復雜環(huán)境下矩型頂管設計全過程關鍵技術(shù)總結(jié)

馬建慧，姚顯貴

（中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300308）

隨著軌道交通建設的發(fā)展，越來越多的城市開始將矩型頂管工法運用于工程建設，關于矩型頂管方面的研究也隨之變多。彭立敏等[1]、馬鵬等[2]對矩型頂管通道國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行了分析探討；徐宏等[3]、韓占波等[4]對淺覆土頂管掘進參數(shù)控制與地面變形進行了研究；甄亮等[5]、豆小天等[6]對頂進時產(chǎn)生的背土效應原因進行分析，并給出處理措施；魏綱等[7]、陳聰?shù)萚8]對頂管施工過程中部分環(huán)節(jié)進行了數(shù)值模擬分析；林越翔等[9]對管壁摩阻力理論進行了分析探討；王樂等[10]對復雜條件下頂管注漿減阻技術(shù)進行了研究。目前對于矩型頂管全過程設計方面的研究與總結(jié)相對較少。

1 項目概述

1.1 工程概況

長風街站為太原地鐵2 號線一期第12 座車站，位于長風街與長治路路口南側(cè)，沿長治路呈南北走向。本站地鐵過街通道下穿長風街，連接車站站廳層北端與3 號活塞風道，通道全長91.9 m。

長風街站地鐵過街通道位于長風商業(yè)中心，周邊建設環(huán)境相當復雜。橫跨通道地下管線有13 根，平行通道近距離管線3 根，其中含有多根主干管：DN800/1000 雨水管、DN1000 給水管、3 800 mm×1 400 mm 雨水箱涵和2 300mm×1 300mm 電力箱涵110 kV。過街通道下穿長風街高架橋，正下方為與其近距離并行的長-王盾構(gòu)區(qū)間隧道，如圖1 所示。

圖1 長風街地鐵站方案圖

1.2 水文與地質(zhì)

工程區(qū)地貌單元為太原盆地汾河沖積平原區(qū)，長風街站位于汾河東岸一級階地區(qū)。過街通道覆土約4.5 m，土層從上至下分別為：雜填土、素填土、粉質(zhì)黏土，洞身穿越素填土、粉質(zhì)黏土層。

工程區(qū)內(nèi)河流為黃河流域的汾河水系，場地位于汾河東岸約1.5km 處，地下水受汾河水側(cè)向徑流補給影響。地下常水位埋深平均約2.5m，抗浮設計水位地面以下1m。

1.3 工法選擇

通常修建過街通道可采用的工法有：明挖法、淺埋暗挖法、頂管法。若采用明挖法，本工程管線遷改費用高且對商業(yè)中心的交通影響持續(xù)時間長，造成的間接經(jīng)濟損失大。若采用淺埋暗挖法，雖然能夠避開交通疏解與管線遷改的問題，但在富水填土層中開挖風險極高，稍有不慎可能會引發(fā)冒頂及涌水險情。尤其在城市商業(yè)中心，若發(fā)生事故造成的影響是不能承受的。

通過MIDAS GTS NX 數(shù)值模擬分析，比較淺埋暗挖法與機械頂管法施工時，土體產(chǎn)生塑性區(qū)的范圍。若出現(xiàn)塑性區(qū)標明該點土體已經(jīng)達到了抗剪強度，結(jié)果如圖2所示。

圖2 土體塑性區(qū)范圍示意圖

通過對比頂管法施工產(chǎn)生的塑性區(qū)要少于淺埋暗挖法，因此頂管法施工更為安全。綜合比較，太原地鐵2 號線長風街站地鐵過街通道設計采用頂管法最為合適。

2 矩型頂管通道設計

2.1 平縱方案設計

長風街站矩型頂管過街通道下穿長風街高架橋，與長-王盾構(gòu)區(qū)間并行，利用長風街北側(cè)3 號風道預留井始發(fā)，在長風街地鐵站內(nèi)接收，全長91.9 m，采用7‰縱坡，如圖3 所示。

