大斷面矩形頂管隧道管節(jié)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

黃 偉

(中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 天津 300133)

0 引言

隨著城市的現(xiàn)代化建設(shè)，人們?cè)絹?lái)越重視城市地下空間的開(kāi)發(fā)和利用。頂管施工工法所有施工均在現(xiàn)有道路以下進(jìn)行，管線遷改量小，不影響現(xiàn)有道路交通，且在穩(wěn)定地層、保護(hù)環(huán)境、控制成本、減縮工期等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，是城市地下空間開(kāi)發(fā)最佳的施工方法[1-2]。我國(guó)自市政工程建設(shè)開(kāi)始大量引入頂管施工技術(shù)以來(lái)，針對(duì)頂管斷面的研究多為圓形[3]。由于采用矩形頂管相較圓形頂管提高了斷面利用率，管節(jié)既可現(xiàn)場(chǎng)澆筑又可預(yù)制，部分地鐵出入口、城市過(guò)街通道等頂管工程較多采用矩形斷面。但受限于工程規(guī)模及功能需求，斷面寬度超過(guò)10 m的大矩形頂管較為少見(jiàn)。采用大矩形斷面將帶來(lái)一系列的設(shè)計(jì)和施工風(fēng)險(xiǎn)，如矩形薄殼體強(qiáng)度不足、覆土厚度難以確定等。

針對(duì)大斷面矩形頂管設(shè)計(jì)，賈連輝[4]對(duì)頂推機(jī)選型、矩形殼體剛度和渣土改良進(jìn)行了研究; 鄭劍升[5]介紹了大截面矩形頂管的施工機(jī)械、工藝流程、施工參數(shù)控制等。針對(duì)大斷面矩形頂管管節(jié)設(shè)計(jì)，周仲賀等[6]研究了管節(jié)內(nèi)角部高強(qiáng)鋼筋張拉施工技術(shù)的接縫連接方式； 吳東鵬等[7]對(duì)頂管法地鐵車(chē)站管節(jié)接頭進(jìn)行了防水試驗(yàn)研究； 喻軍等[8]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了頂管泥漿套的物理性質(zhì)對(duì)頂推力的影響，優(yōu)化了泥漿配比和頂管的施工工藝。針對(duì)淺覆土矩形大斷面頂管的設(shè)計(jì)，金華等[9]敘述了頂管選型、頂進(jìn)參數(shù)與姿態(tài)控制、渣土改良、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面的技術(shù)措施； 榮亮等[10]介紹了采取注漿出渣控制、改良觸變泥漿配合比、6刀盤(pán)控制和止退技術(shù)等實(shí)現(xiàn)沉降控制的目的； 吳勇等[11]通過(guò)數(shù)值模擬，分析了淺覆土大斷面小間距矩形頂管施工的環(huán)境效應(yīng)； 韓占波等[12]通過(guò)研究覆土厚度、施工過(guò)程地層損失等，分析了淺覆土小間距施工地表變形控制技術(shù)。

以上針對(duì)大斷面矩形頂管和管節(jié)的設(shè)計(jì)研究，多為施工工藝的改進(jìn)，對(duì)結(jié)構(gòu)本身尺寸及選型的研究較少； 對(duì)淺覆土頂管施工的研究，沉降變形控制較多，但對(duì)覆土厚度選取的研究鮮有報(bào)道。

鄭州市紅專(zhuān)路下穿中州大道頂管隧道工程共分為4條平行的土壓平衡式頂管隧道，其中，機(jī)動(dòng)車(chē)頂管隧道斷面尺寸為10.10 m×7.25 m，為當(dāng)時(shí)世界最大的市政矩形頂管隧道。本文依托該工程，對(duì)大矩形頂管隧道管節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中覆土厚度、結(jié)構(gòu)尺寸等關(guān)鍵內(nèi)容的確定方法進(jìn)行研究。

1 工程背景

鄭州市紅專(zhuān)路下穿中州大道隧道工程全長(zhǎng)801.263 m，設(shè)計(jì)起點(diǎn)位于紅專(zhuān)路姚寨路交叉口，終點(diǎn)位于龍湖商務(wù)外環(huán)路，由敞口段、明挖暗埋段、頂管段組成，其中，下穿中州大道段為頂管段，長(zhǎng)105 m。頂管段設(shè)置為雙向4車(chē)道，其中兩側(cè)2孔為非機(jī)動(dòng)車(chē)道與人行道，中間2孔為機(jī)動(dòng)車(chē)道，截面均為矩形。機(jī)動(dòng)車(chē)頂管隧道頂板呈微拱，結(jié)構(gòu)外輪廓尺寸為10.10 m×7.25 m，結(jié)構(gòu)厚度為0.60 m； 非機(jī)動(dòng)車(chē)矩形頂管結(jié)構(gòu)外輪廓尺寸為7.50 m×5.40 m，結(jié)構(gòu)厚度為0.55 m。每孔頂管隧道相鄰凈距僅1 m，管節(jié)標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)1.5 m。頂管隧道的頂部覆土約4 m。

