大斷面矩形頂管近距離上穿地鐵隧道變形控制探討

葉耀東

（上海建浩工程顧問有限公司，上海市 200030）

0 引言

頂管技術(shù)是一項(xiàng)用于市政施工的非開挖掘進(jìn)式施工方法，具有不影響地面交通、不用搬遷市政管線、不破壞地面道路結(jié)構(gòu)、施工場(chǎng)地小、噪音小等優(yōu)點(diǎn)，矩形頂管與圓形頂管斷面相比，能節(jié)約35%以上的地下空間，同時(shí)可以減小隧道埋深，提高地下空間的利用率，多用于人行地道、地下管線共同溝、電力管道、引水和排水管道等工程，目前我國(guó)大多數(shù)地區(qū)已廣泛采用。根據(jù)地質(zhì)條件的不同，可以采取泥水平衡式頂管機(jī)、土壓平衡式頂管機(jī)、氣壓平衡式頂管機(jī)等[1-2]。

1 工程概況

某過街通道頂管長(zhǎng)度46.8 m，外壁尺寸為6.9 m×4.2 m，其上覆土層厚度約3.5 m。管材采用混凝土強(qiáng)度為C55，抗?jié)B等級(jí)為P8預(yù)制矩形鋼筋混凝土管節(jié)，管壁厚為0.45 m，單節(jié)管長(zhǎng)1.5 m，重約33.7 t。與下臥地鐵隧道凈距僅3m；其上方約0.46 m位置處埋設(shè)有一根Φ1000雨水管。隧道兩側(cè)設(shè)置平面尺寸9 m×10 m、6 m×10 m始發(fā)井和接收井各一座，圍護(hù)采用Φ850SMW內(nèi)插H700×300×13×24型鋼。根據(jù)地質(zhì)資料，工作井基坑開挖面位于④1層灰色淤泥質(zhì)粘土，頂管在第③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土中頂進(jìn)；下臥地鐵隧道埋藏于④1和④2-1層。頂管相對(duì)關(guān)系見圖1。

2 工程難點(diǎn)分析

2.1 區(qū)間隧道保護(hù)等級(jí)高

圖1 頂管與隧道及雨水管線相對(duì)關(guān)系圖（單位：mm）

頂管底部與下臥地鐵區(qū)間隧道頂部間距僅3.0 m，管節(jié)自重小于出土重量，頂進(jìn)過程中土體大量卸載造成區(qū)間隧道上部荷載減少，隧道易出現(xiàn)隆起現(xiàn)象。鑒于該工程下臥地鐵盾構(gòu)隧道建成時(shí)間不長(zhǎng)，其結(jié)構(gòu)變形尚未最終穩(wěn)定，隧道上方荷載變化極易導(dǎo)致隧道接頭等薄弱部位出現(xiàn)漏水（泥）現(xiàn)象，將加劇隧道結(jié)構(gòu)變形。地鐵運(yùn)營(yíng)主管部門方案審批時(shí)，嚴(yán)格規(guī)定了頂管施工所引起的縱向隆沉量應(yīng)控制在4 mm/10 m以內(nèi)，日隆起或沉降量不大于2 mm；軌道橫向傾斜始終小于1.4‰的安全范圍內(nèi)；隧道累計(jì)變形量嚴(yán)格控制在5 mm內(nèi)等具體變形控制指標(biāo)。眾所周知。隧道結(jié)構(gòu)變形具有“不可逆性”，一旦發(fā)生較大沉降，變形恢復(fù)難度極大。

2.2 頂管上方覆土較淺，地面變形控制難度較大

工程矩形頂管覆土厚度僅3.5 m，相對(duì)于同類型頂管而言，覆土厚度較淺，形成完整的減磨阻泥漿套難度大。為有效降低地表等沉降變形，只有嚴(yán)格控制頂管頂力、頂管姿態(tài)及頂進(jìn)速度等施工參數(shù)，才能保證地面沉降、管線和隧道變形控制在規(guī)范規(guī)程要求內(nèi)。

