矩形頂管地下通道的設計

劉發(fā)前，盧永成

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 前言

隨著城市化的發(fā)展，道路快速化、施工便利性和減小施工對社會環(huán)境的影響是城市規(guī)劃中必須考慮的因素之一，因此人行過街地下通道逐漸受到城市建設者的青睞。早在上世紀90年代，上海人民大廈人行連通道就采用了矩形頂管的施工方法。近年來很多城市均出現(xiàn)了矩形頂管施工的人行通道，如南京水西門大街連通道、上海茅臺路人行連通道等等，烏魯木齊亦有多座矩形通道正在施工。為推廣矩形頂管施工方法在短距離地下通道的應用，本文以南京師范大學附屬中學地下人行通道工程為背景，詳細介紹該工程的設計方案與各位專家同行一起探討。本文旨在拋磚引玉，希望引起專家同行的興趣，共同推進矩形頂管法的設計發(fā)展。

1 工程概況

根據(jù)南師附中總體布局，現(xiàn)狀察哈爾路橫穿校區(qū)形成了南、北兩部分。南校區(qū)由行政大樓和教學樓組成，是師生工作和學習的主要場所；北校區(qū)主要是體育活動中心，是師生休閑活動的區(qū)域，南北校區(qū)的來往非常頻繁。如此，察哈爾路成了快速順利來往的主要障礙，實施南北校區(qū)的無障礙連通勢在必行。

察哈爾路是江北大橋左轉(zhuǎn)下匝道的主要路口，交通繁忙且管線密集，為了達到社會影響和經(jīng)濟最優(yōu)化，需在察哈爾路下新建一人行通道，采用矩形頂管作業(yè)方式。通道凈尺寸為5.5m×3.3m，結(jié)構(gòu)壁厚50 cm，橫斷面如圖1所示。根據(jù)地形圖和物探資料，察哈爾路上自北向南的管線密集，詳見表1所列。其中直徑40 cm污水管距離通道結(jié)構(gòu)最近，約164 cm，是受頂管施工影響最大的管線，也是該工程施工控制的關(guān)鍵。

圖1 頂進段標準橫斷面圖

表1 察哈爾路上管線統(tǒng)計表

2 工程地質(zhì)水文條件

根據(jù)地質(zhì)詳勘報告，地貌類型屬于古秦淮河漫灘地貌單元。按巖土體成因類型、時代、埋藏分布特征及物理力學性質(zhì)指標的異同性，把巖土體劃分為11個工程地質(zhì)層，與該工程相關(guān)的土層具體分述如下(見表2）。

表2 土層分布表

場區(qū)未見地表水，地下水類型主要為孔隙潛水和基巖裂隙水。

孔隙潛水主要賦存于表層填土和②5層以淺的各砂性土層中，主要接受大氣降水和地表水補給；勘察期間鉆孔內(nèi)初見水位埋深為1.60～2.10m；穩(wěn)定水位埋深為1.50～1.90 m，平均值1.68 m。水位變化受大氣降水的影響有升降變化，年變化幅度約1.50 m，年最高地下水位可按埋深0.50 m考慮?；鶐r裂隙水對該工程無影響。

3 詳細設計方案

人行通道始于南側(cè)籃球場，沿弧形（R=20 m）梯道下至最低點，經(jīng)下穿察哈爾路到達北校區(qū)，與體育館地下一層連接，其平面總圖如圖2所示。該工程全長84.152 m，分為頂進施工段和明挖施工段兩部分。下穿察哈爾路段為頂進施工，長度約44.9 m。南校區(qū)設置始發(fā)工作井，平面投影尺寸為9.4 m×9.2 m；北側(cè)設置接收工作井，平面尺寸為5.5m×8.6m。兩側(cè)明挖段分別長為23.6m（南側(cè)）和15.652 m（北側(cè)接體育館）。工作井和明挖施工段均位于南師附中學校圍墻內(nèi)，不占用察哈爾路的空間。本文僅對工作井和頂進段的主體結(jié)構(gòu)和防水進行詳細介紹，明挖段與常規(guī)工程類似，在此不再贅述。