圖3 相對位置關系圖

2.2 工作井設計

考慮減小頂進施工對地鐵車站主體的影響，頂管過街通道一般采用站外始發(fā)、站內(nèi)接收的方式。通常情況下，始發(fā)井內(nèi)凈空可按以下考慮。

始發(fā)井長度：頂鐵厚度+液壓缸長度+后靠背+max{頂管機長度，2.5 倍管節(jié)長度}+0.7 m。

始發(fā)井寬度：管節(jié)外邊寬+2×（0.8～1.5）m。

始發(fā)井深度：管底埋深+max{后澆環(huán)梁+預埋鋼環(huán)空間，0.5 m}。

通常情況下，接收井的最小凈長度和凈寬度應滿足頂管機在井內(nèi)拆除和吊出的要求。

本工程頂管機采用六刀盤土壓平衡頂管機，外形尺寸為6 920 mm×4 920 mm×7 800 mm，主機分前盾、中盾、盾尾3 部分。理論上始發(fā)井尺寸12 m×9 m（長×寬），接收井尺寸6 m×9 m（長×寬）即可。

2.3 反力墻設計

頂管工程設計中至關重要的一步就是頂推力的估算與反力墻后背土體極限承載力驗算[11-12]。先通過計算估得工程中所需最大頂推力，然后驗算在最大頂推力工況下反力墻后背土體承載力能否滿足。若不滿足應對背后一定范圍內(nèi)的土體進行加固預處理，否則會導致反力墻體開裂、后背土體剪切破壞。

2.3.1 頂推力估算

根據(jù)頂管施工原理，理論上矩形頂管總頂力不應小于頂管機迎面阻力與管節(jié)周圍土體摩阻力之和。

規(guī)程上給出矩型土壓平衡、泥水平衡式頂管機的迎面阻力計算公式如下

式中：γ 為土的重度；H0為管頂至原狀土地面覆土層厚度；Ka為主動土壓力系數(shù)；S為管節(jié)外輪廓似矩型面積。

從實際工程考慮該公式偏冒進，頂管頂進時主要依靠刀盤對土體的切削釋放土體應力。理想狀態(tài)頂力恰好與土體應力平衡，土壓力為主動土壓。施工過程中千斤頂推動管節(jié)前行，難免有時頂力偏大，此時機頭擠壓土體產(chǎn)生被動土壓。綜合考慮，采用靜止土壓力系數(shù)計算頂管機迎面阻力較為合適。

頂管頂進最大摩阻力計算公式如下

式中：B為管節(jié)外邊長度；H為管節(jié)外邊高度；L為頂管頂進長度；f為管節(jié)與土體的摩阻力。

管節(jié)在土體中頂進，在周圍土體壓力作用下，會對管節(jié)產(chǎn)生較大的摩擦阻力。施工過程中為降低摩阻力，通過在管節(jié)內(nèi)部預留的注漿孔注入觸變泥漿（主要起潤滑作用），來降低摩擦系數(shù)。采用觸變泥漿減阻后的摩阻力可見表1。

如遇突發(fā)情況，長時間停止頂進時，摩阻力可按表1中取值放大1.5～3 倍。

2.3.2 反力墻背后土體驗算

反力墻設計是頂管工程設計中的關鍵環(huán)節(jié)，主頂油缸將頂推力通過反力墻傳遞至背后土體。反力墻一般分為整體式和裝配式2 類，在地鐵工程中，通常利用其附屬結(jié)構(gòu)作為始發(fā)井，這種屬于整體式反力墻。

整體式反力墻在頂推反力、后背土體抗力、井壁摩阻力共同作用下，維持受力平衡狀態(tài)。初始頂推力較小，頂推反力與背后土體靜止土壓力平衡。隨著頂推力增加，頂推反力與背后土壓、井壁摩阻力平衡。當頂推力很大時，井體開始變形，產(chǎn)生與頂進反向的位移趨勢，僅需微小位移就可使始發(fā)井前壁土體達到主動土壓力。當位移足夠大時，后背土體達到被動土壓力，此時為受力臨界狀態(tài)，若頂推力繼續(xù)增加，后背土體將發(fā)生破壞，進而墻體開裂。始發(fā)井臨界狀態(tài)受力示意圖如圖4 所示。

