某城市大截面矩形頂管設(shè)計(jì)

王 吉 翀

(大連理工大學(xué)土木建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 大連 116024)

1 工程概況

隨著城市化進(jìn)程加快，地下空間建造技術(shù)的不斷提高和發(fā)展，地下工程中頂管施工技術(shù)的運(yùn)用越來越多，其中矩形頂管技術(shù)憑借諸多優(yōu)勢(shì)被廣泛采用，矩形頂管比圓形頂管截面利用率高、覆土淺、施工成本低[1]，在地下結(jié)構(gòu)及管線較多的城市中施工時(shí)可以減少對(duì)其他結(jié)構(gòu)及管線的影響，增大地下空間利用率。

目前國(guó)內(nèi)矩形頂管掘進(jìn)形式主要以土壓平衡式為主，土壓平衡式頂管利用頂管機(jī)最前端的全斷面切削刀盤，將正面土體切削進(jìn)入刀盤后的貯留密封艙內(nèi)，使艙內(nèi)有適當(dāng)壓力與開挖面水土壓力平衡，以減少頂管推進(jìn)對(duì)地層土體的擾動(dòng)。國(guó)內(nèi)矩形頂管尺寸最大寬度已達(dá)10 m以上，6 m～7 m寬矩形頂管也有很多實(shí)際工程應(yīng)用，矩形頂管頂進(jìn)長(zhǎng)度一般在70 m以內(nèi)。

深圳市華潤(rùn)B通道項(xiàng)目位于海德三道下方，為南北走向，長(zhǎng)約85 m。通道連接華潤(rùn)深圳灣綜合發(fā)展項(xiàng)目地下室及深圳灣體育中心。連接通道周邊情況：通道下穿海德三道，北側(cè)有已經(jīng)開工的地鐵暗挖隧道；通道下方有地鐵盾構(gòu)隧道穿越；西側(cè)后海站基坑采用連續(xù)墻+內(nèi)支撐聯(lián)合支護(hù)，深約25 m；南側(cè)為華潤(rùn)深圳灣綜合發(fā)展項(xiàng)目大基坑深約26 m，通道上方斜交有5 m×2.5 m的雨水箱涵及燃?xì)夤艿?、電力管道、污水管道等。本工程位于深圳市后海灣填海區(qū)，所在位置原始地貌為濱海灘涂，后進(jìn)行了人工填海造地，上覆地層主要海陸交互相淤泥、淤泥質(zhì)粘土、含有機(jī)質(zhì)砂，上更新統(tǒng)沖洪積粘土、淤泥質(zhì)粘土、砂層組成，表層為較厚的人工填土，人工填土層厚超過5 m，部分地段厚度超過10 m，填筑材料主要為碎石、塊石、粘性土及砂礫。

2 地下連接通道方案對(duì)比

2.1 矩形頂管法與明挖法施工方案對(duì)比

2.1.1明挖法施工的優(yōu)點(diǎn)

1)主體土建造價(jià)相對(duì)較低、施工快捷；

2)適合多種不同地質(zhì)條件，可以有效的減少線路的埋深；

3)施工工藝簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、施工安全、工期短、施工質(zhì)量易保證；

4)防水方法簡(jiǎn)單、質(zhì)量可靠。

2.1.2明挖法施工的缺點(diǎn)

1)需要封閉交通，交通無法完全封閉時(shí)需要進(jìn)行分段施工，會(huì)增加施工工期、成本；

2)需要改遷相關(guān)地下管線，需要和多個(gè)權(quán)屬單位進(jìn)行溝通，增加工程費(fèi)用及施工工期；

3)明挖法施工為露天施工，施工現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的揚(yáng)塵及噪聲對(duì)環(huán)境的影響較大；

4)明挖法開挖量較大，對(duì)既有地下結(jié)構(gòu)特別是隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較大的卸荷及重新加載的過程且卸荷時(shí)間較長(zhǎng)，引起了原結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的改變，不利于原結(jié)構(gòu)的安全。

2.1.3矩形頂管法的優(yōu)點(diǎn)

1)施工不需開挖路面，避免了城區(qū)道路反復(fù)多次開挖的難題，大大降低了對(duì)城區(qū)交通、環(huán)境的影響；

2)施工速度較快，矩形斷面頂管法施工速度可達(dá)3 m/d；

3)工程施工占地少，幾乎不受地形地貌變化的限制，不用對(duì)地面上的各種市政設(shè)施等管道進(jìn)行改遷、重裝，節(jié)省了很大的工程拆遷費(fèi)用；

4)操作方便，只需在敞開的工作坑內(nèi)指揮吊裝管段和裝拆延長(zhǎng)的管線，不需進(jìn)入渠道內(nèi)作業(yè)，不僅確保了安全生產(chǎn)而且節(jié)約了安全設(shè)施費(fèi)用；

