軟土地區(qū)大斷面矩形頂管淺覆土下穿高速變形控制分析研究

胡 文

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092]

0 引 言

隨著城市建設(shè)規(guī)模快速向郊區(qū)擴(kuò)張，打通城郊結(jié)合地帶由于高速公路阻隔產(chǎn)生的斷頭路的需求越來越高。城市高速公路由于其交通流量的密集性及運(yùn)輸保通的重要性，往往構(gòu)成制約貫通兩側(cè)道路工程方案推進(jìn)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。因此，研究如何在保障高速交通安全運(yùn)營(yíng)的情況下，控制地下工程穿越施工對(duì)高速公路影響的意義非常重要。

選擇城市交通建設(shè)過程中下穿高速公路施工方案時(shí)，需要考慮以下因素：

（1）高速交通流量大、車速高，路面變形控制要求高，在保通及安全運(yùn)營(yíng)需求下對(duì)下穿工法的安全可靠性要求嚴(yán)格。

（2）下穿高速的道路線形開展受兩側(cè)建（構(gòu)）筑物、道路接線標(biāo)高及線形等現(xiàn)狀因素影響，下穿高速斷面處地道頂部覆土通常較淺。

傳統(tǒng)的明挖工藝已無法滿足下穿時(shí)高速路面保通需求，而盾構(gòu)下穿對(duì)覆土要求較高，頂管法施工則具有對(duì)周邊環(huán)境影響小、覆土要求適中等[1]優(yōu)點(diǎn)，因此頂管工藝成為了下穿高速節(jié)點(diǎn)中的首選方案。

本工程以上海市陸翔路- 祁連山路貫通工程大斷面矩形頂管下穿S20 外環(huán)高速項(xiàng)目為背景，探究軟土地層淺覆土大斷面矩形頂管下穿高速變形控制難題。本工程淺覆土頂管下穿S20 外環(huán)高速可為今后軟土地區(qū)類似下穿工程提供借鑒。

1 工程概況

上海市陸翔路—祁連山路貫通工程下穿地道南起朱家弄河北側(cè)，自S20 外環(huán)高速南側(cè)入地，下穿S20 外環(huán)高速和顧村公園，于鏡泊湖路南側(cè)出地面，地道全長(zhǎng)約850 m，雙向4 車道。受S20 外環(huán)高速道路保通要求和顧村公園環(huán)境條件限制，該區(qū)段地道下穿采用兩條外輪廓尺寸9.9 m×8.15 m 類矩形頂管下穿施工，兩條頂管之間凈距10.0 m，單向頂進(jìn)長(zhǎng)度445 m，縱坡0.3%。

本工程平面及縱斷面布置見圖1。

圖1 工程平面及縱斷面圖

本工程頂管采用空間利用率高的類矩形斷面，管片采用整塊預(yù)制拼裝，如圖2 所示?？紤]頂管工藝的特殊性，為降低頂管施工對(duì)S20 外環(huán)高速的持續(xù)影響，頂管從顧村公園北側(cè)工作井始發(fā)，在S20 外環(huán)高速南側(cè)工作井接收，僅穿越時(shí)對(duì)S20 外環(huán)高速有一定影響。頂管段全線覆土均較淺，最大覆土厚約6.5 m，其中下穿S20 外環(huán)高速頂部覆土僅厚3.50～3.95 m。頂管地道掌子面穿越地層強(qiáng)度低、施工易受擾動(dòng)，且下穿S20 外環(huán)高速附近地下管線眾多，因此施工難度及風(fēng)險(xiǎn)較高。

圖2 類矩形頂管斷面及實(shí)景圖（單位：mm）

本工程頂管下穿過程中存在以下幾方面難題：

（1）頂管地道橫斷面較大，斷面尺寸9.9 m×8.15 m，超過國(guó)內(nèi)已實(shí)施的最大頂管地道——鄭州市下穿中州大道矩形頂管[2]。且下穿S20 外環(huán)高速區(qū)段頂管影響范圍較長(zhǎng)，若考慮S20 外環(huán)高速兩側(cè)各1.5 倍開挖跨度作為頂管施工影響半徑，縱向范圍將達(dá)70 m 左右。

（2）受頂管接收井南側(cè)道路展線限制，頂管下穿S20 外環(huán)高速覆土厚度最小處僅3.50 m，約0.35 倍頂管跨度，與上海地區(qū)頂管規(guī)程[3]及以往工程經(jīng)驗(yàn)建議的范圍相差較大。

