軟土地區(qū)超長距離矩形頂管隧道始發(fā)工作井設(shè)計

李志剛

上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司 200092

引言

隨著城市化進程的快速推進，環(huán)境保護又越來越得到重視，矩形頂管在城市地鐵、綜合管廊、地下通道建設(shè)等領(lǐng)域得到了較多的應(yīng)用［1～4］。頂管施工技術(shù)發(fā)展迅速，大斷面頂管不斷得到應(yīng)用，工作井是頂管工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，頂管工作井尺寸越來越大、埋深越來越大，大型頂管工作井設(shè)計在內(nèi)部空間、基坑支護、后靠背系統(tǒng)等方面帶來新的問題。本文通過軟土地區(qū)某工程實例，介紹大斷面超長距離矩形頂管始發(fā)工作井的相關(guān)設(shè)計研究。

1 工程概況和地質(zhì)條件

1.1 工程概況

陸翔路-祁連山路貫通工程位于上海市寶山區(qū)，采用雙向四車道規(guī)模，自南向北依次下穿S20 外環(huán)高速和顧村公園，地道全長850m，其中暗埋段長645m?？紤]外環(huán)高速地面道路保通要求及顧村公園環(huán)境保護要求，本工程采用矩形頂管穿越外環(huán)道路和顧村公園，頂管外尺寸9.9m×8.15m，雙線分離式頂進，單向頂進長度445m，為大斷面超長距離矩形頂管隧道。

結(jié)合頂管施工特點，盡量減少頂管掘進對外環(huán)道路的影響，頂管始發(fā)工作井遠離外環(huán)道路，位于顧村公園北側(cè)，頂管接收井位于外環(huán)道路南側(cè)。

1.2 周邊環(huán)境

頂管始發(fā)工作井位于公園內(nèi)，影響范圍內(nèi)無市政管線和建筑物，北側(cè)距離既有地鐵7 號線區(qū)間約80m，南側(cè)距離擬建地鐵15 號線盾構(gòu)區(qū)間約29m，如圖1 所示。

圖1 地道平面布置圖Fig.1 Floor plan of the project

1.3 工程地質(zhì)條件

根據(jù)勘察報告，工程所處的主要土層為：①1雜填土、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層、④淤泥質(zhì)黏土層、⑤1灰色黏土、⑥粉質(zhì)黏土、⑦草黃～灰黃色粉砂、⑧1灰色黏土。土層參數(shù)詳見表1。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical-mechanical parameters of the soil

擬建場地地下水類型有潛水、承壓水。潛水賦存于淺部黏性土層和淺部粉性土層中，其補給來源主要為大氣降水與地表徑流。承壓水主要賦存于淺部⑦層中的承壓水，承壓水埋深一般為3m ～12m，并隨季節(jié)有所變化。

始發(fā)工作井底板位于④淤泥質(zhì)黏土層，土質(zhì)差，流塑狀，高壓縮性，強度低、靈敏度高，開挖易受擾動。工作井開挖影響范圍內(nèi)，⑦層承層壓水可能會導(dǎo)致基坑突涌。

2 始發(fā)工作井構(gòu)造設(shè)計

2.1 最小凈長度計算

始發(fā)工作井是用于頂管設(shè)備安裝調(diào)試、管節(jié)拼裝及頂進施工的地下作業(yè)空間，因此工作井的尺寸應(yīng)綜合考慮頂管設(shè)備安裝、管片拼裝及頂進、排漿出土、材料物資進出等施工操作空間確定。上海地區(qū)頂管始發(fā)井的最小凈長度可按式（1）估算［5］：

式中：L為工作井最小凈長度；L1為頂管機或管段長度，取大者；L2為千斤頂長度；L3為后座及擴散段厚度；S1為頂入管段留在導(dǎo)軌上的最小長度，可取0.5m；S2為頂鐵厚度；S3為考慮頂進管段回縮及便于安裝管片所留附加間隙，可取0.2m。根據(jù)相關(guān)規(guī)范和經(jīng)驗，頂管機長度宜為5.5m，千斤頂長度取3m。