圖4 始發(fā)井臨界狀態(tài)受力示意圖

臨界時刻，反力墻最大允許頂力計算公式如下

式中：Epk為反力墻后背被動土壓力合力標準值；Eak為始發(fā)井前壁主動土壓力合力標準值；ξ 為合力作用點不一致折減系數(shù)；h為總頂力合力點距工作井底板距離；hp為被動土壓力合力至工作井底板距離。

太原地鐵2 號線長風街站矩型頂管過街通道頂進長度91.9 m，穿越第四系全新統(tǒng)，土層主要為素填土、黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土。最大頂力估算為13 700 kN，反力墻最大允許頂推反力估算為21 100 kN，反力墻背后土體無須加固。

2.4 管節(jié)結(jié)構(gòu)設計

本工程頂管管節(jié)外輪廓6.9 m×4.9 m，壁厚0.45 m，標準節(jié)長1.5 m，混凝土采用C50，抗?jié)B等級P10。

預制管節(jié)環(huán)向設置了3 排注漿孔，分別為DN50壓漿孔（用于頂進完成置換注漿），DN25 壓漿孔（用于頂進時減阻注漿）和DN12.7 壓漿孔（用于頂進完接縫止水壓漿）?；炷凉芄?jié)設計圖如圖5 所示。

圖5 混凝土管節(jié)設計圖

2.5 通道防水設計

本工程結(jié)構(gòu)防水等級為一級。由于管節(jié)采用的混凝土抗?jié)B等級較高，且采用工廠預制，管節(jié)自身的質(zhì)量容易得到保證，管節(jié)自身的防水通常不會出現(xiàn)問題。因此防水設計的關鍵是保證管節(jié)與管節(jié)接縫處、首尾環(huán)管節(jié)與工作井接縫處不漏水。

2.5.1 管節(jié)接縫防水

目前頂管隧道管節(jié)接縫形式主要有承插式、企口式、平口連接[13]。綜合考慮接頭強度、密封性、耐久性和施工便捷等因素，本工程設計采用了F 型承插式接縫，如圖6 所示。

圖6 管節(jié)接縫防水設計圖

該接縫處防水采用了3 道防水體系，第一道防水為管節(jié)外側(cè)的承口鋼套環(huán)+彈性密封止水圈；第二道防水為接縫中部的橡膠密封墊；第三道防水為預留防水體系，采用聚硫密封膠嵌縫+接水盒。

2.5.2 工作井接口防水

管節(jié)與工作井接口處的防水設計需要結(jié)合首尾管節(jié)的設置方式（最后一環(huán)管節(jié)切割、預留鋼筋接駁器或預埋鋼板）。綜合考慮施工風險及防水效果，本工程設計采用預制特殊管節(jié)（預埋鋼板）的方式，如圖7 所示。

圖7 工作井接口防水設計圖

該接口處采用了2 道防水體系，第一道防水為后澆環(huán)梁與管節(jié)、工作井結(jié)合處分別設置2 道遇水膨脹止水條；第二道防水為后澆環(huán)梁內(nèi)預埋注漿管注漿+C35 細石混凝土填充。

2.5.3 始發(fā)與接收洞門防水

在施工過程中，始發(fā)與接收時洞門防水效果好壞直接關系到現(xiàn)場施工安全。實質(zhì)上洞門的防水主要依靠對端頭土體加固，降低土的滲透系數(shù)來隔斷地下水滲流。其次在工作井內(nèi)部洞門預埋鋼環(huán)上設置簾布橡膠板來進一步阻隔頂進過程中的泥水。當覆土超過10 m 應采用雙層簾布止水橡膠板，覆土超過15 m 還應增加鋼絲刷止水裝置[14]。本工程由于埋深較淺，水壓不大，在洞門處設置了一圈簾布橡膠板。

2.6 監(jiān)控量測設計

頂管始發(fā)前，對長風街站的周邊情況進行詳細的調(diào)查，并按照設計和規(guī)范要求[15]進行地表、管線、建構(gòu)筑物進行監(jiān)測點布置。本工程監(jiān)測等級為一級，測點布置如圖8所示，主要監(jiān)測內(nèi)容見表2。

