北永久遷改，管徑變大為DN2 600 mm；DN800 mm 污水管規劃向北永久遷改，管徑保持不變。受車站主體輪廓、施工用地紅線及北側地下人防制約，規劃雨污水管道并行敷設，并多次改變排水流向，管道中心距離3.0～4.5 m（見圖2、圖3）。規劃雨污水管道與出入口通道平面交叉、高程沖突，后期建設出入口高程上要避讓規劃管線，并在施工時做好保護措施。

圖2 西流湖南站排水管線遷改方案示意圖

圖3 中原西路管線遷改方案橫斷面圖

2.3 水文地質條件

場地位于黃河沖洪積平原區，現狀地面主要為水泥路面，局部為綠化帶，地表平坦。根據車站地勘資料，車站30～40 m深度范圍內地層主要為粉土、粉質黏土，夾有粉細砂，局部含鈣質膠結層。

本站地下水類型主要為第四系松散層孔隙水，屬弱含水層。穩定地下水位埋深35.5～35.7 m，平均穩定水位埋深35.6 m，地下水位埋藏較深。

3 管道遷改設計

3.1 排水設計

管道：根據遷改管道起終點管底高程，設計DN2 600 mm 雨水管道坡度0.16%，設計DN800 mm 污水管道坡度0.1%，管道埋深及相對位置關系見圖4。車站投入運營后，車站結構滲水、生產生活污廢水以及風亭雨水需要排入市政管網，因此，本次遷改在出入口及風亭附近預留DN600 mm 雨水支管、DN400 mm 污水支管及接駁檢查井。

圖4 設計遷改管道埋深及相對位置關系示意圖

施工工藝選擇：根據施工條件和施工技術，本次設計DN2 600 mm 雨水管道、DN800 mm 污水管道采用手掘式頂管施工，雨水管道內使用反鏟挖掘機械挖土輔助掘進。部分污水檢查井、雨水檢查井設置在同一沉井內。頂管施工豎井根據不同情況分為工作井、接收井2 種井型，井體皆為鋼筋混凝土結構。

排水檢查井：頂管完成后，利用工作井和接收井作為排水檢查井井室，井口設計橫梁及蓋板封堵，蓋板上預留孔洞用以施作檢查井。井內雨污水流槽采用滿槽。

管材：頂管管道采用Ⅲ級鋼筋混凝土排水管，“F”鋼承口接口，混凝土強度等級C50，抗滲等級P8，內縫處理采用SXF-202 雙組分聚硫密封膠嵌縫，嵌縫深不小于3 cm。

3.2 工作（接收）井設計

規劃排水管道繞車站出入口、風亭敷設，工作井設在管道走向改變處，在與既有管道勾頭處設接收井。工作（接收）井根據尺寸、地下管線及環境條件等因素確定支護形式，經綜合考慮，井的施工工法確定為沉井和逆作井兩種。其中，設計矩形沉井5 座（J1、J2、J6、J7、J8），設計矩形逆作井5 座（J3、J4、J5、Y2、Y11），圓形逆作井2 座（W1、W10）（見圖5）。井的尺寸根據《給水排水工程頂管技術規程》及工程經驗確定。

圖5 工作（接收）井平面布置圖

井J1 和J8 間雨污水管道平面并行敷設，凈距僅0.8 m，可利用同一個豎井作為工作（接收）井。雨水管頂管完成后，在共用豎井內雨污水管道之間施作鋼筋混凝土隔墻。豎井的尺寸大小及形式見表1。

表1 工作（接收）井形式及尺寸統計表

3.3 施工順序

沉井施工順序：（1）放坡開挖工作坑；（2）工作坑內澆筑沉井；（3）下沉至設計標高；（4）澆筑封底混凝土及沉井底板；（5）達到100%強度后，設備安裝；（6）頂進；（7）測量（校核糾偏）；（8）下管接口；（9）進入接收井；（10）全線測量；（11）拆除設備；（12）頂進結束；（13）吊裝施工頂板及橫梁；（14）原狀土分層壓實回填基坑；（15）砌筑進人護筒至設計高程。

逆作井施工順序：（1）開挖工作坑；（2）澆筑鎖口圈梁；（3）開挖澆筑護壁墻；（4）澆筑封底混凝土及井底板；（5）向上澆筑井側墻至設計標高；（6）待混凝土強度達到設計強度后進行頂管作業；（7）吊裝施工頂板及橫梁；（8）原狀土分層壓實回填基坑；（9）砌筑進人護筒至設計高程。

3.4 施工監測

在工作（接收）井及頂管施工過程中，采用監測儀器對關鍵部位各項控制指標進行監測，在監測值接近控制值時發出報警，用來保證施工的安全性。豎井的監測項目主要包括凈空收斂（見圖6）、周圍地表沉降（見圖7）、底部隆起及管線監測。頂管施工監測項目主要包括地表沉降、鄰近建筑物沉降及地下管線沉降。