3.1 主體結(jié)構(gòu)設計

整個地下通道結(jié)構(gòu)縱斷面如圖3所示。

圖2 地下通道平面位置示意圖

始發(fā)工作井的平尺寸為9.2 m×9.4 m，上部開口以滿足機械吊裝、管節(jié)吊裝和出料等功能（見圖4）。圍護結(jié)構(gòu)采用Ф850 mmSMW工法樁加角撐的常規(guī)型式，不影響盾構(gòu)機的吊裝、拼裝。頂管機為DFY型土壓平衡矩形頂管機（見圖5），斷面尺寸為6.54 m×4.34 m，長為5.3 m，總重量達110 t。施工時分兩次吊裝，就位后進行拼裝。始發(fā)工作井既是頂進段的始發(fā)作業(yè)平臺，同時作為頂進段的后靠背，應滿足最大頂力的要求。因此，在頂管機的后部（后靠部位） 5m范圍內(nèi)采用Ф850 mm三軸水泥土攪拌樁加固以提供足夠的后靠力，詳細計算如下：

最大頂進力：F0+2·a·b·L·fk+NF

對于土壓平衡頂管機，端阻力NF為：

由于頂管段上面一半位于②3粉土層，下面一半位于②4粉砂層，參照《地基基礎(chǔ)設計規(guī)范》（上海）[1]，采用觸變泥漿減阻措施時管壁與土的平均摩阻力，粉性土與鋼筋混凝土之間的摩阻力為5.0～8.0 kPa，粉細砂與鋼筋混凝土管的摩阻力為8～11 kPa，則：

圖3 地下通道結(jié)構(gòu)縱斷面圖

圖4 南側(cè)工作井示意圖

圖5 DFY型矩形頂管機實景

參考《地下工程設計與施工手冊》[2]中鋼板樁后靠的設計方法，承壓壁后面的土壓力假定為均勻分布，而板樁兩端的土壓力為零，即整個土壓反力成梯形分布。承壓壁后的土壓力均值為：

這里假定頂鐵的尺寸即為通道結(jié)構(gòu)的尺寸，所得結(jié)果偏于保守。而在頂鐵頂部的被動土壓力為：

其中c值取100 kPa，為水泥土攪拌樁加固后的等代黏聚力，取值亦比較保守；φ?、?層土的內(nèi)摩擦角27.1°，可見后靠背的設計滿足最大頂力要求。

該工程下部為規(guī)劃地鐵7號線，工作井與地鐵隧洞的凈距為2.45 m。由于線位尚未確定，因此為了不給將來地鐵施工帶來影響，在工作井下部不設任何混凝土結(jié)構(gòu)。為了確保結(jié)構(gòu)本身在地鐵施工后的安全，在工作井下1.6 m厚度范圍進行Ф850 mm三軸水泥土攪拌樁加固，增強土體剛度，同時防止盾構(gòu)推進時上部大面積坍塌。

在頂管機出洞面四周設計為梁柱連接的框架結(jié)構(gòu)，出洞口處僅為素混凝土，以便于頂管機出洞時切割容易。頂管機出洞段3 m范圍內(nèi)亦采用Ф850 mm三軸水泥土攪拌樁加固以確保出洞時出現(xiàn)滲漏和土體坍塌。頂進節(jié)段的最后一節(jié)位于工作井的梁（AL1-B）上，當頂進完成后，工作井與踏步?jīng)_突的部分墻體需鑿除并在井內(nèi)設置通道踏步。為此，為使得工作井內(nèi)段與頂進段不會產(chǎn)生差異沉降，在踏步下部分均用C20素混凝土填筑，在兩側(cè)僅采用素土填筑，一方面滿足梯道板下的剛度平衡，又使得工程最為經(jīng)濟。

北側(cè)接收井位于西側(cè)文化墻和東側(cè)地下體育場之間，在圍護結(jié)構(gòu)施工時體育場的圍護結(jié)構(gòu)和側(cè)墻已施工完成。因此，接收井的圍護結(jié)構(gòu)施工作業(yè)空間很小，東西方向?qū)挾葍H12 m左右，經(jīng)多方案比較確定采用16 m長鉆孔灌注樁加高壓旋噴樁的圍護形式，高壓旋噴樁樁底進入3層不透水層?？紤]到體育場基坑開挖到坑底時，此處曾出現(xiàn)過管涌問題，而該接收井的止水帷幕由于場地限制僅能采用高壓旋噴樁，因此采用兩排Ф800@500布置，以進一步防止工作井基坑施工過程中管涌問題的發(fā)生。