表2 施工監(jiān)測內(nèi)容

圖8 施工測點橫斷面圖

在頂進過程中，根據(jù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整頂進參數(shù)、出土量、注漿壓力，確保地表沉降控制在設計和規(guī)范的要求范圍內(nèi)。

3 重要技術(shù)措施

3.1 沉降控制措施

3.1.1 渣土改良與出土

優(yōu)良的渣土改良效果有利于出渣量的精確控制，保持土艙壓力的穩(wěn)定、連續(xù)，掌子面的穩(wěn)定[16]。渣土改良一般通過將改良劑（水、泡沫劑、膨潤土）加注到刀盤前方，來降低土的內(nèi)摩擦角，增加土體的流動性和塑性，使出土更容易，更均勻，一定程度上減少沉降。頂進時應控制實際出土量與理論出土量偏差不大于2%。

3.1.2 頂進姿態(tài)與速率

頂管掘進過程中，遵循“勤測量、勤糾偏、微糾偏”的原則，控制矩形頂管機前進方向和姿態(tài)。掘進施工過程中應對頂管水平軸線、高程、偏轉(zhuǎn)和機姿態(tài)等進行測量，并對測量控制基準點進行復核，發(fā)生偏差時及時通過糾偏油缸糾正。此外進入接收井前應提前再次進行矩形頂管機位置和姿態(tài)測量，并根據(jù)進口位置提前進行調(diào)整。

始發(fā)和接收時，頂進速度應稍放緩，控制在5～10mm/min 為宜。正常頂進階段，速度宜為10～20 mm/min；頂進時應不斷調(diào)整掘進速度，優(yōu)化頂進速度、土倉壓力與出土量的最佳值。

3.1.3 同步注漿與二次注漿

同步注漿即在頂管頂進施工的同時持續(xù)注入觸變泥漿，使管節(jié)與周圍土體之間形成一層約2 cm 厚的泥漿套。泥漿套一方面起到潤滑減阻的作用，使得管節(jié)頂進更順暢；另一方面，完整的泥漿套可以有效減弱頂管頂部的背土效應[9]，降低對土層擾動，減少頂進過程中的地面沉降。

二次注漿即在頂進完成后，通過管節(jié)預留注漿孔，注入水泥砂漿來置換觸變泥漿，同時永久填充管節(jié)與土體之間的縫隙，降低工后地面沉降。

3.2 管節(jié)止退措施

頂進初期，管節(jié)進入土體的長度較短，摩阻力較小。通常在添加管節(jié)主頂油缸回縮時，由于摩阻力不足以抵消掌子面被動土壓力，管節(jié)會出現(xiàn)輕微的回退。這會導致管節(jié)接縫不嚴密，進而增加后期滲漏水風險。工程中采用止退支架（與平臺固定），在主頂油缸消力回縮前，將止退銷插入管節(jié)側(cè)面的手孔內(nèi)，來達到管節(jié)止退的目的。止退支架圖如圖9 所示。

圖9 止退支架圖

3.3 端頭加固措施

矩型頂管通道穿越地質(zhì)主要為填土和粉質(zhì)黏土，土層可塑較軟，地下水位高，始發(fā)與接收涌水、土體塌方的風險較大。此種情況下對端頭土體進行加固處理，可降低土的滲透系數(shù)并且提高其抗壓強度，可以有效降低始發(fā)和接收時的工程風險。由于場地范圍內(nèi)地下管線多且復雜，地面加固條件不理想，本工程采用洞內(nèi)深孔注漿加固，加固范圍長度方向6 m，環(huán)向3 m。同時在加固范圍內(nèi)，頂管通道兩側(cè)打設了2 口應急降水井，確保在如此復雜的環(huán)境中施工，安全順利。

