大斷面矩形頂管下穿高速公路施工關(guān)鍵技術(shù)研究

寧三子 杜文 楊涵

摘 ?要：隨著頂管技術(shù)的不斷發(fā)展，大斷面頂管下穿既有建構(gòu)筑物的施工日益增多，如何控制大斷面頂管下穿施工對既有建構(gòu)筑物的影響具有重要的研究價(jià)值。在此背景下，以廣州市中船中路綜合管廊下穿東新高速工程為依托，對大斷面矩形頂管下穿既有高速工程施工的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了研究，提出了嚴(yán)格控制頂進(jìn)施工參數(shù)、進(jìn)行渣土改良、采用MJS工法樁加固洞周土體、注入觸變泥漿進(jìn)行充分減摩以及做好頂進(jìn)施工中的管節(jié)止退等保障既有高速在頂管全施工過程中運(yùn)營安全的系列技術(shù)措施。工程現(xiàn)場監(jiān)測表明，采用這些技術(shù)措施，可使運(yùn)營高速變形在頂管施工的全過程中均處于安全狀態(tài)，因此，這些技術(shù)措施具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：矩形頂管;大斷面;下穿施工;關(guān)鍵技術(shù);變形控制

引言

頂管法是指隧道或地下管道穿越鐵路、道路、河流或建筑物等各種障礙物時(shí)采用的一種暗挖式施工方法，其基本原理是通過在工作井內(nèi)安裝支座及掘進(jìn)機(jī)，通過主頂油缸及中繼間等產(chǎn)生的推力，將頂管管節(jié)和掘進(jìn)機(jī)從工作井一直推至接收井內(nèi)完成施工。相較于盾構(gòu)法，頂管法更適用于淺覆土、短距離情況下的掘進(jìn)施工，因此，頂管法在工程實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用。

盡管頂管法相較于傳統(tǒng)隧道施工方法對周圍環(huán)境的影響更小，但對其施工環(huán)境影響的控制仍然至關(guān)重要。為此，國內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。陳兵等[1]對頂管頂進(jìn)過程中地表沉降的原因進(jìn)行了深入分析，得出頂管機(jī)及管節(jié)與土體間的多次擾動(dòng)時(shí)造成的地層損失是地表沉降的根本原因。姜洪建等[2]基于鄭州市沈莊北路-商鼎路下穿中州大道隧道工程，通過工程實(shí)測數(shù)據(jù)分析及有限元分析得到了頂管法隧道施工中地表沉降的規(guī)律;王曉睿等[3]通過數(shù)值模擬分析得到隧道開挖引起的地層損失是誘發(fā)地層變形的主要原因，進(jìn)而針對依托工程提出了優(yōu)化的施工方案以控制地層沉降。顧陽華等[4]對上海軌道交通12號線漕寶路站頂管工程進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)采用洞門止水裝置、注入觸變泥漿減摩等措施在控制地表沉降方面具有良好效果。鄭書朝等[5]依托上海地鐵13號線陳春東站頂管工程，對工程中控制地層沉降所采用的注入觸變泥漿減摩及止退裝置等進(jìn)行了詳細(xì)闡述。黃宏偉等[6]采用三維數(shù)值方法研究了頂管法施工引起周圍土層的應(yīng)力及地表位移分布規(guī)律。房營光等[7]通過現(xiàn)場監(jiān)測試驗(yàn)，對大型頂管施工引起周圍土體擾動(dòng)變形的機(jī)理和規(guī)律進(jìn)行了深入研究，提出了新的土體擾動(dòng)機(jī)理理論。吳修峰[8]基于Mindlin解的基本算法，利用matlab編寫了計(jì)算程序，分析了頂管推進(jìn)過程中，頂進(jìn)正面土體在頂進(jìn)荷載作用下產(chǎn)生的“拱”效應(yīng)，揭示了頂管法施工中由頂進(jìn)荷載引起的土體變形規(guī)律。王水林等[9]根據(jù)引起沉降的各種因素，提出頂管施工對土層作用的簡化力學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上，考慮固結(jié)沉降因素的影響，修正了頂管施工引起地表沉降的Peck公式。[]