2.3 雨水管保護(hù)難度高

頂管上方約0.46m位置處敷設(shè)有一條Φ1000混凝土雨水管，施工過程中容易受到施工機(jī)械、施工工藝及其他相關(guān)因素的影響，當(dāng)頂管軸線等出現(xiàn)較大偏差時(shí)，雨水管底素砼墊層等地下障礙物極有可能頂管刀盤磨損，甚至雨水管線破壞等不良后果。

3 地鐵隧道變形控制措施[3-5]

3.1 方案比選

為安全起見，工程實(shí)施前通過數(shù)值模擬方法，對(duì)MJS工法加固已建隧道、直接頂進(jìn)、地面設(shè)置蓋板加堆載等三種方案進(jìn)行綜合比選。

（1）MJS工法加固已建隧道

MJS工法是一種能進(jìn)行水平、傾斜以及垂直方向的大深度地基改良，施工過程中對(duì)周邊的地基產(chǎn)生影響較小，廢棄的泥漿可以集中處理，以防止環(huán)境污染。但為確保地鐵運(yùn)營(yíng)安全，《上海市軌道交通安全保護(hù)區(qū)暫行管理規(guī)定》嚴(yán)格規(guī)定，未經(jīng)許可地鐵工程（外邊線）兩側(cè)的鄰近3 m范圍內(nèi)不能進(jìn)行任何工程。雖然MJS工法對(duì)土體擾動(dòng)較小，但鉆孔注漿以及漿液硬化均會(huì)對(duì)隧道周邊產(chǎn)生不同程度的擾動(dòng)，為此，地鐵運(yùn)營(yíng)主管部門不建議采用對(duì)該工法加固運(yùn)營(yíng)地鐵隧道。

（2）直接頂進(jìn)

由于頂管頂進(jìn)過程中，土體的卸載量大于管片自重，為此，通過對(duì)頂進(jìn)過程中土體卸載工況進(jìn)行三維有限元數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果表明，過街通道下部管壁隆起量約17 mm，頂管管頂隆起量約10 mm；已建隧道最大隆起變形約4.8 mm，施工稍有不慎，隧道累計(jì)變形極易超出運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）地面設(shè)置蓋板加堆載

為滿足運(yùn)營(yíng)地鐵保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)要求，建筑物垂直荷載（包括基礎(chǔ)地下室）及降水、注漿等施工因素而引起的地鐵隧道外壁附加荷載不大于20 kPa。工程按蓋板加堆載總荷載為20 kPa進(jìn)行三維有限元數(shù)值模擬計(jì)算，計(jì)算模型見圖2?；炷辽w板采用上層Φ16@200，下層Φ18@200雙層雙向配筋蓋板厚300 mm，蓋板上方堆載700厚覆土。計(jì)算結(jié)果顯示，矩形頂管下方最大隆起量約10.1 mm，已建隧道最大隆起約1.9 mm；地表由于受到堆載作用，最大下沉量為5.7 mm。

圖2 蓋板加堆載模型

比較直接頂進(jìn)和地面設(shè)置蓋板加堆載措施兩種數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，最終選用地面設(shè)置蓋板加堆載措施，隧道上浮量由4.8 mm減小到1.9 mm，滿足地鐵結(jié)構(gòu)變形的要求。

3.2 施工技術(shù)措施

（1）設(shè)備選型

經(jīng)專家論證，工程采用4.2 m×6.9 m多刀盤土壓平衡式矩形頂管機(jī)，該設(shè)備不但能夠保持土壓平衡，而且頂進(jìn)過程中對(duì)周圍土體擾動(dòng)小，不影響原有的各類地下管線，不影響道路交通及地面的各類建筑，控制地面沉降精度較高。