3.2 防水結(jié)構(gòu)設計

由于洞圈與管節(jié)間存在著15 cm的建筑空隙，在頂管出洞及正常頂進過程中極易出現(xiàn)外部土體及觸變泥漿涌入始發(fā)井內(nèi)的嚴重質(zhì)量安全事故。為防止此類事故發(fā)生，施工前在洞圈上安裝簾布橡膠板密封洞圈，其詳細設計如圖6所示。洞口止水裝置應安裝在洞口設計預留法蘭上。由橡膠止水圈與翻板組成，需與設計管位保持同心，誤差小于2 mm。安裝前須對簾布橡膠板上所開螺孔位置、尺寸進行復核，確保其與洞圈上預留螺孔位置一致。安裝順序自上而下進行。壓板螺栓應可靠擰緊，使簾布橡膠板緊貼洞門，防止矩形頂管出洞后漿液泄漏。

圖6 出洞處止水裝置示意圖

第一節(jié)管節(jié)需進入接收井，且突出接收工作井部分需截斷以便于與接收井封閉、設置防水措施。以頂管管節(jié)側(cè)墻為例，在接收井測區(qū)內(nèi)預埋錨筋和100 mm×10 mm厚鋼板，與第一節(jié)管節(jié)上預埋的100 mm×20 mm鋼板交叉（見圖7）。為防止外界地下水進入接收井，在管節(jié)與接收井外墻之間（約150 mm寬）填筑微膨脹混凝土，并在與預埋鋼板相接的位置設置遇水膨脹橡膠止水條；同時，用一200 mm×20 mm鋼板連接管節(jié)和接收井側(cè)墻上的預埋鋼板，并在外側(cè)澆注止水梁，如此多道止水措施，確保止水效果。

圖7 第一節(jié)管節(jié)與接收井外墻間防水措施示意圖

管節(jié)之間的防水詳細構(gòu)造如圖8所示，兩管節(jié)之間的變形縫處填塞膠合板，在中間處布置一彈性密封墊，靠近結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)的梯形區(qū)域內(nèi)填塞聚乙烯密封膠和高模量聚氨酯密封膠。結(jié)構(gòu)內(nèi)、外側(cè)均焊制不同厚度的鋼板（鋼套環(huán)），在外側(cè)做成承插式的接頭、內(nèi)側(cè)兩鋼板之間再用一等厚鋼板連接。結(jié)構(gòu)外側(cè)做成兩層臺階式型式，第一級臺階高12mm，與下一管節(jié)的鋼套環(huán)之間布置一35 mm厚的止水圈，并用一8 mm厚的鋼板固定；第二節(jié)臺階高20mm，為鋼套環(huán)的插入空間，施工完成后在兩者空隙內(nèi)注漿以密實空隙。為防止后續(xù)管節(jié)與剛套環(huán)之間滲漏水，在兩者接觸處布置一遇水膨脹橡膠條（兩端用Ф6 mm圓鋼固定）。通過重重防水措施，確保施工和運營過程中有效防水。

圖8 管節(jié)拼接防水布置詳圖

4 結(jié)語

通過南師附中地下人行通道的案例，可感受到矩形頂管法帶來的安全、便利。在該工程中，頂進過程中路面的沉降約為2～3 cm，在可接受的范圍內(nèi)。由于接收井處施工區(qū)域非常狹窄，給施工帶來了較大困難，通過多方案比選，確定利用鉆孔灌注樁加雙排高壓旋轉(zhuǎn)樁的止水帷幕是非常安全的。整個工程施工速度較快，對社會影響又小，是一種值得推廣的方案，該工程的設計亦可供將來類似工程參考。

[1]DGJ08-11-2010/J11595-2010，地基基礎(chǔ)設計規(guī)范（上海）[S].

[2]夏明耀,曾進倫主編.地下工程設計施工手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997.