復(fù)雜環(huán)境下頂管工作井的設(shè)計與實踐

張偉立

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

復(fù)雜環(huán)境下頂管工作井的設(shè)計與實踐

張偉立

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

工程通過采用臨時工作井與相鄰基坑同步施工、設(shè)置永久微型工作井并分部實施工作井結(jié)構(gòu)、采用水平MJS工藝施工頂管進出洞加固等技術(shù)措施，克服了工程建設(shè)場地極端狹小、相鄰工程施工工期沖突、管線密集等困難，保障了頂管的順利吊出和地塊后期接入，為能源管溝工程和開發(fā)商地塊建設(shè)均能安全、按期完成起到了關(guān)鍵作用。

頂管工作井；復(fù)雜環(huán)境；同步施工；MJS水平加固

0　引言

頂管技術(shù)是一種較為成熟和先進的非開挖施工方法，在市政排水管道、共同管溝、人（車）行通道等工程中得到了廣泛的應(yīng)用。一般情況下，頂管施工前需先行施工工作井和相應(yīng)的進出洞地基加固，頂管機再從始發(fā)井吊入，經(jīng)過始發(fā)井到接收井之間的通道掘進，從接收井進洞，最后吊運至地面回收。

隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，城市核心區(qū)內(nèi)建（構(gòu)）筑高度密集，工程建設(shè)條件也變得越發(fā)復(fù)雜，頂管施工過程中不得不采取一些非常規(guī)的手段和措施來保障工程的順利推進。如當(dāng)進出洞加固位于現(xiàn)狀管線下方時則可采用大直徑MJS進行地基加固［1］。當(dāng)場地限制無法單獨設(shè)置頂管工作井時，頂管直接利用地塊的地下室作為頂管工作井進行施工［2］。當(dāng)?shù)貕K內(nèi)也無法提供頂管設(shè)備進洞吊出的情況下，則可以采用現(xiàn)場拆解工具頭內(nèi)設(shè)備后運走，并現(xiàn)澆完成通道的進洞施工［3］，這一方法俗稱金蟬脫殼”，但此方法的代價較高。但當(dāng)現(xiàn)場既無施工完整工作井的空間，進出洞加固也位于管線密集區(qū)內(nèi)，接入的地塊又無法提供拆解運輸條件，甚至地塊基坑尚需在頂管頂進、進洞過程進行開挖施工，這些復(fù)雜的限制因素同時出現(xiàn)在一起，國內(nèi)尚無成功的案例可循，因此只有通過創(chuàng)新的設(shè)計思路和設(shè)計手段來解決以上問題。

1　工程背景

虹橋商務(wù)區(qū)位于上海市中心城區(qū)西側(cè)，是以企業(yè)總部辦公、商務(wù)貿(mào)易辦公、現(xiàn)代商務(wù)服務(wù)、高端居住等為主體功能，打造的高端商務(wù)休閑生活社區(qū)，同時是上海市首批8個低碳發(fā)展實踐區(qū)之一，將建設(shè)成為上海第一個低碳商務(wù)社區(qū)。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，虹橋商務(wù)區(qū)核心區(qū)內(nèi)規(guī)劃建設(shè)了區(qū)域集中供能系統(tǒng)，其主要由5個分布式能源站和配套的供能管溝系統(tǒng)組成。

該工程位于虹橋商務(wù)核心區(qū)（二期）供能管溝工程范圍內(nèi)，為管溝接入新華聯(lián)地塊的末端支管。管溝位于新華聯(lián)地塊和萬科地塊間的已建申濱路下方。管溝采用3 500混凝土頂管進行施工，頂管頂覆土約8 m。申濱路東側(cè)（萬科地塊側(cè)）綠化帶內(nèi)設(shè)N10頂管始發(fā)工作井，并擬計劃在新華聯(lián)側(cè)設(shè)置NY01頂管接收井完成頂管機吊出（見圖1）。

圖1　工程總體平面

原方案NY01接收井全部位于新華聯(lián)地塊范圍內(nèi)，工作井平面內(nèi)凈尺寸8 m×6.8 m，為地下兩層結(jié)構(gòu)，頂覆土約2 m。頂管進出洞加固850@600三軸攪拌樁施工，加固區(qū)平面尺寸10 m×4 m（見圖2、圖3）。

圖2　工作井圍護平面

圖3　工作井橫剖面

但是原方案在施工前與地塊的對接過程發(fā)現(xiàn)了以下問題：

（1）在管溝實施前，新華聯(lián)地塊已經(jīng)招拍完成，并已完成方案設(shè)計，而申濱路西側(cè)（新華聯(lián)地塊側(cè)）無公共綠化帶，地塊也不允許頂管工作井結(jié)構(gòu)侵占其地下室空間。