4 工程影響分析

4.1 社會環(huán)境影響

本工程位于太原市商業(yè)中心長風商務區(qū)，長風街為市內(nèi)主干路，交通流量巨大。過街通道采用非敞開式施工，最大限度保留了商業(yè)中心主干路的原狀交通、對正常出行效率幾乎沒有造成任何影響。由于采用了頂管機機械施工，該過街通道洞通僅用了1.5 個月，做到了持續(xù)時間最短，對社會影響最低。

4.2 工程安全性

本工程場地地下水位高，洞身穿越素填土、粉質(zhì)黏土層，地層敏感易擾動變形。選取通道正上方距離始發(fā)井5 m、40 m處測點，地表沉降與頂進距離關系曲線如圖10 所示。

圖10 地表累計沉降與頂進距離關系圖

頂進過程中測點1（加固區(qū)）與測點2（非加固區(qū)）的地表沉降趨勢是相似的：頂管機剛經(jīng)過時，地表開始出現(xiàn)隆起變形，大致通過時隆起變形最大，這是由于頂進過程中彌補頂管機殼引起的地層損失，保持一個稍大的土倉壓力來控制地面沉降，從而導致地表隆起趨勢；隨頂進距離增加機頭后方土體逐漸出現(xiàn)沉降趨勢，這是由于管節(jié)與土體間隙中填充觸變泥漿，觸變泥漿失水及管節(jié)頂板背土效應引起地表沉降。由于始發(fā)接收端頭土體進行了加固，使得該處土層黏聚力與內(nèi)摩擦角增大，有效降低了土層沉降變形。

作為太原地區(qū)首個矩型斷面頂管過街通道工程，施工中實時監(jiān)測、動態(tài)調(diào)整頂進參數(shù)，通過一系列信息化施工使得地面沉降保持在安全范圍。

4.3 經(jīng)濟效益

本工程采用頂管法并成功實施，給社會帶來了很大的經(jīng)濟效益。其一，工期較短且非敞開式施工，對周邊商業(yè)幾乎沒有造成影響。其二，采用頂管施工避免了通道上方DN800/1000 雨水管、DN1000 給水管、3800 mm×1 400 mm 雨水箱涵、2 300 mm×1 300 mm 電力箱涵110 kV 等管線的遷改，較傳統(tǒng)明挖法施工節(jié)省管線遷改費用近2 500 萬元。其三，地鐵車站通過本過街通道與2 個大型商業(yè)綜合體結(jié)建，給其商業(yè)帶來了極大的流量。

5 結(jié)論與建議

1）隨著城市建設的發(fā)展，軌道交通周邊建設環(huán)境也愈加復雜。越來越多的工程需要面對難以進行交通疏解與管線遷改的巨大壓力。在這種環(huán)境下，非敞開式的機械施工方法成為一種必要選擇。如何從設計與施工的各個環(huán)節(jié)把控好工程質(zhì)量安全與進度，成為工程設計重點思考的內(nèi)容。

2）在矩型頂管工程設計時，總頂力估算和反力墻驗算是理論計算的關鍵環(huán)節(jié)。由于總頂力估算中摩阻力系數(shù)取值有一定的經(jīng)驗性，且結(jié)合現(xiàn)場施工存在加大頂力的操作及考慮中途停機等突發(fā)狀況，摩阻力計算應保守考慮，同時端面土壓力宜按靜止土壓力計算。反力墻背后土體驗算建議按整體式反力墻考慮。

3）在矩型頂管現(xiàn)場施工過程中，管節(jié)減阻注漿和適時調(diào)整頂進參數(shù)是關鍵措施。完整的觸變泥漿套，可以有效降低頂進阻力，減少背土效應，降低地面沉降。做好渣土改良的同時，通過適時調(diào)整頂進參數(shù)，控制出土量，實時糾偏來保證頂進施工質(zhì)量。

4）太原地鐵2 號線長風街站地鐵過街通道工程是太原地區(qū)大斷面矩型頂管工法的首次應用。在非常復雜的環(huán)境下，成功將地表沉降控制在規(guī)范和設計要求的范圍內(nèi)，同時帶來很大的社會經(jīng)濟和環(huán)境效益。這在本地區(qū)對矩型頂管工法具有極大的推廣意義，也為后續(xù)頂管工程提供經(jīng)驗和參考。