（3）頂管穿越地層差，主要為③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和④層灰色淤泥質(zhì)黏土，局部穿越③T層灰色黏質(zhì)粉土夾層。穿越地層強(qiáng)度低、含水量高、滲透性差、壓縮性高、靈敏度高，具觸變性和流變性，施工易受擾動(dòng)。

（4）S20 外環(huán)高速變形控制要求嚴(yán)格，經(jīng)與保護(hù)部門溝通，要求在路面保通的條件下將地道頂管施工對(duì)路面的變形影響控制在30 mm 以內(nèi)。

（5）S20 外環(huán)高速兩側(cè)重要管線眾多，其中南側(cè)存在1 根φ1 400 mm 給水管，北側(cè)存在1 根φ800 mm次高壓燃?xì)夤芫€，尚有多根通訊及電力管線。因此，本工程頂管淺覆土下穿S20 外環(huán)高速風(fēng)險(xiǎn)及難度艱巨。參考以往頂管施工經(jīng)驗(yàn)及數(shù)值方法預(yù)測(cè)，頂管施工前需采取加固措施，以確保S20 外環(huán)高速及周邊管線運(yùn)營(yíng)安全，并為頂管下穿S20 外環(huán)高速時(shí)提供緊急情況下的安全保障。

2 頂管加固措施

S20 外環(huán)高速是環(huán)繞上海城郊結(jié)合地帶的環(huán)形城市高速公路，路面結(jié)構(gòu)層厚度75 cm。S20 外環(huán)高速路面交通流量密集，且重型車輛較多，運(yùn)輸保通重要性及安全性不言而喻。

考慮到保障S20 外環(huán)高速交通運(yùn)營(yíng)的重要性，有必要采取保護(hù)措施來抑制頂管“背土效應(yīng)”和施工擾動(dòng)變形，控制頂管施工影響。而目前工程界尚無下穿S20 外環(huán)高速頂管工程案例可循，因此探索可靠的頂管加固措施成為頂管下穿需要攻克的突破點(diǎn)。

鋼管幕加固在上海軟土地道下穿施工中結(jié)合箱涵頂進(jìn)等相似工藝施工有工程案例可循?？紤]到本工程地道頂管斷面大，頂管影響范圍廣，對(duì)S20 外環(huán)高速保護(hù)要求高，本工程選擇采用成熟可靠的鋼管幕加固措施，為頂管下穿S20 外環(huán)高速提供安全保障。

鋼管幕加固是暗挖工藝中常用的一種加固措施，該方案是利用微型頂管技術(shù)在擬建的地下建筑物四周頂入鋼管，然后在鋼管幕的保護(hù)下結(jié)合其他暗挖工法施工。

鋼管幕加固在下穿隧道保護(hù)工程中案例較多。上海中環(huán)線北虹路地道采用80 根長(zhǎng)126 m、直徑970 mm 的鋼管幕，有效控制了長(zhǎng)距離大斷面淺覆土箱涵頂進(jìn)對(duì)西郊賓館和虹橋路的影響，是鋼管幕結(jié)合箱涵頂進(jìn)的經(jīng)典案例[4]。上海田林路地道下穿中環(huán)采用58 根長(zhǎng)86 m、直徑800 mm 的鋼管幕，覆土厚度約6.3 m，實(shí)現(xiàn)了中環(huán)的首次下穿箱涵頂推施工[5]。上海14 號(hào)線桂橋路站渡線段則是鋼管幕結(jié)合礦山法暗挖工藝在軟土地區(qū)的首次試驗(yàn)應(yīng)用[6]。拱北隧道采用36 根長(zhǎng)255 m、直徑1 620 mm 的曲線鋼管幕，結(jié)合凍結(jié)暗挖工藝穿越拱北口岸，代表著目前鋼管幕領(lǐng)域所能達(dá)到的新高度[7]。

3 鋼管幕加固設(shè)計(jì)及實(shí)施

3.1 鋼管幕設(shè)計(jì)

鋼管幕中常用直徑有800 mm、1 000 mm 及1 600 mm 等，本工程考慮斷面規(guī)模，采用內(nèi)徑800 mm，壁厚12 mm 鋼管。管幕布置以地道結(jié)構(gòu)中心線對(duì)稱布置，鋼管間距考慮施工偏差及剛度等因素采用1 100 mm，底部與頂管凈距300 mm。

鋼管幕平面以頂管接收井為起點(diǎn)，向北至S20外環(huán)高速北側(cè)燃?xì)夤芤员奔s10 m，單根鋼管長(zhǎng)度85 m。每根鋼管由13 節(jié)長(zhǎng)6 m 的鋼管及2 節(jié)長(zhǎng)3.5 m 的鋼管采用焊接等強(qiáng)度連接，相鄰鋼管接頭錯(cuò)開。鋼管幕采用地道頂管接收井作為始發(fā)井，接收井布置于S20外環(huán)高速北側(cè)。