綜上可見，對于頂管法隧道施工對周圍環(huán)境、建構(gòu)筑物的影響以及相應(yīng)的控制措施，前人已有一定的研究，得出了一些有益的結(jié)論。廣州市南沙區(qū)的中船中路綜合管廊需要下穿既有東新高速施工，為了盡可能減少管廊施工對既有高速公路的影響，工程采用矩形頂管進(jìn)行施工。然而該工程矩形頂管具有較大的橫斷面，頂管施工中高速公路的變形控制仍是工程實(shí)施的重難點(diǎn)。在此背景下，本文將對該頂管工程下穿高速公路的風(fēng)險(xiǎn)控制問題進(jìn)行研究，以期促進(jìn)工程的順利實(shí)施，并為類似工程提供一定的參考。

1.工程概況

廣州市中船中路綜合管廊位于廣州市南沙區(qū)大崗鎮(zhèn)新聯(lián)圍島區(qū)域，地貌單元主要為珠江三角洲沖積平原，地勢平坦、開闊。該綜合管廊項(xiàng)目起點(diǎn)接潭新路，終點(diǎn)接南崗大道，全長約10km，由電力排管、電力管溝和綜合管廊構(gòu)成，采用頂管法和明挖法施工，如圖1所示。其中，在里程GK0+624.947～GK0+755.947區(qū)段，管廊將斜向下穿既有東新高速。由于東新高速為既有的已運(yùn)營的高速公路，且交通極為繁忙，為減少施工對東新高速正常運(yùn)營的影響，該段綜合管廊采用頂管法進(jìn)行施工，頂管井位于東新高速兩側(cè)，其中始發(fā)井距離高速路邊線的最小距離約7.6m，接收井距離高速路邊線的最小距離約6.8m。頂管隧道與東新高速的平面位置如圖2所示。下穿東新高速頂管段綜合管廊總長度為105m，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式為矩形鋼筋混凝土管節(jié)，采用C50預(yù)制鋼筋砼管，抗?jié)B等級為P10，結(jié)構(gòu)外尺寸為9100×5500mm，壁厚為650mm，每節(jié)管節(jié)長度為1.5m，共計(jì)70環(huán)管節(jié)。頂管段管節(jié)結(jié)構(gòu)可見圖3。在頂管施工段，地下水位埋深約1.6～2.3m，地層由上至下依次為素填土、淤泥、粉細(xì)砂、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土及中粗砂。頂管結(jié)構(gòu)管頂覆土7.8～8.9m，施工范圍內(nèi)的地層主要涉及素填土、淤泥、粉細(xì)砂及粉質(zhì)粘土幾種。

為了保證不影響東新高速的正常運(yùn)營，頂管施工時(shí)需將東新高速的豎向及水平橫向變形分別控制在相應(yīng)的限值±40mm及±35mm之內(nèi)。然而，由于該頂管工程覆土淺且施工范圍內(nèi)地層較為軟弱，施工中極易出現(xiàn)過大地層損失及背土效應(yīng)，進(jìn)而引發(fā)既有運(yùn)營高速產(chǎn)生過大變形。因此，頂管施工必須采用積極有效的措施，來避免對運(yùn)營高速產(chǎn)生過大影響。

2下穿高速公路施工變形控制措施

2.1 嚴(yán)格控制頂進(jìn)施工參數(shù)

在頂管頂進(jìn)施工過程中，選擇合適的頂進(jìn)施工參數(shù)，對穩(wěn)定開挖面、控制地層變形等方面有重要意義。為了充分保障既有高速的運(yùn)營安全，頂進(jìn)施工中應(yīng)對土倉壓力（開挖面支護(hù)壓力）、頂進(jìn)推力、頂進(jìn)速度、出土量等進(jìn)行嚴(yán)格控制。當(dāng)頂管掘進(jìn)時(shí)，若開挖面受到的水平支護(hù)應(yīng)力小于地層的原始側(cè)向應(yīng)力，則開挖面土體向盾構(gòu)內(nèi)移動(dòng)，引起地層損失而導(dǎo)致盾構(gòu)上方地面沉陷。反之，當(dāng)作用在正面土體的推應(yīng)力大于原始側(cè)向應(yīng)力時(shí)，則開挖面土體向上向前移動(dòng)，引起負(fù)地層損失而導(dǎo)致盾構(gòu)前上方土體隆起。因此，土倉壓力是影響周圍地層變形的一個(gè)主要因素。具體而言，土倉壓力在施工前根據(jù)地質(zhì)情況及埋深，預(yù)先設(shè)定一個(gè)控制值，而后在頂進(jìn)過程中再沉降觀測及時(shí)調(diào)整土倉壓力的實(shí)際控制值。

