大斷面矩形頂管法在下穿既有地下通道工程中的應(yīng)用

文/劉博海 趙傳亮

1 工程概況

黑牛城道是天津市東南半環(huán)快速路的重要組成部分，從新八大里區(qū)域中部橫向穿過，兩側(cè)為商業(yè)地塊，承載交通量較大，地下空間發(fā)達。過黑牛城道地下通道主要功能為人行過街，南側(cè)連接地鐵11號線內(nèi)江路站，北側(cè)連接下沉廣場，是溝通黑牛城道兩側(cè)地下商業(yè)空間及地鐵車站的重要通道。

人行通道所下穿的黑牛城道路面下管線眾多，有雨水、污水、輸配水、電信、路燈、廣播電視、天然氣等共22 條管線，其中最深為直徑1.65 m 的雨水管，埋深4.8 m。在施工過程中，不能影響黑牛城道交通且地下管線不能切改。見圖1。

圖1 黑牛城道現(xiàn)狀管線分布

工程場地土為中軟土，場地類別為Ⅲ類，地下水埋深1.10～1.50 m，下穿結(jié)構(gòu)所處的粉質(zhì)黏土（地層編號⑥4）層為潛水含水層，呈軟塑狀態(tài)，屬中壓縮性土。

施工過程中，應(yīng)盡量減少對地面建筑、地下管線及路上交通的影響，因此需要確定合理的施工方法。

2 工法比選

2.1 初選

城市道路下穿地道的工法分為明挖法和暗挖法兩大類。其中暗挖法包括：圓形盾構(gòu)法、冷凍法、蓋挖法、大斷面矩形頂管法和管幕法。

明挖法和蓋挖法都無法滿足不斷交、不切改的要求，不適合本工程。盾構(gòu)法覆土厚度一般不小于盾構(gòu)直徑，需要較大的埋深，不能滿足地下空間整體規(guī)劃高程要求。冷凍法不僅費用高，而且地層的凍脹、融沉對相鄰建筑物的影響大，地層降溫對的地下過水管線影響嚴重。只有管幕法和大斷面矩形頂管法，斷面尺寸和適用條件都滿足要求。

2.2 工法比較

1）大斷面矩形頂管：是一種地下工程非開挖管道鋪設(shè)技術(shù)，采用矩形頂管機成孔，再將預制成形的管節(jié)從頂進工作井頂入，最終形成連續(xù)襯砌結(jié)構(gòu)的地道修建技術(shù)[1]。目前主要應(yīng)用于黏土、淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土及砂質(zhì)粉土等軟土層中。

2）管幕法：是在始發(fā)井與接收井之間，利用小型頂管機在擬建地下構(gòu)筑物四周頂入鋼管，鋼管之間采用鎖口連接并注入防水材料，形成水密性地下空間，成為超前支護。在管幕保護內(nèi)，施作地下箱體，必要時對前方土體進行水平超前加固，適用于回填土、砂土、黏土、巖層等多種地層。

兩種工法比較見表1。

表1 工法比較

由表1 可以看出，兩種工法方案都滿足黑牛城道不斷交、地下管線不切改的要求。但是矩形頂管法工期較短、安全性較好、技術(shù)成熟，而管幕法施工對于地表變形控制差，對快速路影響較大，結(jié)合工程實際情況，決定采用大斷面矩形頂管法。

3 大斷面矩形頂管法設(shè)計

3.1 總體布設(shè)

現(xiàn)狀黑牛城道全寬約70 m，地下人行通道與其相交角度為88.8°。地道頂管段全長93 m，共有62 節(jié)，每節(jié)長1.5 m。在黑牛城道南北兩側(cè)分別設(shè)置始發(fā)井和接收井，與地下空間負二層相接，兩側(cè)建筑標高相同，頂管線路縱斷坡度為水平。頂管結(jié)構(gòu)覆土厚度為8.17 m，管節(jié)頂至最大埋深地下管線底的距離約3.2 m。見圖2。

圖2 黑牛城道地下人行通道立面布置

3.2 管節(jié)設(shè)計

頂管結(jié)構(gòu)為單洞單跨，管節(jié)截面為矩形，頂板呈微拱，外輪廓高7.55 m、寬10.4 m、壁厚0.7 m，混凝土強度等級為C50，抗?jié)B等級為P12，整節(jié)預制，管節(jié)接口采用“F”形承插式接頭[2]，管節(jié)之間采用中等硬度的木質(zhì)材料板作為襯墊。見圖3。

圖3 矩形頂管橫斷面

由于管節(jié)頂進過程中減摩注漿、控制沉降及頂進施工完畢后固化注漿的需要，每環(huán)管節(jié)沿環(huán)向布置注漿管。頂管分為A 型和B 型管節(jié)，其頂?shù)装鍦p摩注漿管和二次注漿管位置不同，頂推施工時，兩種管節(jié)交替排列布置。