（2）排摸頂進(jìn)區(qū)域施工地質(zhì)情況

頂管施工前，采用小螺桿對(duì)頂進(jìn)軸線上方進(jìn)行探孔，摸清上方具體土層情況，為制定有效的壓漿方案提供指導(dǎo)。頂進(jìn)過程中，通過提高觸變泥漿的稠度和注漿壓力，防止地面出現(xiàn)冒漿等現(xiàn)象。

（3）控制頂進(jìn)推力

工程實(shí)施階段，除設(shè)置試驗(yàn)段獲取合理施工參數(shù)外，在距離地鐵保護(hù)區(qū)10 m范圍時(shí)，嚴(yán)格按照模擬段施工參數(shù)控制頂進(jìn)壓力、頂進(jìn)速度及日頂進(jìn)距離。

（4）信息化施工

由于頂管施工穿越區(qū)覆土較淺，且處于不穩(wěn)定的軟土地層，頂管穿越后擾動(dòng)土層必定會(huì)使下臥隧道產(chǎn)生一定程度的變形。為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地鐵結(jié)構(gòu)的變形情況，除進(jìn)行人工監(jiān)測(cè)外，還在下臥隧道頂管穿越影響范圍內(nèi)50 m布設(shè)電水平尺和數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)，綜合運(yùn)用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和人工監(jiān)測(cè)相結(jié)合手段進(jìn)行地鐵結(jié)構(gòu)的沉降監(jiān)測(cè)，形成可供比較的兩套地鐵線路監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，用于動(dòng)態(tài)指導(dǎo)信息化施工，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)優(yōu)化推進(jìn)速度、開挖面土壓力、泥水壓力、泥漿濃度等施工參數(shù)，確保地鐵結(jié)構(gòu)安全。

（5）換漿處理

為了在局部沉陷或隆起時(shí)能及時(shí)處理，混凝土蓋板施工時(shí)沿頂進(jìn)軸線預(yù)留2排間距1.5 m，排距2 m跟蹤補(bǔ)漿、補(bǔ)土孔。頂進(jìn)過程中加強(qiáng)同步注漿，盡可能將膨潤(rùn)土泥漿套隨機(jī)頭向前移動(dòng)，形成連續(xù)的環(huán)狀泥漿套。頂進(jìn)結(jié)束后，立即用純水泥漿置換膨潤(rùn)土泥漿。換漿在列車停止運(yùn)營(yíng)后實(shí)施并完成，嚴(yán)格控制換漿壓力，出現(xiàn)隧道變形速率較大時(shí)，立即停止加壓措施。

4 實(shí)施效果分析

工程采用地面設(shè)置蓋板加堆載措施后，環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，頂管始發(fā)井前端地表沉降較大，最大累計(jì)值約12 cm，其余地表沉降在5cm左右。頂管上方Φ1000混凝土雨水管最大沉降約5 cm，通過CCTV檢測(cè)，雨水管未出現(xiàn)滲漏水等異常現(xiàn)象。

圖3為下臥地鐵隧道上行線自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變形曲線，可以看出，最大隆起變形位置位于頂管正下方穿越區(qū)域，變形隨著與穿越區(qū)域距離的增大不斷減小，隧道最大隆起量為3.9 mm，滿足運(yùn)營(yíng)地鐵保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的5 mm要求。

圖3 上行線自動(dòng)監(jiān)測(cè)變形曲線

5 結(jié)語

矩形頂管具有工藝成熟，不破壞道路結(jié)構(gòu)、噪音小等特點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于地下通道、共同溝等地下工程中。本文以頂管近距離穿越地鐵隧道為背景，采用地面設(shè)置蓋板加堆載措施有效控制了下臥地鐵隧道及地表變形。工程體會(huì)如下：

（1）在不超出地鐵保護(hù)所要求的地面超載前提下，采取蓋板加地面堆載措施對(duì)控制地表及隧道變形效果較為明顯；

（2）采用自動(dòng)化及人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合對(duì)于調(diào)整頂管施工參數(shù)，對(duì)于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工控制變形尤為重要。

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