復(fù)雜工程條件下淺埋矩形大斷面頂管關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用研究

金 華，馬西峰，趙立鋒，孫廣臣

(1.南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司，南京 210000; 2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院， 長沙 410075;3.中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，長沙 410007)

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復(fù)雜工程條件下淺埋矩形大斷面頂管關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用研究

金 華1，馬西峰1，趙立鋒1，孫廣臣2，3

(1.南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司，南京 210000; 2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院， 長沙 410075;3.中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，長沙 410007)

南京地鐵3號線新莊站3號出入口通道采用大斷面矩形頂管施工技術(shù)，在復(fù)雜地質(zhì)及環(huán)境條件下施工難度大。頂管施工區(qū)段主要處于淤泥質(zhì)黏土、粉土及沖積-洪積粉細(xì)砂地層，地下水豐富且承壓水頭高，在掘進中易產(chǎn)生排土不暢或造成砂層固結(jié)以及頂管進出洞施工風(fēng)險較高等問題，對周邊建(構(gòu))筑物及管線保護要求高，交通疏解難度大且管線遷改工期長。通過周密的現(xiàn)場調(diào)查研究，在頂管機選型、頂進參數(shù)與姿態(tài)控制、渣土改良、環(huán)境監(jiān)測等方面采取一系列科學(xué)有效的關(guān)鍵技術(shù)措施，逐一攻克各個工程技術(shù)難點，確保工程的如期貫通。

地鐵；淺埋；富水軟土地層；大斷面矩形頂管；工程難點；技術(shù)措施

1 概述

目前城市軌道交通車站越來越多地采用出入口通道，下穿主干道路在道路兩側(cè)分別設(shè)置出入口，傳統(tǒng)的施工出入口方法有明挖法、暗挖法，明挖法施工工藝成熟，工程成本小，但是需要對道路交通進行封閉，影響地面道路，同時如果通道距周邊房屋過近易引起房屋變形或開裂，暗挖法可以避免交通疏解但是在開挖過程中如果地質(zhì)條件不好(流砂富水)地層時易發(fā)生塌方，而采用頂管法對地面無任何影響，施工控制精度高，對周邊環(huán)境影響小，具有明顯優(yōu)勢。南京地鐵3號線新莊站位于龍蟠路與新莊立交東側(cè)方向，大致成南北走向。擬建的3號出入口位于車站西南端，橫跨龍蟠路，上部有高架橋。由于工程所處周邊地段交通繁忙，因而采用頂管法施工。結(jié)合南京地鐵3號線新莊站項目中的3號出入口(矩形盾構(gòu))中的大斷面矩形頂管施工，探討了施工中存在的技術(shù)難點及采用的解決措施，以期為今后類似頂管工程設(shè)計與施工提供借鑒和參考。

2 工程概況及方案選擇

南京地鐵3號線新莊站3號出入口橫跨龍蟠路且上部有高架，采用大斷面矩形頂管法施工，兩端各設(shè)1處工作井，其中始發(fā)工作井臨近南京國際會展中心旗桿位置，緊鄰新莊廣場南公交站臺西側(cè)；接收工作井部分位于在建的新莊站施工場地內(nèi)，部分位于龍蟠路車行道上，南林大廈北側(cè)(圖1)。

本工程矩形頂管下穿龍蟠路，上部有高架橋，管頂平均覆土深度3.6 m，頂管外包截面尺寸4.9 m×6.9 m，內(nèi)凈空尺寸4 m×6 m，矩形，壁厚0.45 m，管節(jié)長度1.5 m；頂管管節(jié)采用C50預(yù)制混凝土管節(jié)，混凝土防水等級為P8；頂管結(jié)構(gòu)全部采用預(yù)制矩形鋼筋混凝土管節(jié)，管節(jié)接口采用“F”形承插式，接縫防水裝置采用鋸齒形止水圈和雙組分聚硫密封膏，采用六刀盤土壓平衡式矩形頂管機進行掘進施工。頂管工程主要工程量為：管節(jié)頂進59.2 m，共38個標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)。