頂進(jìn)推力的理論值通過考慮頂管端面阻力及側(cè)面的管土摩擦阻力，并依據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)確定。正常掘進(jìn)過程中，理論頂推力與實(shí)際推力相結(jié)合，通過調(diào)節(jié)液壓油泵站頂進(jìn)油缸壓力和油缸數(shù)量共同調(diào)節(jié)頂進(jìn)推力。

頂管施工工程中，如果出土量大于頂進(jìn)削土量，可能產(chǎn)生地面沉降，如果出土量小于頂進(jìn)削土量，則可能出現(xiàn)地面隆起，因此需控制出土量與頂進(jìn)削土量相一致，減小對管節(jié)周圍的土體影響，從而才能保證地面不受影響或受輕微影響。正常情況下，頂管出土量應(yīng)控制在理論出土量的98%～100%。本工程一節(jié)管節(jié)的理論出土量為75m3，考慮到土體改良劑的加入，一節(jié)管節(jié)的實(shí)際出土量取80～85m3左右。

頂進(jìn)速度對土倉壓力也有重要影響，因此其合理設(shè)定也關(guān)系到對周圍環(huán)境的影響控制。根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，該工程在始發(fā)接收階段頂進(jìn)速度控制在5～10mm/min左右，正常施工階段控制在10～20mm/min左右。當(dāng)然，由于頂進(jìn)速度、正面土壓力與出土量三個(gè)因素相互影響，所以在頂進(jìn)時(shí)應(yīng)對頂進(jìn)速度作不斷調(diào)整，找出頂進(jìn)速度、正面土壓力與出土量的最佳匹配值，才能保證頂管的頂進(jìn)質(zhì)量。

2.2 渣土改良

頂進(jìn)施工時(shí)通過由預(yù)先設(shè)計(jì)在頂管機(jī)胸板及刀盤中心軸上的注漿孔向掌子面前方土體注入改良劑，并經(jīng)刀盤攪拌后形成具有塑性的土通過螺旋出土器排出。如此，土倉中將充滿塑性和流動(dòng)性都很好的土，倉內(nèi)土壓力才能更好地平衡掘進(jìn)機(jī)所處土層的靜止土壓力和地下水壓力，才能做到真正的土壓平衡。實(shí)際施工時(shí)，改良劑材料中所配成泥漿的C型粘度計(jì)值在8000～10000 之間，比重在1.05～1.15之間，泥漿的注入量在15%～30%之間。

2.3 MJS工法樁加固洞周土體

由于本工程中頂管覆土淺且施工范圍內(nèi)地層較為軟弱，施工中容易產(chǎn)生過大地層損失及背土效應(yīng)，從而給既有運(yùn)營高速帶來潛在威脅。為了減小地層損失及背土效應(yīng)帶來的潛在威脅，在頂管區(qū)間頂部采用D1.8m間距1.3m MJS工法樁進(jìn)行橫向加固，加固示意如圖4所示。MJS工法樁具有施工對環(huán)境影響小、有效加固深度大、加固效果可靠等特點(diǎn)。顯然，圖4中由MJS工法樁形成的加固體，可以在一定程度隔離地層損失及管土摩擦對周圍地層的影響，因此，可在頂管施工中對地層變形起到良好的控制作用。