結(jié)合勘察報(bào)告，本工程場(chǎng)地內(nèi)地基土屬第四系(Q)沉積地層，地層由上而下主要為人工填土、第四系全新統(tǒng)(Q4)粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂及細(xì)砂。各土層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1?，F(xiàn)場(chǎng)鉆孔實(shí)測(cè)顯示，擬建場(chǎng)地地下水位為7.70～8.50 m，水位高程為81.67～84.89 m。隧道穿越地層主要為粉土，具有一定的透水性。

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)

鄭州市紅專(zhuān)路下穿中州大道頂管隧道橫斷面見(jiàn)圖1。管節(jié)斷面設(shè)計(jì)是本工程頂管隧道設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容，其對(duì)工程投資規(guī)模、施工風(fēng)險(xiǎn)控制及施工工期等影響重大。目前頂管管節(jié)斷面通常設(shè)計(jì)為圓形，但近幾年來(lái)，要求隧道功能多樣化的呼聲越來(lái)越高，圓形斷面的局限性越來(lái)越明顯[13]。經(jīng)綜合研究和分析，矩形斷面較圓形斷面具有更好的使用功能和更高的斷面利用率，相較圓形頂管隧道節(jié)省約20%的空間[1]，本工程頂管隧道采用矩形斷面最為經(jīng)濟(jì)合理。

圖1鄭州市紅專(zhuān)路下穿中州大道頂管隧道橫斷面示意圖(單位： m)

Fig. 1 Cross-section sketch of Hongzhuan Road pipe-jacking underpass tunnel crossing Zhongzhou Avenue in Zhengzhou (unit: m)

一般矩形頂管斷面的頂?shù)装寮皞?cè)墻均為直線段，4個(gè)角點(diǎn)處設(shè)置倒圓角。同時(shí)，為滿足雙向機(jī)動(dòng)車(chē)道使用功能要求，機(jī)動(dòng)車(chē)頂管隧道斷面大，橫向?qū)挾葹?0.10 m。為有效改善結(jié)構(gòu)受力，本工程機(jī)動(dòng)車(chē)頂管隧道管節(jié)側(cè)墻仍采用直墻形式，但在管節(jié)頂板起微拱，其優(yōu)化了結(jié)構(gòu)厚度，降低了管節(jié)自重，在方便施工吊裝與拼接的同時(shí)，也有利于頂管的掘進(jìn)。

2 管節(jié)設(shè)計(jì)關(guān)鍵內(nèi)容

2.1 管節(jié)覆土厚度

與圓形頂管隧道相比，矩形斷面的頂管隧道對(duì)淺覆土有著更好的適應(yīng)能力[1]。但頂管隧道覆土厚度太淺不僅不能形成土拱效應(yīng)，還會(huì)導(dǎo)致頂進(jìn)過(guò)程中地層損失嚴(yán)重、地表變形加劇、頂管背土、管節(jié)上浮等現(xiàn)象的發(fā)生[14]。

為了確定本工程頂管隧道最淺覆土厚度，分別取覆土厚度2、4、6、8 m 4種工況進(jìn)行對(duì)比分析，并采用MIDAS GTS軟件對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)頂管隧道施工頂進(jìn)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

2.1.1 模擬分析

頂管隧道不同于普通的盾構(gòu)隧道，在頂管施工過(guò)程中，第1環(huán)管節(jié)從進(jìn)洞開(kāi)始到出洞一直在頂推力作用下持續(xù)向前移動(dòng)，與盾構(gòu)管片相比頂管管節(jié)在頂進(jìn)過(guò)程中始終處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。頂管在頂進(jìn)過(guò)程中不可避免地要與周邊土體產(chǎn)生摩擦和滑動(dòng)，考慮在管節(jié)和土的交接面上設(shè)置接觸單元來(lái)模擬這種相互作用。頂管施工過(guò)程中核心土的開(kāi)挖和管節(jié)的拼裝在模型中通過(guò)生死單元來(lái)實(shí)現(xiàn)[15-16]。

2.1.2 模型介紹

以覆土6 m工況為例，對(duì)本次數(shù)值模擬中的關(guān)鍵問(wèn)題做如下介紹。

1)模型單元。管節(jié)用平面單元來(lái)模擬，開(kāi)挖核心土及管節(jié)周邊土體均用實(shí)體單元來(lái)模擬，管節(jié)和周邊土體間的相互作用用接觸單元模擬，模型邊界施加相應(yīng)位移約束。

2)本構(gòu)模型。為反映土體的非線性力學(xué)特性，更真實(shí)地模擬管節(jié)與周邊巖土體間的相互作用，數(shù)值模擬選用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型。頂管管節(jié)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用彈性本構(gòu)模型。