圖1 新莊站3號通道平面位置示意

2.1 工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及周邊管線情況條件2.1.1 工程地質(zhì)條件

頂管過程所處地層范圍內(nèi)從上至下依次包含有：雜填土層①-1、素填土層①-2b3、粉質(zhì)黏土②-1b2、粉土②-2c3、(淤泥質(zhì))粉質(zhì)黏土②-2b4、粉質(zhì)黏土②-3b2、粉質(zhì)黏土③-1b1-2、粉質(zhì)黏土③-2b2、粉土③-2c2、含碎石粉質(zhì)黏土③-3e1、粉質(zhì)黏土③-3b1-2，其中頂管通道主要位于粉質(zhì)黏土、粉土地層中。頂管所處地層地質(zhì)剖面，如圖2所示。

圖2 新莊站3號出入口及頂管段地質(zhì)剖面示意

2.1.2 水文地質(zhì)條件

工程所在場地地下水主要為孔隙潛水和孔隙承壓水。工程范圍地處階地～秦淮河漫灘，地下水埋藏淺，勘察期間孔隙潛水水位埋深0.60～1.80 m，年變幅1.5 m(最高水位埋深按0.5 m考慮)。孔隙潛水主要分布于3層土體中，基坑開挖時，坑壁易滲水，不利于基坑穩(wěn)定；場區(qū)內(nèi)軟土、砂土發(fā)育，厚度大，水量較豐富，對開挖施工和抗浮不利。微承壓水水頭較高，測得S10Z12孔3-3el層微承壓水水位埋深2.00 m(高程10.56 m，吳淞高程)。場地地下水和水位以上土層對混凝土及鋼筋均有微腐蝕性。

2.1.3 出入口周邊管線及建筑物情況

3號出入口橫穿龍蟠路，本工程段頂管長度59 m，覆土埋深約3.7 m，結(jié)構(gòu)施工范圍內(nèi)管線主要有DN600自來水管、DN500燃?xì)夤苈裆?.6 m，混凝土雨水管管徑1 200 mm，埋深1.2 m，網(wǎng)通24孔(塑)，周邊主要建筑物有110 kV高壓塔，龍蟠路立交橋(頂管斜穿龍蟠路及其高架，平剖面最近距離分別為2.34 m和1.2 m)。

3 施工方案的確定(表1)

表1 出入口過街通道方案比較

綜合考慮交通疏解、管線改遷(保護)、經(jīng)濟造價等，確定南京地鐵3號線新莊站過街通道施工優(yōu)先采用頂管法。

4 頂管施工工藝流程及主要技術(shù)措施

4.1 頂管施工主要工藝流程(圖3)

圖3 頂管施工工藝流程

4.2 管節(jié)設(shè)計及內(nèi)力分析4.2.1 管節(jié)結(jié)構(gòu)形式及尺寸

本項目頂管工程全長59 m，設(shè)計采用外形尺寸6 900 mm×4 900 mm的矩形鋼筋混凝土預(yù)制管節(jié)，C50防水混凝土(抗?jié)B等級P8)，每環(huán)管節(jié)為一整體，管節(jié)厚450 mm，長1 500 mm，管節(jié)總用量為38節(jié)。

4.2.2 管節(jié)內(nèi)力分析

管節(jié)頂部覆土厚度3.7 m，不考慮地下水位的影響，土體容重20 kN/m3，靜止土壓力系數(shù)取0.5，土摩擦系數(shù)取0.4，對管節(jié)考慮2種工況進行分析計算：(1)內(nèi)襯尚未施工，管節(jié)起圍護作用；(2)管節(jié)承受最大頂力作用。結(jié)構(gòu)計算采用荷載-結(jié)構(gòu)模型。

