復(fù)雜環(huán)境下大截面矩形頂管施工管線保護(hù)技術(shù)

施文捷

（上海申通地鐵集團(tuán)有限公司，上海200031）

1 工程概況

軌道交通2號(hào)線東延伸段張江高科站位于浦東新區(qū)科苑路、松濤路之間，車站主體位于祖沖之路下，為地下二層島式站臺(tái)車站，車站共設(shè)有5個(gè)出入口。其中1號(hào)出入口為矩形頂管出入口，位于車站主體北側(cè)，與祖沖之路“十”字相交，采用“地下暗埋箱涵拉頂結(jié)合技術(shù)”施工，矩形通道總長(zhǎng)23.0 m，矩形管節(jié)外包尺寸為4 000 mm×6 000 mm，通道結(jié)構(gòu)采用預(yù)制鋼筋混凝土管節(jié)，管節(jié)凈空為3 000 mm×5 000 mm，壁厚500 mm，管節(jié)長(zhǎng)度為1.50 m，管節(jié)之間采用“F”型承插式接口，管節(jié)混凝土標(biāo)號(hào)C50，抗?jié)B等級(jí)P8，管節(jié)內(nèi)預(yù)先放置預(yù)埋件，以將管節(jié)通過鋼拉索相連。管節(jié)頂部覆土約7.20 m。

矩形頂管穿越的祖沖之路下有很多市政管線，由北向南沿祖沖之路走向的有22萬V電力排管、18孔電信排管、φ500上水管、φ300煤氣管、φ2400雨水管等。其中22萬V電力排管、φ2400雨水管為重大市政管線，且分別處于矩形頂管出洞口及進(jìn)洞口區(qū)域，22萬V電力排管邊緣距離南側(cè)始發(fā)井出洞口SMW工法圍護(hù)樁僅1.0 m，φ2400雨水管距離接收井圍護(hù)灌注樁僅0.70 m，且基座距離矩形頂管通道頂部距離僅95 cm。始發(fā)井北側(cè)有中科院上海藥物研究所的危險(xiǎn)品倉(cāng)庫(kù)，距離始發(fā)井基坑圍護(hù)樁最近處僅2.0 m。

工程位置、周圍環(huán)境及管線分布見圖1所示。

2 工程地質(zhì)條件

該工程施工場(chǎng)地平坦，屬濱海平原地貌類型，場(chǎng)地地面標(biāo)高3.74 m～4.03 m，矩形頂管通道頂標(biāo)高-3.315 m，底標(biāo)高-7.315 m。各土層主要物理力學(xué)指標(biāo)見表1所列。

從地質(zhì)資料來看，矩形頂管主要穿越第③淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層、第④淤泥質(zhì)粘土層。該兩層土具流變觸變性，擾動(dòng)后強(qiáng)度迅速降低，矩形頂管施工時(shí)，軟粘性土易粘著機(jī)頭，造成堵塞；同時(shí)，矩形頂管上方存在著③T灰色粘質(zhì)粉土，該層土極易產(chǎn)生坍塌、流砂、涌水等不良現(xiàn)象，對(duì)于矩形頂管進(jìn)出洞過程中管線保護(hù)極其不利。

3 始發(fā)井、接收井進(jìn)出洞土體加固及管線風(fēng)險(xiǎn)分析

3.1 始發(fā)井、接收井進(jìn)出洞土體加固

一般來說，始發(fā)井出洞口土體加固至少為6排三軸攪拌樁，但該工程中出洞口上方存在著22萬V電力排管，距離始發(fā)井南側(cè)圍護(hù)樁距離極近，而電力部門規(guī)定僅能在電力排管1.0 m外施工。因此，受電力排管位置所限，僅能利用出洞口1排內(nèi)插700×300的SMW工法圍護(hù)樁與后面一排三軸攪拌樁做出洞加固。

受φ2400雨水管及接收井圍護(hù)灌注樁的位置的限制，接收井進(jìn)洞口土體加固僅能采用一排三軸攪拌樁。

3.2 管線風(fēng)險(xiǎn)分析

頂管出洞時(shí)，由于正面土壓力還處于摸索階段，因此，很難保證正面土壓力能夠達(dá)到實(shí)際狀態(tài)時(shí)的數(shù)值，出洞口上方土體不可避免地出現(xiàn)過度隆起或地面沉陷，而22萬V電力管廊正好處于頂管出洞區(qū)，極易產(chǎn)生過大沉降而斷裂。

在正常頂進(jìn)過程中，頂管分別穿越φ500上水、φ300煤氣，該兩條管線一旦沉降過大出現(xiàn)事故，造成的后果極其嚴(yán)重，社會(huì)影響較大。