2.4 注入觸變泥漿進(jìn)行充分減摩

頂管頂進(jìn)施工時(shí)，管土摩擦也是影響周圍地層變形的重要因素，不少研究甚至發(fā)現(xiàn)，其對周圍地層變形的影響程度甚至要大于開挖面支護(hù)壓力。因此，對管土接觸面進(jìn)行充分減摩，是控制頂管對周圍環(huán)境影響的重要途徑。為了減少土體與管壁間的摩阻力，提高工程質(zhì)量和施工進(jìn)度，本工程在頂進(jìn)施工時(shí)，應(yīng)向管道外壁壓注一定量的觸變泥漿，以使固固摩擦變?yōu)楣桃耗Σ粒瑥亩_(dá)到減小管土摩擦力的效果。觸變泥漿通常由膨潤土、水和摻合劑按一定比例混合而成，為保證其壓注效果及泥漿套的形成，注漿壓力宜設(shè)置為地層壓力的1.1～1.3倍，壓漿量宜設(shè)置為理論值的2-5倍。考慮到本工程穿越地層為淤泥質(zhì)粘土、淤泥，稍密～中密狀態(tài)，具有一定的滲透性、流變性，漿液易損耗，壓漿量建議取擬定理論值的4倍。

2.5做好頂進(jìn)施工中的管節(jié)止退

由于土壓平衡矩形頂管在頂進(jìn)中前端阻力很大，即便頂進(jìn)了較長里程后，在每次拼裝管節(jié)或加墊塊時(shí)，主頂油缸一回縮，機(jī)頭和管節(jié)就會(huì)一起后退（后退量甚至可達(dá)20～30cm），造成機(jī)頭和前方土體間的土壓平衡受到破壞，從而引發(fā)機(jī)頭前方的土體坍塌，造成地面塌陷。為了避免出現(xiàn)這樣的不利情況，本工程在前基座上安裝一套止退裝置，將管節(jié)和機(jī)頭穩(wěn)住，以避免地面出現(xiàn)過大沉降。止退裝置原理為：將銷子插入管節(jié)的吊裝孔，再放進(jìn)鋼墊塊和鋼板在銷座和基座的后支柱間。管節(jié)的后退力則通過銷子、銷座、墊塊傳遞到止退裝置的后支柱上，從而避免機(jī)頭和管節(jié)的后退。止退裝置采用400mm×144mm×12.5mm工字鋼焊接成三角形狀，中間設(shè)加勁板提高結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。工字鋼與插銷接觸的一側(cè)焊接150×720（寬×高）支座，與始發(fā)井內(nèi)導(dǎo)軌的橫梁進(jìn)行滿焊，具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3 控制措施應(yīng)用效果分析

頂管實(shí)際施工時(shí)，采用了上述控制措施，以期對頂管下穿施工期間高速公路的變形進(jìn)行嚴(yán)格控制。在頂管頂進(jìn)施工期間，施工單位對地表沉降、地下水位、頂管井墻頂豎向位移與水平位移、墻體水平位移、支撐軸力等項(xiàng)目進(jìn)行了監(jiān)測。為了驗(yàn)證上述控制措施在控制高速公路變形上的效果，著重對高速公路的沉降及水平變形量值進(jìn)行分析。高速公路上的變形監(jiān)測點(diǎn)縱斷面與橫斷面布置如圖6和圖7所示，平面布置如圖8所示。限于篇幅，本文以既有高速中央分隔帶斷面為例（豎向位移監(jiān)測點(diǎn)CJ17～CJ32;水平向位移監(jiān)測點(diǎn)WY17～WY32），對高速公路在頂管施工中的變形情況進(jìn)行分析，其他監(jiān)測斷面的分布規(guī)律與此類似。

圖9給出了頂管掌子面到達(dá)高速中央分隔帶斷面及該斷面前后10m斷面時(shí)，高速公路中央分隔帶斷面處的路面豎向及水平向變形分布情況。圖中豎向位移正值表示隆起，負(fù)值表示沉降;水平向位移正值表示指向路面內(nèi)，負(fù)值表示指向路面外（下同）。從圖中可以看到，在掌子面到達(dá)監(jiān)測斷面以前，監(jiān)測斷面在豎向及水平向就都發(fā)生了一定量值的變形，這說明土倉壓力及管土摩擦力在距離監(jiān)測斷面一定距離處就會(huì)對監(jiān)測斷面的變形產(chǎn)生影響。對于關(guān)注斷面的路面豎向變形，在頂管中線附近表現(xiàn)為隆起，且在總體上具有隨距頂管距離增大隆起變形逐漸減小甚至轉(zhuǎn)變?yōu)槌两档内厔?而對于關(guān)注斷面的路面水平向變形，在監(jiān)測范圍內(nèi)量值則分布較為均勻。隨著頂管的頂進(jìn)，無論是豎向路面變形還是水平向路面變形，在總體上均有發(fā)展變大的趨勢，這表明管土之間的摩擦效應(yīng)對地表變形具有持續(xù)的影響，并且該影響要較刀盤及頂管機(jī)通過監(jiān)測斷面產(chǎn)生地層損失對地表的影響更為顯著。無論掌子面處于何處，關(guān)注監(jiān)測斷面內(nèi)路面最大豎向變形均位于頂管中線對應(yīng)的路面測點(diǎn)CJ24測點(diǎn)。