對2種工況[8]進行了鋼管節(jié)的應(yīng)力和應(yīng)變分析，應(yīng)力分析結(jié)果表明：管節(jié)最大豎向變形為4 mm，滿足規(guī)范要求，施工監(jiān)測的數(shù)據(jù)顯示頂管法引起的地表最終沉降小于規(guī)范要求的地表沉降值30 mm。

5 頂管施工關(guān)鍵技術(shù)措施及效果分析

5.1 工作井施工方法及端頭加固

頂管工作井采用明挖法施工，起重始發(fā)井最大開挖深度為11.45 m，接收井最大開挖深度為9.3 m，圍護結(jié)構(gòu)采用φ800 mm，間距1 000 mm的鉆孔灌注樁加內(nèi)支撐圍護體系，圍護樁及坑底采用直徑800 mm的雙管旋噴樁，始發(fā)井端頭采用6排φ800 mm，間距600 mm的雙管旋噴樁加固，加固長度為3.865 m，寬度為13 m，深度11.9 m，接收井端頭采用5排φ800 mm，間距600 mm的雙管旋噴樁加固，加固長度為3.265 m，寬度為13 m，深度約10.06 m。

5.2 工作井下準(zhǔn)備工作5.2.1 洞門止水裝置安裝

由于洞圈與管節(jié)之間存在15 cm的建筑空隙，在始發(fā)及正常頂進過程中容易發(fā)生涌水、涌沙，施工前在洞門圈上安裝簾布橡膠板，橡膠板采用12 mm厚鋼板做壓板，保證簾布板的密封性能。

5.2.2 基座及頂進后靠、機架的安裝

基座必須穩(wěn)固，在頂進過程中承受各種負(fù)載不變形、不位移，基座上兩根軌道保持平行、等高。軌道與頂進軸線平行，導(dǎo)軌高程偏差不超過3 mm，導(dǎo)軌中心水平位移不超過3 mm，導(dǎo)軌采用43 kg/m鋼軌，機頭不直接放置在軌道上，而是放置在機架上，機架與鋼后靠連接在軌道上，機架與鋼后靠的總質(zhì)量約8 t，同樣在接收井內(nèi)也需要安裝一個機架，下鋪設(shè)鋼軌，隨著頂進的進行，軌道沿頂進方向延伸，機架與鋼后靠留在工作井內(nèi)。為保證力的均勻傳遞，鋼后靠根據(jù)實際頂進軸線放樣安裝時，在鋼后靠與始發(fā)井內(nèi)襯墻間預(yù)留一定空隙(空隙大小為10 cm)，現(xiàn)澆鋼筋混凝土填充此縫隙，這樣頂管頂進中產(chǎn)生的反頂力能均勻分布在內(nèi)襯墻上，鋼后靠的高程安裝偏差不超過5 mm，水平偏差不超過7 mm。

5.3 頂管機吊裝及組裝定位

頂管機吊裝時分前后、上下4部分吊裝，前后端尺寸分別為3.6 m×6.9 m×4.9 m和1.8 m×6.9 m×4.9 m，前段上下質(zhì)量分別為40 t和43 t，后段上下質(zhì)量均約為32 t，頂管機吊裝下井后統(tǒng)一組裝，為保證頂管始發(fā)軸線控制精度，需要對頂管機進行精確定位，盡量使頂管機軸線與設(shè)計軸線相符，頂管機準(zhǔn)確定位后，必須反復(fù)進行調(diào)試，在確定頂管機正常運轉(zhuǎn)后，方可進行始發(fā)和正常頂進工作。

5.4 大斷面矩形頂管在淺埋富水軟土地層中頂進施工關(guān)鍵技術(shù)

5.4.1 粉質(zhì)黏土中掘進施工控制措施

(1)為了防止“砂層流塑性差”現(xiàn)象的發(fā)生，在刀盤面板上設(shè)置了6個添加劑注入孔，配置了添加劑注入系統(tǒng)，根據(jù)需要向開挖面添加膨潤土和添加劑，改善碴土的流動性、止水性。