2.2 最小凈寬度計算

本工程后座厚度取2m，頂鐵厚度取0.5m，因此：

L≥5.5 ＋3 ＋2 ＋0.5 ＋0.5 ＋0.2 ＝11.7m

考慮1.5m 的富余量，始發(fā)井內(nèi)凈長度取13.2m。

始發(fā)井的最小凈寬度可按式（2）估算：

式中：B為工作井的最小凈寬度；D為管道外徑，本工程頂管寬度9.9m，考慮頂管出洞偏差因素而適當(dāng)放大，D取10.2m；b為施工操作空間，可取0.8m ～1.5m。

始發(fā)井單線凈空尺寸13.2m ×13.2m，本工程雙向分離頂進，頂管中心的距離為19.9m，因此頂管井內(nèi)凈尺寸為33.1m×13.2m。

2.3 凈高度計算

始發(fā)井的內(nèi)凈高可按式（3）估算：

式中：H為工作井最小深度；D為管道外徑；h為管底下的操作空間，鋼筋混凝土管片可取0.4m ～0.5m，則：

考慮頂管頂部預(yù)留一定操作空間，因此始發(fā)井的內(nèi)凈高取9.9m，如圖2、圖3 所示。

圖2 始發(fā)工作井平面圖（單位： mm）Fig.2 Floor plan of working shaft（unit：mm）

圖3 始發(fā)工作井縱剖面圖（單位： mm）Fig.3 Longitudinal section of working shaft（unit：mm）

3 始發(fā)工作井基坑支護設(shè)計

始發(fā)工作井基坑平面尺寸34.7m ×15m，開挖深度約15.13m，基坑安全等級為一級?；泳嚯x在運營軌道交通7 號線區(qū)間隧道約80m，距離擬建軌道交通15 號線區(qū)間隧道約29m，根據(jù)施工籌劃，工作井基坑先于15 號線區(qū)間隧道施工，工作井影響范圍內(nèi)無地下管線，基坑環(huán)境保護等級取二級。

基坑圍護結(jié)構(gòu)形式應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、鄰近建（構(gòu)）筑物、地上與地下管線情況、結(jié)構(gòu)受力及施工安全等要求合理選型。本工程工作井基坑較深且臨近軌道交通區(qū)間隧道，綜合考慮場地條件、施工周期、經(jīng)濟性和技術(shù)可行性等因素，基坑圍護采用地下連續(xù)墻，內(nèi)支撐采用首道鋼筋混凝土撐＋3 道鋼管撐，拆除第四道撐后，進行1 道換撐。工作井內(nèi)水平支撐形成封閉式框架，四角設(shè)角撐，如圖4 所示。

圖4 始發(fā)工作井基坑圍護示意圖（單位： mm）Fig.4 Cross section of the excavation（unit：mm）

工作井基坑底部與⑦層承壓水土層距離約9m，基坑抗突涌不滿足規(guī)范要求，施工期間應(yīng)考慮降承壓水措施。場地內(nèi)⑦層土厚度不大，下方存在不透水⑧1灰色黏土，為降低承壓水對周邊環(huán)境的影響，因此考慮地墻穿過承壓水土層進入⑧1灰色黏土。

圍護計算采用規(guī)范推薦的豎向彈性地基梁法，土的c、φ 值采用固結(jié)快剪峰值指標(biāo)，圍護體系變形、內(nèi)力計算和各項穩(wěn)定驗算采用水土分算原則。圍護計算結(jié)果如表2 所示。

表2 圍護結(jié)構(gòu)計算結(jié)果Tab.2 Calculation results of the excavation

由表2 可知，圍護結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范各項指標(biāo)要求。

4 始發(fā)工作井結(jié)構(gòu)設(shè)計

始發(fā)工作井的結(jié)構(gòu)型式為矩形空間箱形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)埋深較大，井壁縱向需開孔，其中一側(cè)井壁開孔為類矩形頂管地道進出孔，尺寸10.2m×8.45m，另一側(cè)開孔與明挖暗埋段相接，結(jié)構(gòu)受力體系復(fù)雜。

始發(fā)工作井的結(jié)構(gòu)設(shè)計需同時滿足頂管施工要求及使用階段的功能要求。在施工階段，結(jié)合圍護支撐體系設(shè)置框架，框架梁斷面為1450mm ×1200mm 和2400mm × 1200mm，頂板開洞大小11.9m×10.2m；使用階段封閉頂板空洞區(qū)域。地連墻作為主體結(jié)構(gòu)的一部分與內(nèi)襯墻形成疊合墻結(jié)構(gòu)。