圖10給出了頂管中線正上方高速中央分隔帶監(jiān)測點(diǎn)CJ24處的路面豎向變形及WY24處路面水平向變形隨頂進(jìn)施工過程的變化趨勢。頂管中線正上方高速中央分隔帶處的路面豎向及水平向變形在總體上隨頂管頂進(jìn)而增加的趨勢在圖中得到了明顯體現(xiàn)。此外，從圖中還可以看到，在掌子面到達(dá)監(jiān)測點(diǎn)以前至頂管機(jī)通過監(jiān)測點(diǎn)所在斷面（即掌子面距接收井46m處），路面的豎向及水平向變形表現(xiàn)出的增長趨勢較為緩慢且具有震蕩的特點(diǎn);然而，當(dāng)管節(jié)進(jìn)入監(jiān)測點(diǎn)斷面后，路面的豎向及水平向變形即立刻出現(xiàn)了急劇的增大趨勢。這表明管節(jié)與地層之間的摩擦效應(yīng)較為顯著，管土摩擦主導(dǎo)了地面的變形。分析其原因，可能與管土之間觸變泥漿注入量的不足相關(guān)，導(dǎo)致頂管施工時(shí)管土之間仍存有較大的摩擦力。盡管如此，相關(guān)監(jiān)測點(diǎn)的最大豎向變形為30.5mm（隆起），水平向變形為20.55mm（指向路面內(nèi)），均在相應(yīng)限值（±40mm或±35mm）之內(nèi)。綜上可見，工程采用的下穿施工關(guān)鍵技術(shù)措施，對既有高速公路起到了良好的保護(hù)作用，有效減小了頂管下穿施工對其的不利影響。

4 結(jié)論

本文針對廣州中船中路綜合管廊采用大斷面矩形頂管下穿東新高速工程施工中對高速公路變形控制的重難點(diǎn)問題，提出了嚴(yán)格控制頂進(jìn)施工參數(shù)、進(jìn)行渣土改良、采用MJS工法樁加固洞周土體、注入觸變泥漿進(jìn)行充分減摩以及做好頂進(jìn)施工中的管節(jié)止退等系列施工關(guān)鍵技術(shù)措施，用以充分保證既有高速在頂管施工中的運(yùn)營安全。工程現(xiàn)場監(jiān)測表明，采用了這些措施以后，運(yùn)營高速變形在頂管施工的全過程中均處于安全狀態(tài)，不會(huì)超過相關(guān)限值。由此可見，本文提出的頂管下穿既有建構(gòu)筑物施工關(guān)鍵技術(shù)措施可有效規(guī)避既有建構(gòu)筑物在頂管施工過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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作者簡介：

寧三子，男，44歲，1977年3月生，高級工程師，1998年畢業(yè)于西南交通大學(xué)建筑工程專業(yè)，現(xiàn)任中鐵南方投資集團(tuán)珠三角投資公司副總經(jīng)理。參加過梅坎鐵路、西安南京鐵路、隆康黃河大橋、玉蒙鐵路、佛山高明西江新城、順德菊花灣大橋、廣州南沙區(qū)大崗和慶盛片區(qū)開發(fā)項(xiàng)目等，歷任項(xiàng)目技術(shù)主管、總工程師、項(xiàng)目經(jīng)理、指揮部副總工兼工程部長、總包項(xiàng)目部副總經(jīng)理、投資公司副總經(jīng)理等職務(wù)，主持或參與鐵路項(xiàng)目、公路橋梁、市政道路、公建配套房建工程等技術(shù)管理、生產(chǎn)管理、工經(jīng)管理工作。