（2）由于雙方均工期緊張，頂管擬接入的地下室無法在頂管施工前完成，不能提供直接接入條件。且按照雙方的工期安排，地塊基坑在工作井底板施工完成時就要進行開挖施工，頂管吊出時地塊剛開挖至基坑底。

（3）申濱路道路紅線范圍內(nèi)地下管線密集，且申濱路東側(cè)頂管始發(fā)井由于施工和吊裝需要，申濱路已經(jīng)采取了半幅通行的方式，因此申濱路西側(cè)施工時不允許占用申濱路道路。

擬與本工程同步施工的新華聯(lián)地塊沿申濱路長約248 m、寬約100 m，地下三層結(jié)構(gòu)，基坑開挖深度15.4 m，采用1 000@1 200鉆孔灌注樁+850@600三軸攪拌樁止水帷幕作為圍護結(jié)構(gòu)（見圖4）。基坑內(nèi)設(shè)三道混凝土支撐，采用對撐結(jié)合邊桁架形式。

圖4　地塊基坑剖面

2　設(shè)計方案

針對前述的現(xiàn)場實際情況，考慮到本工程周邊環(huán)境復(fù)雜，用地有限，在交互施工的順序上也有矛盾，因此設(shè)計方案既要滿足頂管的施工要求，又要考慮本工程和地塊基坑兩方面的安全?？傮w設(shè)計思路如下：

（1）由于工期限制，地塊無法提供頂管接入條件，因此必須單獨施工頂管工作井以確保頂管施工和后期地塊接入。

（2）新華聯(lián)地下室外墻距離道路紅線間距離僅有6.3 m，圍護結(jié)構(gòu)外邊（排樁邊）距離道路紅線僅余4.5 m。即便按照頂管機頭二次進洞、分段吊出的方式，工作內(nèi)凈長度也需達(dá)到4.4 m，加上結(jié)構(gòu)壁厚和圍護結(jié)構(gòu)寬度，現(xiàn)有的場地寬度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足頂管機頭正常的吊裝需要。因此僅能考慮施工微型工作井，頂管機采用“金蟬脫殼”進洞或其他創(chuàng)新工藝。但若采用前者工程造價將至少增加200萬元。為降低投資增量，考慮在地塊內(nèi)施工滿足頂管整體吊裝的臨時工作井，待頂管吊出后，再恢復(fù)為微型工作井。

（3）臨時工作井由于其面積較大，必然會進入地塊基坑內(nèi)，因此地塊基坑開挖與工作井內(nèi)結(jié)構(gòu)施工、頂管頂進與吊出施工會同步進行，因此工作井內(nèi)需考慮地塊支撐的傳力需要以及地塊拆撐回筑時永久工作井結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題。

（4）由于地塊內(nèi)的余下空間僅夠勉強設(shè)置微型工作井，進出洞加固必須設(shè)置于申濱路道路及管線下方。為確保申濱路道路通行和管線安全，進出洞加固采用水平MJS加固進行施工。

綜合以上設(shè)計思路，最終的設(shè)計方案為在地塊圍護結(jié)構(gòu)外側(cè)區(qū)域內(nèi)，利用剩余的寬度設(shè)置一個長度為1.7 m的永久微型工作井，以滿足頂管接受和后期地塊接入的需要。同時根據(jù)水平MJS加固施工空間的需求，加寬工作井寬度至10 m，加深工作井深度至加固區(qū)底，并與地塊基坑同深（見圖5）。

圖5　工作井縱斷面（使用期）

為方便頂管進洞吊裝，臨時工作井內(nèi)凈尺寸7.6 m×11.6 m（見圖6）。臨時工作井圍護結(jié)構(gòu)兼做地塊的圍護結(jié)構(gòu)，地塊基坑支撐直接撐在工作井與地塊間共用的分隔墻上，同時在工作井內(nèi)設(shè)置臨時混凝土支撐及圍檁進行傳力，臨時支撐標(biāo)高均與地塊支撐標(biāo)高相同。考慮到拆換撐過程中的受力轉(zhuǎn)換，工作井頂框梁結(jié)合臨時支撐采用逆作方式進行施工。

此外，由于地塊提出要求先鑿除分隔墻位置的灌注樁，一次澆筑各層樓板結(jié)構(gòu)以減少施工縫數(shù)量，因此為確保拆撐安全，在部分共用的分隔墻灌注樁內(nèi)增設(shè)型鋼格構(gòu)柱，并將地塊及工作井第二道支撐圍檁鋼筋與格構(gòu)柱相連以承擔(dān)其自重，避免鑿除分隔墻時，第一、二道支撐掉落。最終確定的整個工程總體施工順序如下：

（1）施工臨時工作井圍護結(jié)構(gòu)，并依照施工順序開挖至基坑底并澆筑墊層。其中主體結(jié)構(gòu)頂框梁需逆作兼做基坑第二道支撐結(jié)構(gòu)。新華聯(lián)基坑開挖至第一道支撐底，并施工第一道支撐（見圖7）。