3.1.1 鋼管幕斷面布置

鋼管相對(duì)頂管的布置是鋼管幕布置的首要問題，本工程提出如圖3 所示3 種方案進(jìn)行比選。

圖3 鋼管幕斷面布置圖

方案一：鋼管幕水平布置于頂管頂部范圍，單線13 根，此方案鋼管布置具有施工定位方便，對(duì)管幕始發(fā)井開洞影響小，管幕基坑開挖淺的優(yōu)點(diǎn)。

方案二：鋼管幕沿頂管輪廓布置于頂管頂部范圍，單線13 根，此方案鋼管布置有利于頂管導(dǎo)向，且能使管幕形成一定的拱效應(yīng)。

方案三：鋼管幕沿頂管輪廓布置于頂管頂部及兩側(cè)墻范圍，單線21 根，控制變形效果最好，但管幕數(shù)量較多，經(jīng)濟(jì)性不佳。方案二、方案三均需增加管幕接收井的開挖深度，且對(duì)管幕始發(fā)井地墻的開洞影響較大。

由于淺覆土頂管施工中采用鋼管幕控制S20 外環(huán)高速變形的機(jī)理主要是減小頂管施工的“背土效應(yīng)”，地道頂管掘進(jìn)自身的導(dǎo)向功能完全滿足頂管施工需求，因此從管幕施工便利性及經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，管幕斷面布置采用方案一，水平布置于頂管上方，單線13根，共計(jì)26 根。

3.1.2 鋼管幕鎖扣取舍

鋼管幕采用鎖扣的作用是增強(qiáng)鋼管幕之間的橫向連接，提高施工導(dǎo)向作用，當(dāng)鎖扣空隙內(nèi)注入固化劑后可形成止水帷幕。但受鋼管幕施工精度影響，當(dāng)頂進(jìn)誤差超過鎖扣之間的縫隙時(shí)會(huì)引起鋼管之間鎖扣接頭困難甚至無法閉合[5]，且增加了開洞洞口的止水難度。不設(shè)鎖扣時(shí)頂管精度需求適中，可避免上述不利問題。盡管相鄰鋼管橫向相對(duì)獨(dú)立，但可通過注漿孔往相鄰鋼管之間注漿來提升整體剛度。

數(shù)值分析表明，本工程管幕增加鎖扣后對(duì)S20外環(huán)高速變形控制能力的提升僅約10%，但給管幕頂管施工及洞口止水帶來較大困難，若頂進(jìn)精度未控制好時(shí)，反而會(huì)增加對(duì)周邊土體的擾動(dòng)，效果可能適得其反。本工程頂管施工對(duì)管幕止水需求不高，因此采用取消鎖扣的鋼管幕形式。

3.2 鋼管幕頂管施工

鋼管幕施工采用3 臺(tái)DN800 微型泥水平衡頂管機(jī)施工，刀盤選用對(duì)周邊土體擾動(dòng)小的面板形式，如圖4 所示。進(jìn)、出洞口鋼管幕止水采用壓板配合止水簾布橡膠板形式。鋼管幕穿越土層主要為②1層灰黃色粉質(zhì)黏土和③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，穿越地層強(qiáng)度低，施工易受擾動(dòng)。鋼管幕頂進(jìn)過程中，通過采用變頻自動(dòng)控制進(jìn)排泥量來控制泥水倉壓力，同時(shí)優(yōu)化泥漿配比、推進(jìn)速度及刀盤轉(zhuǎn)速，控制頂進(jìn)軸線精度等施工參數(shù)，并且加強(qiáng)頂進(jìn)期間的施工監(jiān)測(cè)反饋，實(shí)現(xiàn)信息化施工，以此來減少S20 外環(huán)高速地表沉降。

圖4 鋼管幕頂管機(jī)及施工頂進(jìn)

鋼管幕施工步序以中軸線鋼管為基準(zhǔn)導(dǎo)向管，間隔2 根鋼管跳管施工，以減少相鄰鋼管幕頂進(jìn)干擾影響。

單根鋼管頂進(jìn)完成后，及時(shí)采用水泥漿液完成泥漿置換及洞口密封施工。待全部頂管頂進(jìn)完成后，采用C30 自密實(shí)混凝土填充，以增加鋼管幕縱向剛度。