3)模型尺寸?？紤]到洞室邊界效應(yīng)的影響，整體模型尺寸縱向取60 m，豎向取35 m，水平向取50 m。機(jī)動(dòng)車(chē)頂管隧道的具體斷面尺寸詳見(jiàn)第1節(jié)。

2.1.3 結(jié)果分析

當(dāng)頂管上部覆土分別為2、4、6、8 m時(shí)，在頂管隧道頂進(jìn)施工過(guò)程中，地表變形有所變化，但整體變形趨勢(shì)是先隆起、后沉降。

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，管節(jié)在整個(gè)動(dòng)態(tài)模擬過(guò)程中均未出現(xiàn)上浮現(xiàn)象，但地表隆起、沉陷現(xiàn)象較為顯著。地面隆起變形最大位置出現(xiàn)在大約進(jìn)洞后10環(huán)(即15 m)位置處，地面沉降變形最大位置出現(xiàn)在大約進(jìn)洞后20環(huán)(即30 m)位置處。各覆土工況下頂管隧道掘進(jìn)到不同位置時(shí)地表觀測(cè)點(diǎn)的豎向位移Dz見(jiàn)表2。

表2 頂管隧道掘進(jìn)到不同位置時(shí)地表觀測(cè)點(diǎn)的豎向位移Dz

通過(guò)表2可知，機(jī)動(dòng)車(chē)頂管隧道上部覆土厚度大于4 m時(shí)，頂管施工過(guò)程中，隨著覆土厚度的增加，地面沉降變形已基本趨于穩(wěn)定，且沉降大小安全可控； 當(dāng)頂管上部覆土厚度小于4 m時(shí)，地表沉降較大，覆土2 m時(shí)沉降值最大，最大達(dá)38 mm，此沉降值對(duì)地面交通已造成顯著影響。因此，經(jīng)綜合比選，本工程頂管隧道上部覆土厚度取4 m為宜，且此厚度一般不影響市政管線的敷設(shè)。

2.2 管節(jié)結(jié)構(gòu)尺寸

結(jié)合上述分析，鄭州市紅專(zhuān)路下穿中州大道頂管隧道工程的管節(jié)斷面擬選用平底、直墻、角部倒圓角、頂部起微拱的大矩形斷面形式。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)構(gòu)厚度初步擬定為0.60 m，管節(jié)斷面外包尺寸為10.10 m×7.25 m，管節(jié)上部覆土厚4 m。為方便施工預(yù)制、吊裝和運(yùn)輸，管節(jié)縱向長(zhǎng)度取1.5 m[17]。下面通過(guò)結(jié)構(gòu)計(jì)算，驗(yàn)證擬定結(jié)構(gòu)尺寸的合理性。

2.2.1 計(jì)算荷載

作用在頂管管節(jié)上的荷載分為永久荷載、可變荷載和偶然荷載。永久荷載包括水土壓力、結(jié)構(gòu)自重等； 可變荷載包括地面超載、隧道內(nèi)車(chē)輛及行人荷載、施工荷載等，其中，隧道內(nèi)車(chē)輛及行人荷載對(duì)結(jié)構(gòu)受力有利，可忽略； 偶然荷載包括地震荷載以及人防荷載等。管節(jié)荷載結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析時(shí)，應(yīng)對(duì)各類(lèi)荷載分項(xiàng)組合，并確定組合系數(shù)。

圖2 管節(jié)荷載結(jié)構(gòu)模型圖

2.2.2 計(jì)算工況

對(duì)頂管結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)，應(yīng)充分考慮頂管管節(jié)在施工階段和使用階段的各種工況，最終按照最不利工況進(jìn)行包容性設(shè)計(jì)。

1)施工階段。管節(jié)頂進(jìn)施工過(guò)程中，管節(jié)以軸心受壓為主[18]。管節(jié)結(jié)構(gòu)必須具備足夠的抗壓強(qiáng)度，因此，確定頂推力是關(guān)鍵。

2)使用階段。本工程頂管隧道的覆土厚度為4 m，經(jīng)判定屬于淺覆土，不考慮土拱效應(yīng)。計(jì)算時(shí)按照底板支撐在彈性地基上的平面框架進(jìn)行內(nèi)力分析，并確定截面尺寸及配筋。

2.2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

2.2.3.1 施工階段

本工程機(jī)動(dòng)車(chē)頂管管節(jié)全斷面抗力

F=Afc=17.23×23.1×103=399 630 kN。

式中：A為管節(jié)全斷面面積，為17.23 m2；fc為C50混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取23.1 N/mm2。

本工程不進(jìn)行中繼間設(shè)計(jì)，管節(jié)施工頂進(jìn)過(guò)程中，在采取了注漿減摩措施后，機(jī)動(dòng)車(chē)頂管隧道頂推力實(shí)測(cè)值最大為F0=110 000 kN。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)可知，頂管頂進(jìn)施工過(guò)程中的頂推力F0僅為管節(jié)全斷面抗力F的27.5%，頂管頂推力遠(yuǎn)小于管節(jié)斷面抗力，故施工階段管節(jié)的承壓計(jì)算不作為管節(jié)截面受力和配筋的控制性因素。