圖6　工作井臨時支撐布置平面

圖7　工序（1）

（2）澆筑工作井底板和井內(nèi)的地塊底板，待底板達(dá)到設(shè)計強度后，拆除第三、四道鋼支撐，澆筑洞門處及洞門兩側(cè)側(cè)墻至頂框梁底，同步澆筑換撐結(jié)構(gòu)圍檁。基坑內(nèi)進行水平MJS施工。新華聯(lián)地塊基坑開挖至第二道支撐底，并施工第二道支撐（見圖8）。

圖8　工序（2）

（3）澆筑工作井內(nèi)換撐混凝土支撐，待支撐達(dá)到設(shè)計強度后，頂管頂進施工。新華聯(lián)地塊基坑開挖至第三道混凝土支撐（見圖9）。

圖9　工序（3）

（4）頂管機吊出后，施工臨時工作井內(nèi)剩余工作井結(jié)構(gòu)并澆筑井內(nèi)素混凝土填充層。待工作井內(nèi)部結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計強度后，地塊基坑開挖至坑底并澆筑墊層（見圖10）。

（5）澆筑新華聯(lián)地塊結(jié)構(gòu)底板，待結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計強度后，拆除新華聯(lián)地塊基坑第三道混凝土支撐，工作井內(nèi)與地塊同步拆除井內(nèi)的換撐混凝土支撐和混凝土圍檁（見圖11）。

圖10　工序（4）

圖11　工序（5）

（6）鑿除分隔墻位置除格構(gòu)柱外的鉆孔灌注樁，澆筑新華聯(lián)地塊結(jié)構(gòu)地下二層板、工作井與地塊側(cè)墻間素混凝土填充，待結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計強度后，拆除新華聯(lián)地塊基坑的第二道混凝土支撐。工作井內(nèi)與地塊同步拆除對應(yīng)的臨時混凝土支撐（見圖12）。

（7）澆筑新華聯(lián)地塊結(jié)構(gòu)地下一層板、素混凝土傳力帶，待結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計強度后，拆除新華聯(lián)地塊基坑第一道混凝土支撐；工作井內(nèi)與地塊同步拆除第一道混凝土支撐（見圖13）。

3　設(shè)計計算

本工程工況較為復(fù)雜，受力體系轉(zhuǎn)換多次，依照順序，應(yīng)進行以下幾個工況的分析計算：

圖12　工序（6）

圖13　工序（7）

（1）臨時工作井基坑開挖施工工況計算。

（2）地塊開挖與回筑階段工作井內(nèi)臨時支撐與圍檁體系計算。

（3）頂管施工階段，現(xiàn)行完成的永久工作井結(jié)構(gòu)計算。

（4）全部施工完成后，永久工作井結(jié)構(gòu)計算。

其中工況（1）和工況（2）均為針對圍護（臨時）結(jié)構(gòu)的計算。其中工況（1）的計算與一般圍護結(jié)構(gòu)計算原則相同，工況（2）中臨時支撐與地塊支撐的標(biāo)高相同，平面位置有所交錯，采用平面桿系模型對支撐和圍檁內(nèi)力進行計算。

工況（3）下最危險情況時水平MJS施工期間，永久工作井僅施工了底板和三面?zhèn)葔Γc框梁、臨時支撐一起組成了臨時的受力體系。采用三維模型進行計算（見圖14）。

圖14　工況（3）計算模型

工況（4）為永久結(jié)構(gòu)模型（見圖15），與工況（3）的結(jié)果取包絡(luò)進行結(jié)構(gòu)配筋。

圖15　工況（4）計算模型

4　結(jié)語

工程通過采用臨時工作井與相鄰地塊同步施工、設(shè)置永久微型工作井并分步實施工作井結(jié)構(gòu)、采用水平MJS工藝施工頂管進出洞加固等技術(shù)措施，克服了工程建設(shè)場地極端狹小、相鄰工程施工工期沖突、周邊管線密集等困難，保障了頂管的實施和地塊后期接入，為能源管溝工程和開發(fā)商地塊建設(shè)均能安全、按期完成起到了關(guān)鍵作用。

目前本工程和相鄰地塊的主體結(jié)構(gòu)已經(jīng)全部施工完成，施工過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)情況良好，工程始終處于安全可控的狀態(tài)。

［1］陶濤.大斷面矩形頂管復(fù)雜工況下斜交進洞施工關(guān)鍵技術(shù)［J］.城市道橋與防洪，2015，8（8）:150-153.

［2］朱駿，金中林，夏涼風(fēng).海泰國際大廈地下車行通道大直徑鋼頂管工程進出洞施工技術(shù)［J］.建筑施工，2009，31（3）：213-216.

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TU990.3

B

1009-7716（2016）06-0249-05

2016-03-01

張偉立（1984-），男，安徽南陵人，碩士，工程師，從事地下結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。