5)土壓平衡頂管施工，對(duì)地面及底部土體擾動(dòng)小，施工安全高，對(duì)周邊其他結(jié)構(gòu)影響較小；

6)地下施工，施工期間無噪聲。

2.1.4矩形頂管法的缺點(diǎn)

1)主體結(jié)構(gòu)造價(jià)相對(duì)較高；

2)矩形頂管法施工適用于軟基地區(qū)，頂管機(jī)頭對(duì)地質(zhì)條件要求較高，要求線路中不能存在機(jī)頭無法切割的障礙物，施工中遇到較大孤石及其他障礙物則需要局部開井的方式去除后才能繼續(xù)頂進(jìn)；

3)結(jié)構(gòu)防水要求高，防水方法相對(duì)復(fù)雜。

地下通道平面布置見圖1。

2.2 項(xiàng)目特點(diǎn)及方案選擇

本工程位于深圳后海海德三道之下，地面交通繁忙；通道上方雨水箱涵改遷難度較大；本工程位于地鐵11號(hào)線紅樹灣站—后海站區(qū)間隧道上方，距離地鐵保護(hù)區(qū)較近，對(duì)施工安全性要求較高；隧道范圍內(nèi)支護(hù)結(jié)構(gòu)無法進(jìn)行樁基施工且為軟基地區(qū)，支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度較大，施工過程風(fēng)險(xiǎn)較高。

根據(jù)上述情況經(jīng)分析得知，本工程主要結(jié)構(gòu)采用矩形頂管施工法在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工過程中更為安全可靠，考慮管線改遷、交通管制等費(fèi)用后經(jīng)濟(jì)成本更低，同時(shí)還可以最大限度減小噪聲及揚(yáng)塵污染等環(huán)境問題。但在進(jìn)行頂管施工之前需要探明各種管道位置，根據(jù)實(shí)際位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提前清除頂進(jìn)線路中存在的障礙物。

3 大截面矩形頂管的設(shè)計(jì)

大截面矩形頂管的設(shè)計(jì)分為工作井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及頂管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。除了結(jié)構(gòu)自身達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度之外，還要考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)及頂管結(jié)構(gòu)自身的防水設(shè)計(jì)。在平面及縱斷線形上需要優(yōu)化設(shè)計(jì)以滿足通道線路自身的功能性，同時(shí)避開各種管道線路，并不侵犯地鐵保護(hù)區(qū)。

3.1 矩形頂管工作井設(shè)計(jì)

工作井的位置需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件合理選取，根據(jù)連接的主體結(jié)構(gòu)預(yù)留口、管線位置、已有地下建筑等條件確定。工作井形狀一般有矩形、圓形、腰圓形、多邊形等幾種，其中矩形工作井最為常見，圓形井多用于不同方向頂進(jìn)及深坑作業(yè)。工作井內(nèi)凈寬度應(yīng)滿足頂管總寬度+人工操作寬度，人工操作寬度一般至少預(yù)留1.2 m以上。工作井的深度應(yīng)考慮墊層、頂進(jìn)設(shè)備導(dǎo)軌厚度、管道外邊緣至導(dǎo)軌之間的高度。本工程始發(fā)井的設(shè)計(jì)采用矩形鋼筋混凝土箱型體系，內(nèi)墻凈距為8.9 m×10 m，內(nèi)設(shè)3層φ609 mm鋼管內(nèi)支撐，支撐預(yù)加軸力600 kN，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ1.2 m@1.5 m鉆孔灌注樁，樁間采用φ0.8 m雙管旋噴樁止水。接收井下方為地鐵及隧道線路，無法進(jìn)行樁基施工，接收井采用肋板式鋼筋混凝土擋墻結(jié)構(gòu)，內(nèi)墻凈距6.4 m×10.5 m。本工程始發(fā)井采用北側(cè)墻體有原狀土，在進(jìn)行了4排φ600雙管旋噴樁加固后可以作為后座墻使用；始發(fā)井南側(cè)采用6排φ600雙管旋噴樁加固并注漿以加強(qiáng)止水作用(見圖2，圖3)。

3.2 矩形頂管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

管節(jié)截面寬度及高度根據(jù)建筑界限要求考慮使用功能、裝修裝飾等多種因素確定，本工程矩形頂管截面尺寸為6.9 m×4.9 m，壁厚0.45 m，為目前全國(guó)較大斷面矩形頂管，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長(zhǎng)度1.5 m，共31節(jié)管節(jié)，管節(jié)采用C50預(yù)制混凝土管片，混凝土抗?jié)B等級(jí)為P10，頂進(jìn)長(zhǎng)度為47.1 m。