2.2.3.2 使用階段

使用階段頂管管節(jié)承受荷載主要有：自重、頂板上的覆土荷載和地面超載、側(cè)向水土壓力、水浮力和地基反力等?？紤]各種荷載作用效應(yīng)后，機(jī)動(dòng)車(chē)頂管管節(jié)在使用階段的管節(jié)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果分準(zhǔn)永久組合和基本組合2類(lèi)。

使用階段準(zhǔn)永久組合為控制性組合。由于施工階段管節(jié)受到的千斤頂壓力不控制管節(jié)截面受力和配筋，因此用準(zhǔn)永久組合計(jì)算結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋驗(yàn)算，配筋方案如表3所示。

表3 頂管管節(jié)配筋方案

2.2.3.3 結(jié)果分析

通過(guò)上述施工階段和使用階段的計(jì)算分析可知，結(jié)構(gòu)厚度初步擬定為600 mm是合理可行的。經(jīng)多次對(duì)比分析，對(duì)于此厚度(600 mm)已無(wú)繼續(xù)優(yōu)化空間。因此，本工程大斷面機(jī)動(dòng)車(chē)頂管隧道管節(jié)厚度取600 mm，管節(jié)結(jié)構(gòu)斷面見(jiàn)圖3。

圖3 管節(jié)結(jié)構(gòu)斷面圖(單位： m)

2.3 管節(jié)接頭和縱向連接設(shè)計(jì)

2.3.1 管節(jié)接頭設(shè)計(jì)

國(guó)內(nèi)對(duì)于矩形頂管管節(jié)接頭形式的研究，是在圓形頂管接頭形式應(yīng)用的基礎(chǔ)上，借助大量工程實(shí)踐，不斷創(chuàng)新，管節(jié)接頭形式大致經(jīng)歷了企口式—T型—F型的演變。目前國(guó)內(nèi)工程界普遍采用的是F型接頭形式。F型管節(jié)接頭端部設(shè)置有企口、預(yù)埋鋼環(huán)等，且在管節(jié)接縫處使用彈性密封材料或遇水膨脹橡膠止水條，具有良好的防水效果。本工程經(jīng)綜合調(diào)研和工程類(lèi)比，在以往研究的基礎(chǔ)上對(duì)F型接頭進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新，設(shè)計(jì)示意圖見(jiàn)圖4。接頭位置防水裝置采用鷹嘴式止水圈、半圓形止水圈、擠密式彈性密封墊和雙組分聚硫密封膠嵌縫等，大大增強(qiáng)了管節(jié)接頭的防滲漏效果[19]。

圖4 管節(jié)接頭設(shè)計(jì)示意圖

另外，為滿足接口處的剛度，承插口鋼套環(huán)采用厚18 mm的鋼板，與承口混凝土結(jié)構(gòu)密貼；在頂管頂進(jìn)施工時(shí)，為避免頂管接頭混凝土剛形體接觸不均勻受力破壞，在接縫處填充多層膠合板作為傳力襯墊； 為防止管壁內(nèi)側(cè)接縫處棱角在吊裝過(guò)程中破損，在棱角處進(jìn)行倒角處理；為減小頂管頂進(jìn)時(shí)的摩阻力，插口端設(shè)置減摩注漿管；為防止渣土掉入減摩注漿管，造成堵管，在減摩注漿管頂端設(shè)置單向閥。

2.3.2 管節(jié)縱向連接設(shè)計(jì)

雖然采用矩形頂管管節(jié)F型接頭形式增強(qiáng)了頂管管節(jié)在施工過(guò)程中的拼裝、糾偏能力，但F型接頭屬于柔性接頭，其抵抗變形的能力較弱，施工易造成錯(cuò)位和局部失效[20]。因此，需要管節(jié)縱向連接以保證管節(jié)間連接鎖定。

經(jīng)過(guò)多地工程實(shí)例調(diào)查，結(jié)合工程自身特點(diǎn)，本工程管節(jié)采用鋼管插入式連接，并做稍許改進(jìn)，在管節(jié)直墻部位每側(cè)設(shè)置3個(gè)直徑為69 mm的插入孔，縱向定位連接件采用外包止水橡膠的鋼質(zhì)插銷(xiāo)棒，見(jiàn)圖5。

改進(jìn)后該方案的優(yōu)點(diǎn)在于： 連接件與插銷(xiāo)之間預(yù)留合理間隙，兩側(cè)對(duì)稱布置，方便管節(jié)對(duì)接和頂進(jìn)糾偏； 連接件及插銷(xiāo)強(qiáng)度均較高，在相鄰管節(jié)受力不均衡時(shí)不會(huì)發(fā)生較大變形和破壞，不削減管節(jié)剛度，管節(jié)結(jié)構(gòu)安全可靠，且兼具管節(jié)止退功能。