頂管機(jī)頭進(jìn)洞區(qū)域，φ2400雨水管底部墊層距離頂管頂部約95 cm，接收井圍護(hù)形式為鉆孔灌注樁，機(jī)頭進(jìn)洞前需人工破除機(jī)頭范圍內(nèi)的鉆孔灌注樁，且進(jìn)洞加固僅有一排三軸攪拌樁，頂管上方約2.0 m處為③T層粘質(zhì)粉土，極易產(chǎn)生流砂，從而造成頂管通道上方水土流失，輕者導(dǎo)致雨水管斷裂滲水、漏水，重者導(dǎo)致整個(gè)車站區(qū)間被水淹沒。

表1 地層特性表

4 矩形頂管頂進(jìn)施工管線保護(hù)措施

4.1 地下暗埋箱涵拉頂結(jié)合施工技術(shù)

由于矩形頂管施工過程中機(jī)頭不可避免地會(huì)產(chǎn)生偏差，因此，一般是通過在機(jī)頭中間設(shè)置糾偏油缸糾偏，但在糾偏過程中機(jī)頭正面土體不可避免地要被擾動(dòng)，從而造成地面沉降加大，頂管上覆土體及管線沉降變形難以控制。

地下暗埋箱涵拉頂結(jié)合施工技術(shù)的施工過程基本等同于頂管施工技術(shù)，但是與頂管施工采用糾偏油缸糾偏不同，是采用導(dǎo)向拉索控制機(jī)頭偏斜，通過頂力與拉力的共同作用使管節(jié)前進(jìn)。在施工過程中通過導(dǎo)向拉索的導(dǎo)向作用，控制機(jī)頭沿著預(yù)定的方向前進(jìn)，保證機(jī)頭不偏斜，過程中不糾偏，施工對(duì)地面沉降影響較小。

4.2 掘進(jìn)機(jī)頭（見表2）

為有效地減小前段殼體的長(zhǎng)度，控制掘進(jìn)機(jī)頭掘進(jìn)過程中的翻轉(zhuǎn)，根據(jù)矩形頂管通道所穿越的地層地質(zhì)情況，將掘進(jìn)機(jī)頭刀盤系統(tǒng)采用6個(gè)刀盤布置在同一平面上。刀盤組合進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，可有效地控制掘進(jìn)機(jī)頭的側(cè)轉(zhuǎn)，保證頂拉進(jìn)姿態(tài)。為進(jìn)洞時(shí)保證φ2400雨水管的安全，減小刀盤切削時(shí)對(duì)土體的擾動(dòng)和保證迎土面土體穩(wěn)定，在掘進(jìn)機(jī)前端設(shè)置長(zhǎng)度500 mm的帽檐。

表2 JS4060矩形頂拉掘進(jìn)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)表

4.3 管線保護(hù)措施

根據(jù)地下管線資料，自始發(fā)井至接收井沿頂管通道軸線方向主要有22萬V電力管廊、18孔電信管線、φ500上水、φ300煤氣，φ2400雨水管等管線。其中22萬V電力電纜處在出洞加固影響范圍，易受到出洞階段頂進(jìn)不均勻帶來的影響；接收井北側(cè)的φ2 400雨水管底部埋深達(dá)到約6.5 m，與頂管凈距僅為95 cm，在頂進(jìn)過程中同樣易受到土體擾動(dòng)的影響，管線隆沉控制難度大。對(duì)于該工程來講，位于始發(fā)井外的21孔電力電纜及接收井外的φ2400雨水管是該工程的重點(diǎn)保護(hù)管線。

頂進(jìn)前管線主要保護(hù)措施：

（1）對(duì)21孔電力電纜采取懸吊保護(hù)。管線懸吊應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地要求設(shè)置，考慮如下方案：在頂管中心線處電力埋管上方，設(shè)置雙層700×300型鋼疊合吊梁對(duì)電力埋管進(jìn)行吊管，然后通過d24鋼絲繩抱箍（鋼絲繩最小破斷拉力281 kN）將電纜箱涵進(jìn)行懸吊。懸吊前電纜箱涵的基礎(chǔ)四角設(shè)∠140×140×12保護(hù)角鋼；型鋼疊合梁吊梁搭設(shè)在兩側(cè)的型鋼外伸梁上，兩者通過焊接連接；在暴露的管線上設(shè)置直接監(jiān)測(cè)點(diǎn)，頂管頂進(jìn)過程中進(jìn)行時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如果管線發(fā)生沉降可通過調(diào)節(jié)花籃螺絲的松緊來使管線不隨地層沉降產(chǎn)生更大變形，從而有效地控制管線沉降。

（2）對(duì)φ2 400雨水管進(jìn)行內(nèi)部鋼套環(huán)加固。單根鋼環(huán)由三節(jié)構(gòu)成，節(jié)與節(jié)連接采用螺紋連接，鋼環(huán)采用10 mm鋼板制成，每節(jié)鋼環(huán)寬度為600 mm。保護(hù)范圍是人行通道的正上方的雨水管道部分，約10 m寬，共需5套鋼內(nèi)套環(huán)。φ2 400雨水管保護(hù)措施見圖1所示。