3.2.1頂管管身受力分析

矩形頂管的受力分析可取1 m或單個(gè)管節(jié)長(zhǎng)度的框架單元分析，設(shè)計(jì)荷載主要為結(jié)構(gòu)自重、地層壓力、靜水壓力及浮力、地面車輛荷載、人群荷載、施工荷載。在計(jì)算時(shí)不考慮土卸荷拱作用。頂管在施工過程中自身受千斤頂頂力的抗壓承載力設(shè)計(jì)一般不控制截面尺寸(見圖4)。

3.2.2頂管設(shè)計(jì)中的其他問題

1)頂管管片接口采用“F”承插式，接縫防水裝置采用鋸齒形水圈和雙組分聚硫密封嵌縫。

2)由于頂管管片吊裝及拼裝止退需要，每環(huán)管片環(huán)向設(shè)置預(yù)留孔洞，每邊設(shè)置兩個(gè)。

3)為了管片頂進(jìn)過程中減摩注漿及頂進(jìn)施工完畢后置換雙液漿需要，每環(huán)管片沿環(huán)向布置注漿孔。

在開挖施工難以進(jìn)行或根本不允許進(jìn)行的情況下，頂管工程可以順利解決明挖法施工難以完成的任務(wù)，深圳市地鐵項(xiàng)目繁多，本工程采用矩形頂管施工可以減少對(duì)地鐵線路的擾動(dòng)。

4 本工程在設(shè)計(jì)及施工中的關(guān)鍵問題

1)圍護(hù)結(jié)構(gòu)始發(fā)井的設(shè)計(jì)施工難度大，距離市政雨水箱涵較近，對(duì)樁基施工精度要求高；實(shí)測(cè)管涵位置與原圖位置不符，與施工單位溝通后對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整,縮小了頂管施工的操作空間。

2)頂管距離上方雨水管涵(1.16 m)及下方地鐵隧道(3.76 m)最近距離較小，在頂進(jìn)過程中需要根據(jù)頂管的設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的調(diào)向、糾偏，對(duì)頂進(jìn)系統(tǒng)要求較高。雖然矩形頂管相比圓形頂管較難發(fā)生扭轉(zhuǎn)，但矩形頂管刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)方式與圓形頂管不同，一旦發(fā)生扭轉(zhuǎn)更難糾正，在頂管始發(fā)階段，采取加焊弧形鋼板，限制頂管機(jī)身兩側(cè)空間，從而使頂管機(jī)不能發(fā)生扭轉(zhuǎn)。在頂進(jìn)階段，可以通過機(jī)身兩側(cè)抗扭翼板限制機(jī)身的扭轉(zhuǎn)。

3)接收井側(cè)現(xiàn)有圍護(hù)樁上非可拆卸預(yù)應(yīng)力錨索的拆除難度大，對(duì)施工精度要求高。本工程錨索拆除采用了跟管鉆進(jìn)套取法，將錨索套進(jìn)空心鉆桿內(nèi)，通過鉆機(jī)沿著錨索方向掘進(jìn)，直到破除錨索周圍的錨固體拔出錨索。此工程必須要求有經(jīng)驗(yàn)的施工單位進(jìn)行施工，錨索拆除一旦中途失敗將會(huì)給后期頂管施工帶來較大困難。本工程在設(shè)計(jì)及施工過程中充分考慮了工程的各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)對(duì)措施，頂管施工后地面沉降、地下管道、周邊圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及地鐵結(jié)構(gòu)內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均在可控范圍內(nèi)。

5 結(jié)語

1)本文探討了大截面矩形頂管實(shí)際工程的設(shè)計(jì)及施工，對(duì)比了明挖法施工及頂管法施工的優(yōu)缺點(diǎn)。2)大截面矩形頂管施工技術(shù)適用于軟基地區(qū)地下通道工程，頂管施工采用土壓平衡式頂管機(jī)，可不阻斷交通，不破壞道路和植被，因而可以避免開挖施工所帶來的居民生活和交通干擾，以及對(duì)環(huán)境建筑基礎(chǔ)的破壞影響，無污染，無噪聲。在開挖施工難以進(jìn)行或根本不允許進(jìn)行的情況下，頂管工程可以順利解決明挖法施工難以完成的任務(wù)，對(duì)于地鐵項(xiàng)目繁多的城市，采用矩形頂管施工可以減少對(duì)地鐵線路的擾動(dòng)。3)本工程中使用的，非可拆卸式錨索拆除技術(shù)為地下工程施工帶來了便利，深圳市地下工程繁多，地下支護(hù)錨索與擬建工程沖突較為常見，如不提前拆除可能導(dǎo)致盾構(gòu)刀盤卡死影響工程進(jìn)展，本工程既有錨索拆除工藝可以解決這一關(guān)鍵問題，對(duì)錨索拆除技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展具有借鑒意義。4)深圳市華潤(rùn)B通道大截面矩形頂管工程的成功建設(shè)，證明了矩形頂管通道在軟基及地下水豐富地區(qū)的工程安全可靠，為后續(xù)類似工程的設(shè)計(jì)及施工提供了參考依據(jù)。