圖5 縱向定位連接件示意圖(單位: mm)

3 其他設(shè)計(jì)內(nèi)容

3.1 管節(jié)預(yù)制方案

本工程機(jī)動(dòng)車(chē)道頂管斷面大，為解決管節(jié)吊裝和運(yùn)輸問(wèn)題，曾考慮頂管結(jié)構(gòu)分節(jié)段預(yù)制、頂推前拼裝的方案。

然而，由于頂管斷面橫向跨度較大，經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)計(jì)算可知，管片環(huán)向拼接處剪力很大，需較多的螺栓連接，而管壁預(yù)留較多的螺栓孔會(huì)削弱頂管斷面剛度； 同時(shí)，管節(jié)拼裝會(huì)增加較多的環(huán)向接縫，增加隧道漏水風(fēng)險(xiǎn)和防水材料的造價(jià)，且會(huì)增加管節(jié)的拼裝時(shí)間，影響施工工期。

經(jīng)過(guò)綜合考慮，本次設(shè)計(jì)不考慮管節(jié)分塊拼裝設(shè)計(jì)，大斷面管節(jié)采用頂板起拱整體式管節(jié)設(shè)計(jì)。

3.2 吊裝孔和注漿孔設(shè)計(jì)

本工程機(jī)動(dòng)車(chē)頂管管節(jié)斷面大，管節(jié)質(zhì)量達(dá)65 t。為方便管節(jié)吊裝運(yùn)輸，在管節(jié)四周預(yù)留吊裝孔，吊裝孔直徑為150 mm，管節(jié)頂板、底板和側(cè)墻中部各預(yù)留2個(gè)，每環(huán)管節(jié)共計(jì)設(shè)置8個(gè)吊裝孔。為盡量減小吊裝孔留設(shè)對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響，吊裝孔均設(shè)置在管節(jié)結(jié)構(gòu)受力較小位置。

同時(shí)，側(cè)墻吊裝孔兼作止退孔用。止退裝置采用三角形鋼架設(shè)計(jì)，與底部支撐支架連接為一體。止退銷(xiāo)通過(guò)三角形鋼架插入管節(jié)預(yù)留的吊裝孔，進(jìn)行管節(jié)止退。經(jīng)施工檢驗(yàn)，止退裝置效果良好，在管節(jié)頂進(jìn)施工期間無(wú)管節(jié)回退現(xiàn)象發(fā)生。

本工程頂管隧道頂進(jìn)距離長(zhǎng)，為減小頂管管節(jié)與周邊土體間的較大摩阻力，考慮采取注漿減阻的措施[21]。因此，在進(jìn)行管節(jié)設(shè)計(jì)時(shí)，在管節(jié)內(nèi)部預(yù)留一定數(shù)量的注漿孔，管節(jié)頂進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)注漿孔向管節(jié)與周邊土體間壓注大量觸變泥漿，有效降低頂管頂推力[8]。但頂管隧道貫通后，隨著時(shí)間推移，觸變泥漿將逐步失去水分并收縮和固結(jié)，這將勢(shì)必加劇后期的地表沉降，通過(guò)分析考慮在管節(jié)內(nèi)部額外預(yù)留一部分注漿孔，待頂管隧道貫通后通過(guò)注入雙漿液來(lái)置換觸變泥漿。

為了滿足在頂進(jìn)過(guò)程中減摩注漿及頂進(jìn)施工完后置換注漿的需要，特在頂管管節(jié)沿環(huán)向預(yù)留減摩注漿孔和置換注漿孔。同時(shí)，為提高注漿效果，使?jié){液能均勻地包絡(luò)在管節(jié)外側(cè)，交替布置頂?shù)装逯脫Q注漿孔和減摩注漿管?；诖耍芄?jié)分為A型管節(jié)與B型管節(jié)2種類(lèi)型。頂推施工時(shí)，進(jìn)洞第1節(jié)均為A型管節(jié)，A型管節(jié)與B型管節(jié)交替排列布置。A型、B型管節(jié)吊裝孔、注漿孔布置示意圖如圖6所示。

4 工程質(zhì)量檢驗(yàn)

4.1 管節(jié)結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測(cè)分析

針對(duì)本工程機(jī)動(dòng)車(chē)頂管隧道斷面大、覆土淺等特點(diǎn)，為了更直觀地反映頂管管節(jié)在頂進(jìn)過(guò)程中承受的周邊橫向水土壓力的變化規(guī)律，在現(xiàn)場(chǎng)制作鋼筋混凝土管節(jié)時(shí)，特在管節(jié)相應(yīng)部位預(yù)埋了土壓力計(jì)。在管節(jié)頂進(jìn)過(guò)程中，將測(cè)試得到的土壓力計(jì)的受力換算為作用在管節(jié)結(jié)構(gòu)上的土壓力。為了便于數(shù)據(jù)分析，分別在每個(gè)測(cè)試管節(jié)上埋設(shè)8個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)編號(hào)具體為A、B、C、D、E、F、G、H，土壓力計(jì)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖7。