(2)在刀盤轉(zhuǎn)臂及攪拌棒的攪拌作用下能使碴土與添加材料充分?jǐn)嚢杌旌希共晖辆哂泻芎玫牧魉苄?，利于出土?/p>

(3)掘進中注意土倉中土壓力控制，防止由于土壓力的失穩(wěn)從而引起螺旋機噴發(fā)和開挖面失穩(wěn)，引起地面沉降。

(4)為了能更好地改善砂層流塑性和止水性，通過加泥系統(tǒng)向開挖面注入添加劑或發(fā)泡劑。由于添加劑對黏土層、砂層及含少量砂礫的地層具有很好的效果，可以有效地改善砂層的流塑性和止水性。

5.4.2 控制地面不均勻沉降的措施

(1)施工過程中根據(jù)地質(zhì)資料，預(yù)先分析將穿越地層，了解各層土的物理力學(xué)特性，掘進時再比較出土實樣，及時調(diào)整掘進機姿態(tài)，加強施工控制。

(2)頂管結(jié)束后，選用1∶1水泥漿液，通過注漿孔置換管道外壁漿液，根據(jù)不同的水土壓力確定注漿壓力，加固通道外土體，消除對通道今后使用過程中產(chǎn)生不均勻沉降的影響。

(3)頂進時按設(shè)計軸線、坡度進行，施工中針對實際情況采取“勤測勤糾”、 “小角度糾偏”等糾偏措施。此外，糾偏過程中不能大起大落，如發(fā)現(xiàn)在某處產(chǎn)生了較大偏差，也要保持通道以適當(dāng)?shù)那拾霃街鸩椒祷氐捷S線上來，盡量避免猛糾造成相鄰兩段形成大的夾角。

(4)如何形成較好的土壓平衡效果而穩(wěn)定開挖面，防止“噴涌”，控制地表沉降，關(guān)鍵在于渣土改良技術(shù)的控制。施工時，根據(jù)類似地層的大斷面矩形頂管施工經(jīng)驗，確定了適合本工程渣土改良的配合比，使之形成良好流塑性和較低的透水性的牙膏狀土體，如圖4所示。

圖4 渣土改良后形成的牙膏狀渣土

(5)加強渣土管理，嚴(yán)格控制出土量，形成正常的土壓平衡，螺旋輸送機采用雙閘門，控制噴涌和出土量。

(6)加強對周邊環(huán)境的監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測反饋數(shù)據(jù)不斷的優(yōu)化頂進施工參數(shù)，減少地表沉降量及不均勻沉降，使地面周邊環(huán)境始終處于可控狀態(tài)。

通過采取以上技術(shù)措施，取得了較好的頂進施工控制效果。

5.5 繁華城區(qū)頂管施工環(huán)境監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)

在淺埋大斷面矩形頂管近接穿越繁雜城區(qū)施工時，針對整個施工區(qū)域地下管線眾多，與建(構(gòu))筑物及管線保護要求高的特點，主要采取了以下應(yīng)對措施。

(1)提前對周邊構(gòu)筑物及管線進行調(diào)查和布設(shè)監(jiān)測點，加強與管理單位溝通；同時加強對周邊環(huán)境的監(jiān)測及巡視，編制相應(yīng)的應(yīng)急方案，并根據(jù)建(構(gòu))筑物監(jiān)測反饋情況進行數(shù)據(jù)分析，防止圍護樁施工、基坑開挖或頂管施工造成地面沉降過大甚至塌陷而影響建筑物及管線的安全。

(2)在頂管施工過程中調(diào)整好姿態(tài)，加強出土量和軸線的控制，盡量減小頂管糾偏量以減小對周圍土體的擾動，確保地面周邊環(huán)境始終處于可控狀態(tài)。