3.3 洞口設(shè)計

在始發(fā)井和到達井主體結(jié)構(gòu)內(nèi)襯墻上均設(shè)置進出洞口，其與頂管管節(jié)外輪廓間隙為0.3 m。內(nèi)襯墻洞口周圍預埋環(huán)形鋼板，鋼板錨固鋼筋與墻內(nèi)主筋搭接焊接。頂管段頂推到位后，現(xiàn)澆構(gòu)造圈梁與管節(jié)連接，圈梁內(nèi)的構(gòu)造鋼筋與管節(jié)側(cè)面的預埋鋼板及洞口環(huán)形鋼板焊接。頂進過程中，可能需要根據(jù)實際的距離制作非標準長度的特殊環(huán)，控制構(gòu)造圈梁的寬度0.4～0.6 m。見圖4。

圖4 頂管洞口構(gòu)造

為保證洞門破除后端頭土體的穩(wěn)定、防止水土流失、避免塌方沉降，對頂管始發(fā)和到達位置的進出洞口土體采用三軸水泥土攪拌樁+雙排三重管雙高壓旋噴樁進行加固。加固范圍：管節(jié)左右兩側(cè)各4.8 m，管節(jié)頂面以上4.0 m，管節(jié)底面以下5.95 m，縱向（沿頂進方向）加固長度為連續(xù)墻外側(cè)8.5 m。加固指標：無側(cè)限抗壓強度≮1.2 MPa，滲透系數(shù)≤1×10-7cm/s，同時確保土體的均勻性、密閉性和自立性。

3.4 防水設(shè)計

3.4.1 管節(jié)防水

頂管結(jié)構(gòu)遵循“以防為主，剛?cè)峤Y(jié)合，多道設(shè)防，因地制宜，綜合治理”的原則，以混凝土結(jié)構(gòu)自防水為主，以接縫防水為重點并輔以防水層加強防水。根據(jù)地下水位深度，管節(jié)混凝土抗?jié)B等級為P12[3]。見圖5。

圖5 管節(jié)防水構(gòu)造

為滿足接縫防水要求，在管節(jié)接縫處設(shè)置承插接口鋼套環(huán)與防水橡膠圈形成了管節(jié)外側(cè)防水體系。管節(jié)鋼套環(huán)與混凝土結(jié)構(gòu)密貼，鋼板與混凝土間設(shè)置遇水膨脹橡膠條形成止水帶。在承口與插口接口處設(shè)置嵌縫槽，嵌入雙組份聚硫密封膠，保證承口側(cè)止水。管節(jié)插口混凝土結(jié)構(gòu)外側(cè)密貼兩道楔形橡膠圈，施工時插入承口鋼套環(huán)內(nèi)，在插入過程中，橡膠圈被壓縮，密貼鋼套環(huán)，形成良好的防水體系。

在管節(jié)承口端管壁中上部開槽，嵌入多孔型三元乙丙橡膠密封墊形成第二道防水體系。三元乙丙橡膠密封墊應(yīng)與多層膠合板具有相協(xié)調(diào)的壓縮能力，保證拼裝后的防水效果。

管節(jié)承口端管壁內(nèi)側(cè)接口處設(shè)有聚硫密封膠嵌縫槽，后期注入雙組份聚硫密封膠，形成管片內(nèi)側(cè)防水體系。

因頂管頂進施工的特點，在管節(jié)與天然土體之間存在環(huán)形空隙，通過同步注觸變泥漿與二次注水泥漿充填空隙，形成一道外圍防水層。

3.4.2 洞口防水

洞口圈梁采用C40 微膨脹混凝土模板澆筑，抗?jié)B等級P10。分別在洞口圈梁與管節(jié)端部鋼板、洞門預埋鋼板結(jié)合處各設(shè)置一條遇水膨脹橡膠止水條，進行洞口圈梁防水。在洞口鋼環(huán)處安裝雙層簾布橡膠板，進行頂進過程中的洞口防水。頂管段到位以及構(gòu)造圈梁完成后，對洞口圈梁與管節(jié)搭接部位注漿加固，使頂進過程中松動的土體密實。見圖6。

圖6 洞口防水構(gòu)造

4 施工流程及要點

4.1 施工流程

1）平整施工場地，機具、設(shè)備進場，施工兩端工作井，對進出洞口端頭土體及頂推后背土體進行加固。施作工作井的同時預制頂管管節(jié)。

2）工作井內(nèi)進行頂管設(shè)備的安裝調(diào)試：軌道梁安裝，后座反力系統(tǒng)安裝，主頂系統(tǒng)安裝，頂管機組裝調(diào)試。

3）頂管始發(fā)施工：頂管始發(fā)推進前安裝好洞門止水裝置，洞門探水并破除，頂管機頂推并進洞。

4）在頂進坑內(nèi)拼裝預制管節(jié)，管節(jié)的拼裝和頂進交替進行，直到頂管機到達接收段。

5）對接收洞門探水并破除，頂管機出洞，全部管節(jié)頂推到位；澆筑混凝土圈梁封閉洞門；對管節(jié)四周進行注漿固結(jié)。

6）工作井及地下通道內(nèi)設(shè)備退場；拆除后背墻結(jié)構(gòu)；對管節(jié)拼縫進行填充密封。

4.2 施工要點

4.2.1 管節(jié)頂進

1）正面土壓力設(shè)定。按照Rankine土壓力理論進行計算，得到的數(shù)值作為頂管機正面土壓力的最初設(shè)定值并在實際頂進后根據(jù)頂進參數(shù)、地面沉降監(jiān)測進行動態(tài)調(diào)整。精確統(tǒng)計出每節(jié)管節(jié)的出土量，實際出土量控制在理論出土量的98%，以保證正面土體的相對穩(wěn)定。在頂進時應(yīng)對頂進速度不斷作調(diào)整，找出頂進速度、正面土壓力、出土量的最佳匹配值，以保證頂管的頂進質(zhì)量。