圖6 矩形豎井凈空收斂監測點布置圖

圖7 J1 井地表沉降監測點布置圖

通常每天監測1 次，若發現有異常情況時，需適當增加監測頻率，并采取適當措施給予調整[3]。

4 重難點分析

4.1 雨水接收井與地鐵區間的高程分析

現狀DN2 400 mm 雨水管道與西流湖南站右線區間隧道平面上平行布置，中心間距5.32 m。鑒于雨水管道深埋，頂管接收井設計深度還要考慮管壁厚度、頂管接收基礎及墊層厚度及支撐墊板厚度，再加上接收井結構底板的厚度，Y2、Y11 雨水接收井的實際深度比DN2 400 mm 管道埋深深1.65 m。地鐵盾構區間隧道外輪廓直徑約6.2 m，經計算區間隧道距離Y2 接收井結構凈距只有大約0.9 m（見圖8）。因此，必須控制好Y2、Y11 雨水接收井的施工精度，保障地鐵區間施工安全。

圖8 地鐵右線區間隧道與Y2 雨水接收井的高程關系圖

為達到上述目的，可采取以下措施：

1）施工前應根據已有地質資料、自身技術裝備水平對頂管施工、豎井施工方案等編制詳細全面的施工組織設計，嚴格按照GB 5028—2008《給水排水工程管道施工及驗收規范》和CECS 246:2008《給水排水工程頂管技術規程》等有關規范和規定進行，確保工程質量和施工精度。

2）嚴格按照設計圖紙的要求施工，施工中認真作好監測工作，根據監測成果指導施工。

3）接收井施工完成后按要求進行豎井周邊和管道周邊注漿加固，防止區間盾構施工時出現土體坍塌。

4.2 管道勾頭

管線遷改施工接近尾聲時必須要考慮管道勾頭，即新建管道如何在原有市政管道不停水的情況下與其進行連接。管道勾頭應與頂管施工緊密結合，提前做好施工組織設計，必要時可編制專項施工方案。本文以DN800 mm 污水管道勾頭為例進行簡單介紹。

車站東端勾頭方案（見圖9）：（1）先頂進J1 與J8 之間雨污水管道，并砌筑J2 與J7 之間沉井隔墻，進行污水管道閉水試驗；（2）截斷W10 上游現狀污水管道，將管內污水用潛污泵提升至W10 下游污水檢查井，保證現狀管道內污水排放；（3）完成后頂進J8 與Y11 之間雨水管道以及J8 與W10 之間污水管道，砌筑J 與8 之間沉井隔墻，進行J8 與W10 之間段污水管道閉水試驗。

圖9 車站東端污水管道勾頭方案示意圖

車站西端勾頭方案（見圖10）：（1）截斷W1 上游污水管道，將截斷處污水檢查井內污水提升至J2 沉井污水側，污水由遷改污水管道排放；（2）頂進J1 與Y2，J1 與W1 之間管道并砌筑隔墻，對J1 與W1 之間污水管道閉水試驗；（3）整個管道頂進結束并且閉水試驗合格后，疏通W1 上游污水井，撤出潛污泵，拆除封堵，現狀管道污水由遷改污水管道排放。

圖10 車站西端污水管道勾頭方案示意圖

5 施工中的處理措施

5.1 J3 號豎井變更支護形式

J3 號逆作工作井在向下開挖至-7.8m 時，東側一面地基土出現大量沙質土，土體自穩能力變差，東側支護結構出現變形，有失穩風險。發現上述情況后，施工單位立即停止施工，并及時組織專家進行論證。

經論證，提出以下解決方案：支護形式變更為型鋼樁+內支撐臨時支護（見圖11）。內支撐采用鋼圍檁、鋼管支撐及角撐組合體系，設置3 道鋼管支撐；第一道支撐標高-4.9m；第二道支撐標高-7.6m；第三道支撐標高-10.3m。

圖11 J3 號豎井型鋼樁支護現場施工照片

5.2 頂進中的滲水處理

雨水管道由J8 號工作井向Y11 接收井頂進至距接收井10 m 左右時，發現掌子面側邊出現少量滲水。結合本站水文資料，懷疑可能為臨近市政自來水管道滲水。問題出現后施工單位立即停止施工，通過建設單位第一時間邀請自來水產權單位到場協助排查原因。經產權單位檢測，發現滲水點附近的1 個自來水閥門井正在漏水，產權單位采取措施后隱患消除。

6 建議

1）地鐵車站管線遷改方案建議由城市規劃編制單位編制，編制過程中應與地鐵建設單位、遷改設計單位、車站主體施工單位、管線產權單位溝通，確保遷改方案具有可實施性。

2）地鐵設計周期長，建筑方案受多種條件制約，設計方案一直處于變化之中，而管線遷改設計周期相對較短。因此，要做好管線遷改設計管理，及時了解車站建筑方案，合理利用地下空間。

3）大管徑深埋排水管道檢查井的井距可適當做大，設計建議并行排水管道頂管時使用1 座工作（接收）井。