(a) A型管節(jié)

(b) B型管節(jié)

圖7 管節(jié)土壓力計(jì)測(cè)點(diǎn)布置圖(單位： mm)

Fig. 7 Layout of measuring points of soil pressure on segment(unit: mm)

機(jī)動(dòng)車(chē)道頂管管節(jié)在頂進(jìn)過(guò)程中的橫向土壓力變化曲線如圖8所示。從圖8中可以看到，土壓力變化基本穩(wěn)定，僅僅在開(kāi)始和最后的一定范圍內(nèi)數(shù)據(jù)出現(xiàn)較小的波動(dòng)，原因可能是接收井和始發(fā)井附近土體受到了擾動(dòng)。選取具有代表性的第35環(huán)管節(jié)，將各測(cè)點(diǎn)土壓力計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為橫向土壓力，并與理論計(jì)算土壓力對(duì)比，結(jié)果如表4所示。

(a) 頂?shù)装鍣M向土壓力

(b) 側(cè)墻橫向土壓力

Fig. 8 Curves of lateral earth pressure of segment during pipe jacking

表4機(jī)動(dòng)車(chē)道頂管管節(jié)在頂進(jìn)過(guò)程中的橫向土壓力實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比

Table 4 Comparison between measured lateral soil pressure and theoretical values during jacking construction MN

測(cè)點(diǎn)位置土壓力實(shí)測(cè)值土壓力理論值A(chǔ)0.080.13B0.090.13C0.160.19D0.150.19E0.210.28F0.220.28G0.290.34H0.340.34

通過(guò)表4可知，管節(jié)在頂進(jìn)過(guò)程中的土壓力實(shí)測(cè)值均不大于土壓力理論計(jì)算值。由于本工程進(jìn)行頂管管節(jié)受力分析和參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)采用的是土壓力理論計(jì)算值，故在頂管頂進(jìn)過(guò)程中，在周邊土壓力作用下頂管管節(jié)的現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案是安全可靠的。

4.2 地表隆沉分析

在掌子面掘進(jìn)到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)前，由于頂力過(guò)大、注漿壓力過(guò)大以及掘進(jìn)速度過(guò)快等共同作用可能引起地表隆起位移； 當(dāng)掌子面通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，地表迅速產(chǎn)生沉降； 當(dāng)掌子面通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)后，地表沉降位移變化趨緩。距離始發(fā)井較近的斷面，隆起位移較大，因此，可以認(rèn)為頂力過(guò)大是造成地表隆起的關(guān)鍵因素。掌子面開(kāi)挖引起地層損失是地表沉降的關(guān)鍵因素。

考慮到實(shí)際場(chǎng)地原因，以始發(fā)井邊界為監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置的起始位置，選取18個(gè)斷面坐標(biāo)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

2#隧道與3#隧道(機(jī)動(dòng)車(chē)道)斷面較大，頂管施工引起的地表沉降位移較大；1#隧道與4#隧道(非機(jī)動(dòng)車(chē)道)斷面較小，地表隆起位移較大。由于4#隧道施工過(guò)程中施加頂力較大，引起的地表隆起位移較1#隧道的地表隆起位移大。地表沉降位移最大值出現(xiàn)在2#隧道。

4#隧道斷面3(距始發(fā)井15 m處)地表沉降隨掌子面推進(jìn)的變化曲線見(jiàn)圖9，2#隧道地表沉降位移變化曲線見(jiàn)圖10。

由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，頂管隧道在整個(gè)頂進(jìn)施工過(guò)程中，4#隧道地表最大隆起量約8 mm(斷面1，距始發(fā)井5 m處)，斷面3(距始發(fā)井15 m處)隆起量5.5 mm，與表2中覆土厚度為4 m時(shí)的模擬值接近； 2#隧道地表最大沉降量為28 mm，大于模擬值，但最大隆起和沉降值均滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，地表位移變化安全可控。

圖9 4#隧道斷面3地表沉降隨掌子面推進(jìn)的變化曲線

Fig. 9 Curves of surface settlement of cross-section 3 of #4 tunnel with advancing of tunnel face

圖10 2#隧道地表沉降位移變化曲線

Fig. 10 Curve of surface settlement of #2 tunnel with distance from pipe jacking axis

4.3 隧道滲漏水觀察

大量工程實(shí)踐表明，頂管隧道的滲漏水主要發(fā)生在相鄰管節(jié)間接頭位置，管節(jié)接頭處是防水的薄弱位置。在進(jìn)行管節(jié)接頭設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)縱向連接件增強(qiáng)了相鄰管節(jié)間的連接剛度，同時(shí)還在接頭位置設(shè)置了3道防水體系，大大提高了接頭處的防水性能。在頂管隧道整個(gè)頂進(jìn)施工過(guò)程中，管節(jié)接頭處連接牢靠無(wú)錯(cuò)動(dòng)，未發(fā)現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象。