(3)在掘進過程中嚴(yán)格進行同步注漿，充分填充機尾后通道外建筑空隙，以減少周圍土體的水平及垂直位移而引起的地表沉降。

(4)加強對地表的變形、沉降的監(jiān)測，如發(fā)現(xiàn)有較大變位，及時采取措施，防止變形加大，帶來不利的后果。頂管頂進完成后，仍需監(jiān)測，直到沉降變形基本穩(wěn)定為止。

(5)保證管片拼裝質(zhì)量，防止通道滲漏；保持良好的頂進姿態(tài)；在頂管通道頂進完成后，及時對通道周邊的土體進行置換注漿加固。

(6)頂管施工保持均衡頂進施工，避免長時間停機，防止頂管機下沉。

(7)針對交通疏解占道及管線遷改，積極主動配合業(yè)主進行前期征遷事宜，并提前對場地范圍內(nèi)所有的管線及地下不明建構(gòu)筑物進行排查。

5.6 繁忙道路超淺覆土過街頂進施工關(guān)鍵技術(shù)

由于龍蟠路、新莊高架橋頂管期間不封道，地下管線眾多且與頂管間距較近，故對于頂進過程中的地層沉降控制要求較高。針對以上特點，在頂進施工中主要采取了如下關(guān)鍵技術(shù)措施。

5.6.1 超淺覆土頂進技術(shù)措施

(1)穿越前對全套機械設(shè)備進行徹底檢查，保證頂進時具有良好的性能。

(2)嚴(yán)格控制頂管的施工參數(shù)，防止超挖、欠挖。

(3)嚴(yán)格控制頂進的糾偏量，盡量減少對正面土體的擾動。

(4)施工頂進速度不宜過快，一般控制在15 mm/min左右，盡量做到均衡施工，避免在途中有較長時間的耽擱。

(5)在穿越過程中，必須保持持續(xù)、均勻壓漿，使出現(xiàn)的建筑空隙被迅速充填，保證通道上部土體的穩(wěn)定。

(6)克服“背土”現(xiàn)象，利用在機頭殼體頂部安裝的壓漿管和開設(shè)的壓漿壓注減摩泥漿，使土體和殼體上平面之間形成一泥漿膜，以減少土體與殼體的摩擦力，防止背土現(xiàn)象的發(fā)生。

(7)注意克服頂管機機頭旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，除壓漿糾轉(zhuǎn)技術(shù)措施外，可利用該頂管機2套獨立的刀盤驅(qū)動系統(tǒng)分別驅(qū)動2個刀盤進行相對或相反方向運轉(zhuǎn)，以達到頂管機總體的力矩平衡。

5.6.2 周邊環(huán)境沉降監(jiān)測

選擇具有甲級資質(zhì)的測量單位進行工程全過程監(jiān)測，以準(zhǔn)確、及時地了解路面、管線的沉降情況，并在頂進施工中根據(jù)反饋數(shù)據(jù)及時調(diào)整各類施工參數(shù)，保證道路和管線的安全。另外，制定周密的頂管穿越道路、管線的施工監(jiān)控方案及監(jiān)控計劃，并嚴(yán)格執(zhí)行。

5.6.3 其它施工控制關(guān)鍵技術(shù)措施

本工程對于道路、管線的沉降量嚴(yán)格控制在規(guī)范要求內(nèi)(+10～-30 mm)，一旦超標(biāo)，必須采取補救措施控制沉降量。

(1)調(diào)整頂進參數(shù)

①減少正面出土量，提高正面土壓力；

②在頂管內(nèi)超量壓注潤滑泥漿，提高管節(jié)周圍土體的應(yīng)力。

(2)盡可能在路面預(yù)留注漿孔備用，每條通道上設(shè)置2排注漿管，排距為3 m，軸向注漿管間距為5 m，一旦路面出現(xiàn)嚴(yán)重沉降，及時進行雙液注漿。跟蹤注漿采用兩種不同配比的雙液漿，配比分別如表2、表3所示。