現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)數(shù)據(jù)表明：鋼管幕頂進(jìn)過程中頂力穩(wěn)步上升，未出現(xiàn)突變，最大頂力約43 t。頂進(jìn)過程中姿態(tài)控制良好，管幕最大切口偏差不大于25 mm。頂力及切口偏差隨掘進(jìn)里程變化見圖5，圖中“S20 南線、S20 北線”為相對(duì)鋼管幕起點(diǎn)位置的示意。

4 數(shù)值分析與監(jiān)測(cè)

為分析預(yù)測(cè)鋼管幕加固控制頂管施工對(duì)S20 外環(huán)高速的影響，采用有限元軟件Midas GTS NX 進(jìn)行三維數(shù)值仿真。

4.1 數(shù)值模型

4.1.1 模型介紹

為消除模型邊界效應(yīng)，數(shù)值模型橫向（x）兩側(cè)從頂管外邊各取4 倍頂管開挖跨度；縱向（y）起點(diǎn)取自管幕始發(fā)井，終點(diǎn)取為鋼管幕接收井往北延伸4倍基坑開挖深度；豎向（z）上方取自地表，下方取為頂管底向下4 倍頂管開挖跨度。模型尺寸：110 m×55 m×115 m（x×y×z），模型節(jié)點(diǎn)88 100 個(gè)，單元數(shù)145 399 個(gè)，計(jì)算模型如圖6 所示。

圖5 頂力及切口偏差隨掘進(jìn)里程變化

圖6 下穿S 20 外環(huán)高速三維數(shù)值仿真模型

4.1.2 材料參數(shù)

地層模型采用能考慮卸荷硬化行為的修正Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型；鋼管幕及混凝土預(yù)制管片采用彈性本構(gòu)模型、2D 板單元模擬，各參數(shù)取值見表1。表中：γ 為材料重度；c為黏聚力；φ 為內(nèi)摩擦角；Es為彈性模量；υ 為泊松比。

4.1.3 主要數(shù)值模擬步序

本工程數(shù)值模擬根據(jù)實(shí)際施工工序模擬，主要分析步序如下：

（1）自重應(yīng)力平衡，地表位移清零。

（2）鋼管幕施工頂進(jìn)模擬。

（3）東線頂管逐步施工模擬。

（4）西線頂管逐步施工模擬。

S20 外環(huán)高速地面超載按城-A 級(jí)重型車輛荷載等效成均布荷載，考慮布置于高速地表。

表1 土層及材料數(shù)值模型參數(shù)

4.2 數(shù)值分析預(yù)測(cè)與監(jiān)測(cè)結(jié)果

本工程下穿S20 外環(huán)高速共設(shè)置4 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，各斷面編號(hào)從南往北依次命名為S1～S4 剖面，分別設(shè)置于S20 上、下行高速道路南、北兩側(cè)邊緣帶路面結(jié)構(gòu)上，每個(gè)剖面以道路中心線為基點(diǎn)，按3 m間距均勻布置21 個(gè)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)范圍為頂管邊緣以外15 m，約1.5 倍頂管開挖跨度。

根據(jù)不同施工階段，對(duì)數(shù)值分析預(yù)測(cè)結(jié)果與監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

4.2.1 鋼管幕施工

鋼管幕施工完成后，S20 上、下行高速路面豎向變形云圖如圖7 所示。

圖7 鋼管幕施工完成后S 20 高速路面豎向變形云圖（單位：mm）

數(shù)值分析預(yù)測(cè)結(jié)果表明，鋼管幕施工完成后，S20 外環(huán)高速路面變形整體呈“W”型曲線，管幕處變形較大，最大變形約20.0 mm。主要原因是頂管施工擾動(dòng)及鋼管幕素混凝土填充后等效重度比原土體大所產(chǎn)生的自重沉降變形。

鋼管幕施工完成后，各斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)與數(shù)值分析預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖8 所示。

由圖8 可見，數(shù)值分析預(yù)測(cè)結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果規(guī)律基本一致，除S4 剖面西線管幕由于頂進(jìn)過程中碰到孤石導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存在畸變點(diǎn)外，其余剖面數(shù)值分析預(yù)測(cè)結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)值吻合度較高。

4.2.2 東線頂管下穿S 20 外環(huán)高速

東線頂管施工完成后，S20 上、下行高速路面豎向變形云圖如圖9 所示。

圖8 鋼管幕施工完成后，S 1～S 4 監(jiān)測(cè)剖面測(cè)點(diǎn)數(shù)值與數(shù)值分析預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖

圖9 東線頂管完成后S 20 高速路面豎向變形云圖（單位：mm）

數(shù)值分析預(yù)測(cè)結(jié)果表明，東線頂管完成后，東線頂管區(qū)間S20 外環(huán)高速變形整體表現(xiàn)為上抬，主要原因?yàn)轫敼軘嗝骈_挖卸荷后結(jié)構(gòu)底部下方土體回彈，地表變形恢復(fù)至約-2.5 mm。

東線頂管完成后，各斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)與數(shù)值分析預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖10 所示。

東線隧道頂管完成后，受頂管下部土體卸荷回彈影響，鋼管幕亦表現(xiàn)為整體上抬，起點(diǎn)附近受到工作井結(jié)構(gòu)約束，如圖11 所示。

4.2.3 西線頂管下穿S 20 外環(huán)高速

西線頂管完成后，S20 上、下行高速路面豎向變形云圖如圖12 所示。

數(shù)值分析預(yù)測(cè)結(jié)果表明，西線頂管完成后，西線頂管區(qū)間S20 外環(huán)高速變形整體表現(xiàn)為上抬，主要原因?yàn)轫敼軘嗝婢蜻M(jìn)后重度小于開挖部分土體的重度，中央分隔帶處最大地表隆起約5.52 mm。

西線頂管完成后，各斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)與數(shù)值分析預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖13 所示。

西線隧道頂管完成后，上方鋼管幕變形趨勢(shì)與東線規(guī)律類似，如圖14 所示。

對(duì)比結(jié)果顯示，數(shù)值分析預(yù)測(cè)結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果規(guī)律基本一致。數(shù)值分析預(yù)測(cè)影響范圍大于實(shí)測(cè)影響范圍，且由于頂管施工過程中在部分區(qū)段采取了主動(dòng)控制地表變形的“打土”措施來局部抬升地面，導(dǎo)致實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在畸變點(diǎn)，反映出淺覆土大斷面頂管施工地表變形對(duì)施工參數(shù)的敏感性。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋表明，東線上方地表變形曲線輪廓受西線隧道影響較小，反映出頂管施工擾動(dòng)影響范圍的可控性。

5 結(jié) 語

（1）對(duì)于頂管下穿高速節(jié)點(diǎn)，采用鋼管幕加固是一種可靠的隔離措施。鋼管幕加固能將頂管施工對(duì)S20 外環(huán)高速影響控制在30 mm 保護(hù)控制范圍之內(nèi)，能有效抑制淺覆土頂管施工引起的“背土效應(yīng)”。同時(shí)由于鋼管幕的隔離，能有效控制頂管施工對(duì)上覆土體的擾動(dòng)，對(duì)于控制頂管工后沉降亦會(huì)產(chǎn)生有利作用。

圖10 東線頂管完成后，S 1～S 4 監(jiān)測(cè)剖面測(cè)點(diǎn)數(shù)值與數(shù)值分析預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖

圖11 東線頂管完成后鋼管幕豎向變形圖

圖12 西線頂管完成后S 20 高速路面豎向變形云圖（單位：mm）

（2）取消鎖扣后鋼管幕頂進(jìn)時(shí)姿態(tài)控制良好，對(duì)周圍擾動(dòng)可控。鋼管幕施工對(duì)S20 外環(huán)高速路面變形影響整體呈“W”型曲線。

（3）矩形頂管地道施工完成后，路面變形整體由于頂管底部卸荷影響會(huì)有整體小幅上抬。

（4）數(shù)值分析預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果規(guī)律一致，監(jiān)測(cè)斷面預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值吻合較好，數(shù)值分析預(yù)測(cè)施工影響范圍略大于實(shí)測(cè)影響范圍，說明數(shù)值分析能有效預(yù)測(cè)頂管下穿施工影響。

（5）頂管施工過程中采取合適的頂進(jìn)參數(shù)能有效控制施工影響幅度及范圍。軟土地區(qū)頂管的工后沉降影響會(huì)持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，施工過程中可采取提高掌子面壓力及“打土”等措施，使地面預(yù)先隆起合適幅度，以抵消部分后期沉降值，確保高速地面變形控制在允許范圍。

（6）本工程頂管地道已于2020 年11 月中旬順利實(shí)現(xiàn)雙線貫通。頂管東、西線下穿S20 外環(huán)高速的成功實(shí)施，論證了采用鋼管幕加固控制大斷面頂管淺覆土下穿高速的可行性，可為今后軟土地區(qū)類似頂管下穿工程提供借鑒。

圖13 西線頂管完成后，S 1～S 4 監(jiān)測(cè)剖面測(cè)點(diǎn)數(shù)值與數(shù)值分析預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖

圖14 西線頂管完成后鋼管幕豎向變形圖