5 結(jié)論與建議

鄭州市紅專(zhuān)路下穿中州大道隧道工程在下穿中州大道段采取頂管法施工，目前已經(jīng)施工完成，并已通過(guò)施工質(zhì)量控制與效果驗(yàn)收，且工程檢驗(yàn)效果良好。本文針對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中的主要內(nèi)容進(jìn)行了重點(diǎn)研究，并得出以下結(jié)論。

1)合理的覆土厚度是確保頂管工程安全頂進(jìn)的關(guān)鍵，結(jié)合工程自身特點(diǎn)，采用有限元軟件對(duì)管節(jié)覆土厚度進(jìn)行數(shù)值模擬分析，最終確定本工程頂管隧道的最淺覆土厚度為4 m。

2)分別對(duì)施工階段和使用階段荷載組合情況進(jìn)行分析，并采用荷載結(jié)構(gòu)方法結(jié)合有限元軟件計(jì)算得出管節(jié)內(nèi)力，通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋驗(yàn)算，擬定結(jié)構(gòu)的合理尺寸。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，結(jié)構(gòu)厚度初步擬定為600 mm是合理可行的。

3)本工程進(jìn)行大斷面矩形頂管設(shè)計(jì)時(shí)，在確保工程安全的同時(shí)，對(duì)管節(jié)預(yù)制方案、管節(jié)接頭和縱向連接、吊裝孔(兼具止退功能)和注漿孔等均做了針對(duì)性設(shè)計(jì)，充分考慮了工程施工的便捷性和可操作性。

本工程的成功實(shí)施，可為以后進(jìn)行類(lèi)似大矩形斷面頂管的設(shè)計(jì)提供一些參考和借鑒，但也有一些問(wèn)題需進(jìn)一步研究和分析，例如： 隨著工程設(shè)計(jì)、施工水平的不斷提升，存在覆土厚度向更淺發(fā)展、斷面形式進(jìn)一步優(yōu)化的可能性； 考慮對(duì)矩形管節(jié)進(jìn)行分塊預(yù)制拼裝而非整環(huán)預(yù)制，以解決管節(jié)吊裝和運(yùn)輸問(wèn)題等。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1] 彭立敏, 王哲, 葉藝超, 等. 矩形頂管技術(shù)發(fā)展與研究現(xiàn)狀[J]. 隧道建設(shè), 2015, 35(1): 1.

PENG Limin, WANG Zhe, YE Yichao, et al. Technological development and research status of rectangular pipe jacking method[J]. Tunnel Construction, 2015, 35(1): 1.

[2] 熊誠(chéng). 大截面矩形頂管施工在城市地下人行通道中的應(yīng)用[J]. 建筑施工, 2006, 28(10): 775.

XIONG Cheng. Large section rectangular pipe jacking applied to urban underground pedestrian passageway[J]. Building Construction, 2006, 28(10): 775.

[3] 劉富東. 頂管施工技術(shù)在市政工程中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)住宅設(shè)施, 2019(2): 122.

LIU Fudong. Application of pipe jacking construction technology in municipal engineering[J]. China Housing Facilities, 2019(2): 122.

[4] 賈連輝. 超大斷面矩形盾構(gòu)頂管設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)[J]. 隧道建設(shè), 2014, 34(11): 1098.

JIA Lianhui. Key technologies for design of super-large rectangular pipe jacking machine[J]. Tunnel Construction, 2014, 34(11): 1098.

[5] 鄭劍升. 軟土地區(qū)大截面矩形頂管工法研究[J]. 城市軌道交通研究, 2011, 14(11): 93.

ZHENG Jiansheng. Study on large section rectangular pipe jacking construction method in soft-soil areas[J]. Urban Mass Transit, 2011, 14(11): 93.

[6] 周仲賀, 王俊澎. 大斷面矩形頂管隧道管節(jié)角部新型連接施工技術(shù)[J]. 隧道建設(shè)(中英文), 2018, 38(12): 2032.

ZHOU Zhonghe, WANG Junpeng. Progressive construction technology for corner connection of large cross-section rectangular pipe jacking segment[J]. Tunnel Construction, 2018, 38(12): 2032.

[7] 吳東鵬, 徐瑤, 陸明, 等. 頂管法地鐵車(chē)站管節(jié)接頭防水試驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)建筑防水, 2019(8): 42.

WU Dongpeng, XU Yao, LU Ming, et al. Pipe joint waterproofing test of pipe jacking method in metro station[J]. China Building Waterproofing, 2019(8): 42.

[8] 喻軍, 李元海. 頂管泥漿套的物理性質(zhì)對(duì)頂推力的影響[J]. 土木工程學(xué)報(bào), 2015, 48(增刊2): 327.

YU Jun, LI Yuanhai. Effect of physical properties of mud screen of pipe-jacking on jacking forces[J]. China Civil Engineering Journal, 2015, 48(S2): 327.