圖1 φ2400雨水管內(nèi)部接頭加固圖

（3）挖除φ500上水、φ300煤氣管上部土體，在其上部架設(shè)φ300鋼管，將φ12鋼筋從φ500上水、φ300煤氣管下部穿越，上部與φ300鋼管焊接，焊接固定前先利用手搖千斤頂將φ500上水、φ300煤氣管拉緊。

（4）在進(jìn)洞口區(qū)域布設(shè)降水井。

為降低頂管進(jìn)洞時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)，考慮采用降水井降低其水位，控制③T層的水壓力，使之無法形成流砂，確保頂管進(jìn)洞安全。

參考工程地質(zhì)手冊(cè)，計(jì)算流土的臨界水力梯度。

式中：Jcr——臨界水力梯度；

γ′——土的有效重度，kN/m3；

γw——水的重度，kN/m3。

根據(jù)勘察報(bào)告取值，計(jì)算得出臨界水力Jcr為1.86。

取計(jì)算安全系數(shù)Fs為2.0，則允許水力梯度為：J允=Jcr/Fs=0.93。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，?、跿層水位埋深為2.0 m，則其至層底間最大水頭為4.50 m。取③T層平均厚度為2.00 m，則它的最大水力梯度J=2.25。

為了確保安全，需要降低其最大水位為：H=2.64 m。

根據(jù)以上計(jì)算，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的條件，該項(xiàng)目降水?dāng)M布設(shè)4口噴射井點(diǎn)，2口降水管井。其中，在接收井與φ2400雨水管間布設(shè)2口噴射井點(diǎn)，噴射井點(diǎn)外側(cè)4 m位置各布設(shè)1口管井。另在φ2400北側(cè)布設(shè)2口噴射井點(diǎn)。降水井的深度均為12.00 m。原接收井施工期間水位觀測(cè)孔G1（深度8.00 m）可作為該工程水位觀測(cè)孔。

降水井平面見圖2所示，其結(jié)構(gòu)見圖3所示。

圖2 降水井平面示意圖（單位：mm）

圖3 降水井結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)前期降水預(yù)測(cè)，在頂管進(jìn)洞時(shí)，應(yīng)提前2 d開啟噴射井點(diǎn)P1、P2進(jìn)行降水，控制其水位降深達(dá)到2.00 m，即觀測(cè)井G1水位埋深4.00 m；然后提前1 d開啟管井Y1、Y2降水，控制其水位降深達(dá)到3.00 m，即觀測(cè)井G1水位埋深5.00 m。其降水運(yùn)行工況見表3所列。

表3 降水運(yùn)行工況表

在頂管進(jìn)洞前，鑿除灌注樁過程中，機(jī)頭上部土體無滲水現(xiàn)象，土體自立性好，無管涌、流砂現(xiàn)象出現(xiàn)，有效地保證了頂管機(jī)頭進(jìn)洞安全。

5 結(jié)語(yǔ)

該工程地處交通繁忙地帶，周邊環(huán)境復(fù)雜，且地下管線眾多，重要管線分別處于頂管進(jìn)出洞區(qū)域，通過科學(xué)地制訂管線保護(hù)措施，精心地組織施工，全過程地信息化施工，完全可以成功實(shí)施。

在矩形頂管施工過程中，由于采用了拉頂結(jié)合施工技術(shù)，過程中不對(duì)機(jī)頭進(jìn)行糾偏。因此，管線沉降均控制在5 mm以內(nèi)，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

在地下工程施工過程中，無論環(huán)境多么復(fù)雜，只要采取的技術(shù)措施得當(dāng)，控制地面及管線變形在設(shè)計(jì)要求以內(nèi)是完全可以做到的。

城市越來越擁擠，環(huán)境越來越復(fù)雜，在該工程中采取的管線保護(hù)措施，可為同行提供借鑒。

[1]葛金科，沈水龍，許燁霜.現(xiàn)代頂管施工技術(shù)及工程實(shí)例[M].北京：中國(guó)建筑出版社，2009.

[2]余彬泉，陳傳燦.頂管施工技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，1998.

[3]孫鈞，虞興富，孫昊，李向陽(yáng).超大型“管幕—箱涵”頂進(jìn)施工變形的分析與預(yù)測(cè)[J].上海非開挖技術(shù)，2006，（3）.

[4]周海松，李淑海.非開挖技術(shù)在昆明呈貢昆洛路綜合管溝施工中的應(yīng)用[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2006，（10）.

[5]張志勇，李淑海.城市矩形隧道的應(yīng)用與施工工藝的發(fā)展[J].施工技術(shù)，2009，38（增刊）.