表2 緩凝雙液漿配比 kg/m3

(3)頂管結(jié)束后，及時打開管節(jié)上的注漿孔，壓入水泥-水玻璃雙液漿置換管道外的觸變泥漿，防止觸變泥漿泌水后引起地層沉降。

表3 速凝雙液漿配比 kg/m3

5.7 施工效果

新莊站3號出入口頂管從2014年11月1日始發(fā)進行頂進施工，至2014年11月15日貫通，歷時15 d，平均日進尺約4 m。頂進施工期間進展順利，較好地實現(xiàn)了既定的質(zhì)量和工期目標(biāo)。

頂進期間，在頂進區(qū)域內(nèi)共布置施工監(jiān)測點約39個。根據(jù)頂管頂進實際情況，每天對頂管頂進范圍內(nèi)地面沉降、高架橋沉降點等進行了監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果顯示，各項監(jiān)測數(shù)據(jù)均在允許范圍內(nèi)：

(1)基坑周邊地表下沉點累計值≤0.12%H(H為基坑深度)，即20 mm下沉速率2 mm/d，地表下沉點最大下沉為2.68 mm，累計沉降量在規(guī)范允許范圍內(nèi)(圖5)；

(2)周邊建筑物沉降量(圖6)、傾斜度變化小，均在設(shè)計允許范圍內(nèi)。

圖5 頂進范圍內(nèi)監(jiān)測點的每周沉降量(單位：mm)

6 結(jié)語

在南京地鐵3號線新莊站3號出入口通道工程施工中，通過選用大斷面六刀盤土壓平衡式矩形頂管掘進機、精心施工組織、加強關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)以及采取科學(xué)合理的工程技術(shù)措施，解決了矩形大斷面頂管在富水軟弱復(fù)雜地層中頂進施工、近接穿越繁華城區(qū)繁雜建(構(gòu))筑物及管線密布地段以及繁忙道路不封道淺覆土過街頂進施工等特殊情況下的一系列工程技術(shù)難題，確保了頂管工程的安全施工和如期貫通，取得了良好的社會和經(jīng)濟效益。該矩形大斷面頂管工程施工中所積累的一系列成功經(jīng)驗，可為類似頂管工程的設(shè)計和施工提供較好的借鑒和參考。

圖6 頂進期間新莊立交橋的沉降情況(單位：mm)

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Key Construction Technical Measures and Effect Analysis of Large Section Rectangular Pipe Pushing under Complex Geologic Conditions

JIN Hua1， MA Xi-feng1， ZHAO Li-feng1， SUN Guang-chen2，3

(1.Nanjing Subway Construction Co.， Ltd.， Nanjing 210000， China; 2.School of Civil Engineering，Central South University， Changsha 410075， China; 3.School of Civil Engineering and Mechanics，Central South University of Forestry and Technology， Changsha 410004， China)

Xinzhuang Station No.3 entrance/exit passageway of Nanjing Metro Line 3 is constructed by means of large cross section rectangular pipe jacking and the complicated geological and environmental conditions made it very difficult. The pipe jacking construction section is located in silty clay， silt and alluvial-diluvial accumulating sand stratum with rich groundwater and high groundwater pressure， which is likely to hinder dumping or cause sand consolidation during tunneling and lead to high risk during pipe jacking at the entrance/exit of the tunnel. All these call for immediate protection of surrounding buildings， structures and pipelines and make it difficult to maintain normal traffic and result in extended pipeline moving. Through careful and rigorous investigation and analysis， a series of scientific and effective key technical measures are employed in the selection of pipe jacking machine， jacking parameters and posture controlling， sediment improvement， and environmental monitoring and other aspects as well. Furthermore， various engineering problems are solved to ensure project progress schedule.

Metro; Shallow covering; Rich water soft soil layer; Large section rectangular pipe jacking; Engineering problems; Technical measures

2016-04-09；

2016-05-07

金 華(1969—)，男，高級工程師，研究方向為軌道交通工程。

1004-2954(2016)11-0090-06

U455.4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.11.020