[9] 金華, 馬西峰, 趙立鋒, 等. 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[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì), 2016, 60(11): 90.

JIN Hua, MA Xifeng, ZHAO Lifeng, et al. Key construction technical measures and effect analysis of large section rectangular pipe pushing under complex geologic conditions[J]. Railway Standard Design, 2016, 60(11): 90.

[10] 榮亮, 楊紅軍. 鄭州市下穿中州大道超大斷面矩形頂管隧道施工沉降控制技術(shù)[J]. 隧道建設(shè), 2015, 35(12): 1338.

RONG Liang, YANG Hongjun. Settlement control technology for tunnel crossing underneath Zhongzhou Avenue in Zhengzhou constructed by super-large rectangular cross-section pipe-jacking machine[J]. Tunnel Construction, 2015, 35(12): 1338.

[11] 吳勇, 徐日慶, 段景川, 等. 淺覆土大斷面小間距矩形頂管施工的環(huán)境效應(yīng)[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù), 2017, 54(5): 78.

WU Yong, XU Riqing, DUAN Jingchuan, et al. Environmental effects caused by construction of rectangular jacking pipes with large section, small space and shallow overburden[J]. Modern Tunnelling Technology, 2017, 54(5): 78.

[12] 韓占波, 豆小天, 曹偉明, 等. 淺覆土小間距矩形頂管施工地表變形控制技術(shù)[J]. 隧道建設(shè)(中英文), 2019, 39(3): 496.

HAN Zhanbo, DOU Xiaotian, CAO Weiming, et al. Control technology for surface deformation induced by construction of shallow-covered and small-spacing rectangular pipe jacking[J]. Tunnel Construction, 2019, 39(3): 496.

[13] 孫繼輝. 大斷面矩形地下通道掘進(jìn)施工設(shè)備與技術(shù)的研究[J]. 建筑施工, 2007, 29(4): 225.

SUN Jihui. Study on tunneling construction equipment and technology for large section and rectangular underground passageway[J]. Building Construction, 2007, 29(4): 225.

[14] 余芳. 頂管施工引起地面沉降的分析研究[D]. 上海：上海交通大學(xué), 2009.

YU Fang. Analysis on land settlement caused by pipe jacking[D]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University, 2009.

[15] 黃吉龍, 陳錦劍, 王建華, 等. 大口徑頂管頂進(jìn)過(guò)程的數(shù)值模擬分析[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào), 2008, 4(3): 489.

HUANG Jilong, CHEN Jinjian, WANG Jianhua, et al. Numerical analysis of large diameter pipe-jacking[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2008, 4(3): 489.

[16] 周順華, 廖全燕, 劉建國(guó), 等. 矩形頂管隧道頂進(jìn)過(guò)程的地層損失[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2001, 20(3): 342.

ZHOU Shunhua, LIAO Quanyan, LIU Jianguo, et al. Stratum loss during pipe jacking of rectangle tunnel[J]. Chinesse Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2001, 20(3): 342.

[17] 李現(xiàn)森. 利用多條極小間距矩形頂管建設(shè)大型地下商業(yè)空間的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)[J]. 隧道建設(shè), 2014, 34(4): 331.

LI Xiansen. Design and construction of underground space formed by jacking multiple adjacent rectangular pipes[J]. Tunnel Construction, 2014, 34(4): 331.

[18] 宋杰, 侯艷春. 矩形頂管法在城市軌道交通中的應(yīng)用與設(shè)計(jì)方法[J]. 城市軌道交通研究, 2010, 13(10): 67.

SONG Jie, HOU Yanchun. On application and design of rectangular pipe-jacking method in urban rail transit[J]. Urban Mass Transit, 2010, 13(10): 67.

[19] 陸明, 曹偉彪, 朱祖熹. 超大直徑盾構(gòu)隧道防水設(shè)計(jì)技術(shù)綜述[J]. 地下工程與隧道, 2007(增刊): 6.

LU Ming, CAO Weibiao, ZHU Zuxi. Waterproofing design of extra-large diameter shield-driven tunnel[J]. Underground Engineering and Tunnel, 2007(S): 6.

[20] 胡新朋. 大斷面矩形混凝土頂管隧道管節(jié)接頭結(jié)構(gòu)研究[J]. 鐵道建筑, 2017, 57(8): 65.

HU Xinpeng. Study on segment joint structure of concrete pipe jacking tunnel with large rectangular section[J]. Railway Engineering, 2017, 57(8): 65.

[21] 魏剛, 徐日慶, 邵劍明, 等. 頂管施工中注漿減摩作用機(jī)理的研究[J]. 巖土力學(xué), 2004, 25(6): 930.

WEI Gang, XU Riqing, SHAO Jianming, et al. Research on mechanics of reducing friction through injecting slurry in pipe jacking[J]. Rock and Soil Mechanics, 2004, 25(6): 930.