2）渣土改良。根據(jù)施工現(xiàn)場實際情況，頂管掘進段主要穿越⑥4粉質(zhì)黏土、⑦粉質(zhì)黏土，由于頂管埋深大，地下水位高，施工過程中采用膨潤土對渣土進行改良，使其具有較好的塑性、流動性和止水性，改良較好土體呈牙膏狀。頂管機設(shè)備設(shè)計了膨潤土漿液注入口，渣土改良漿液在頂進過程中“隨頂隨注、不頂不注”，確保頂進中充滿整個土倉。注入過程中隨時觀察螺旋機出土狀況，及時調(diào)整漿液注入量。

3）頂進出土。頂管采用腹部出土的方式進行，2個螺旋機對向出土。頂進過程中采取平板+小車的方式出土，通過控制室里的電磁閥控制螺旋機轉(zhuǎn)速，進而控制出土速度。頂管工程中，管內(nèi)的出泥量要與頂進的取泥量一致，出泥量無論大于或小于取泥量都會使管道周圍的土體發(fā)生擾動，造成地面的沉降或隆起；確保出泥量與取泥量一致的關(guān)鍵是嚴格控制土體切削掌握的尺度，防止超量出泥。

4）觸變泥漿。頂管管節(jié)設(shè)置多個注漿孔，壓注觸變泥漿填充管道的外周空隙以支撐地層、減少地層損失、控制地面沉降和減少頂進阻力。頂進時壓漿要及時，確保形成完整、有效的泥漿套，必須遵循“隨頂隨壓、逐孔壓漿、漿量均勻、漿壓適宜”的原則。頂進施工中，觸變泥漿的用量主要取決于管道周圍間隙的大小及周圍土層的特性，由于泥漿的流失及地下水等作用，泥漿的實際用量一般取理論值的3～5倍，在施工中需根據(jù)土質(zhì)情況、頂進狀況及地面沉降的要求等做適當?shù)恼{(diào)整。

4.2.2 施工沉降控制

1）正面土壓力控制。頂管頂進過程中，滿倉掘進，經(jīng)過改良后土體充滿整個土倉。頂管機正面設(shè)置有9個隔膜壓力計，施工前根據(jù)地質(zhì)情況及埋深，初步設(shè)定土倉壓力控制值，頂進過程中通過沉降觀測及時調(diào)整土倉壓力的實際控制值，實際操作中通過控制頂進速度和螺機出土來調(diào)整土倉壓力。

2）出土量控制。頂進施工中出土量采用容積控制法，通過計算，確定頂進一定距離的出土數(shù)量，根據(jù)每次統(tǒng)計出土量，核算1 環(huán)頂進完成后出土總量是否符合要求。

3）紅泥補償。隨著頂管機繼續(xù)頂進，后續(xù)管節(jié)經(jīng)過地層仍在繼續(xù)發(fā)生地層損失進而引起地表沉降。通過持續(xù)的地表監(jiān)測，對沉降較大區(qū)域所在的管節(jié)通過頂部DN150 mm 孔注入提前拌制好的紅泥，以填充損失的地層，減少地面變形。

4.2.3 頂管機姿態(tài)控制

1）導向系統(tǒng)。在始發(fā)井處設(shè)置激光經(jīng)緯儀，同時在矩形盾構(gòu)頂管內(nèi)設(shè)置導向靶。通過激光在導向靶上投射斑點的位置來判斷矩形頂管的當前姿態(tài)。

2）糾偏油缸。推進過程中實時關(guān)注導向測量系統(tǒng)，適時啟動糾偏系統(tǒng)油缸，可用于水平、垂直糾偏，水平糾偏角度1.4°垂直糾偏角度2.1°。糾偏原則：勤糾、微糾、參照趨勢進行糾偏，先上下、后左右。

5 結(jié)語

新八大里過黑牛城道地下通道自工作井具備頂管作業(yè)條件后，頂管機在1月內(nèi)組裝調(diào)試順利完成，頂管段在頂進2月后順利到達。整個頂管過程安全控制良好，結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象，同時地面及地下管線監(jiān)測情況正常。

隨著城市的不斷發(fā)展，交通系統(tǒng)在升級過程中，為實現(xiàn)其快速通達的要求，越來越多的下穿既有道路的地道項目將被論證建設(shè)。大斷面矩形頂管法因具有不開挖現(xiàn)狀路面、不中斷交通、不切改地下管線、地表及管線變形小、無揚塵、低噪音等諸多優(yōu)點，必將成為城市下穿地道項目重點考慮的方案之一。