工作井結(jié)構(gòu)空間受力體系復(fù)雜，無法采用平面框架進行設(shè)計，本工程采用三維計算模型進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖5 所示。

圖5 工作井結(jié)構(gòu)三維模型Fig.5 Three-dimensional model of working shaft

5 始發(fā)工作井后靠背設(shè)計

5.1 頂力計算

頂力的確定是頂進阻力的反分析，為了推動管片在土體介質(zhì)中前進所需克服的管片阻力是頂力的反作用力。頂管頂進過程中主要需要克服兩大阻力，一是管片外壁與土層的摩阻力F1，二是頂管機的掌子面阻力F2。因此，頂管頂進所需的總頂力可按式（4）估算：

管片外壁與土層的摩阻力F1可按式（5）確定

式中：μ為管片外輪廓周長，f為管壁與土層（減摩漿液）間的摩擦力。

本工程總頂進長度445m，頂管外周長32m，頂進過程中采用觸變泥漿減摩，摩阻力取5kPa，因此：

掌子面阻力F2可根據(jù)頂管機型不同及周邊環(huán)境的要求選用土壓力。對于土壓平衡式和泥水平衡式頂管機，可按式（6）計算：

式中：A為掌子面面積，R1為頂管機下部1／3 處的被動土壓力。

頂管掌子面面積A＝72.5m2，頂管覆土取6m，頂管截面高度8.1m，土體等效內(nèi)摩擦角取15°，被動土壓力系數(shù)Kp取1.7，土重度取18kN／m3，水土合算，則被動土壓力：

則總頂力：

總頂力須滿足頂管管片的端面承載力要求，對于鋼筋混凝土管片，管片允許頂力見式（7）：

式中：kdc為混凝土管片綜合系數(shù)，取kdc＝

0.372；fc為混凝土管抗壓強度設(shè)計值；Ap為管片有效傳力面積。

本工程混凝土管片采用C50，fc＝23.4MPa，有效傳力面積Ap＝20m2，則：

根據(jù)以上計算，計算總頂力為89180kN?？紤]一定安全系數(shù)，設(shè)計最大總頂力Fd取100000kN，安全系數(shù)1.1。

5.2 后靠土體穩(wěn)定驗算

工作井后背土體允許施加的頂進力按式（8）計算：

式中：Kp為被動土壓力系數(shù)，取1.7；γ 為土的重度，取18kN／m3；h為工作井深度，取13.7m；η為安全系數(shù)，取1.5；Bq為后背墻的寬度，取11m；h1為地面到后背墻頂部土體的高度，取4.8m；Hq為后背墻的高度，取8.9m；h2為后背墻底部到工作井地下連續(xù)墻底部的高度，取20.3m。

工作井后靠土體可承受的頂力小于設(shè)計最大總頂力，無法提供足夠的頂力，需要考慮其他措施提供頂管頂力，計算模型如圖6 所示。

圖6 后背墻受力計算模型Fig.6 Force calculation model of back wall

5.3 后靠背系統(tǒng)設(shè)計

本工程設(shè)計頂管頂力較大，考慮采用部分暗埋段作為頂管頂進的后靠背系統(tǒng)以提供頂管頂力，如圖7 所示。后靠反力由暗埋段外側(cè)地下墻摩阻力F1、暗埋段結(jié)構(gòu)底板與周圍土體摩阻力F2、工作井后靠土壓力F3、設(shè)置于暗埋段底板下的地下墻摩阻力F4組成。頂管采用分離式雙線頂進，以單側(cè)頂進工況為例計算后靠反力。

圖7 明挖暗埋段后靠示意圖Fig.7 Reaction system of the working shaft

1.暗埋段外側(cè)地下墻摩阻力F1

暗埋段兩側(cè)地下墻摩阻力F1計算見式（9）：

式中：Lq為暗埋段地下墻長度；fsi為各土層側(cè)摩阻力系數(shù)，根據(jù)地勘報告取值；li為各土層厚度；γs為承載力分項系數(shù)，取2。

暗埋段底板以上地下墻僅計入單側(cè)迎土面摩阻力，底板以下地下墻則計入雙側(cè)摩阻力。由此計算可得F1＝63450kN。

2.暗埋段結(jié)構(gòu)底板與周圍土體摩阻力F2

暗埋段底板摩阻力F2與箱涵自重及上覆土自重之和有關(guān)，見式（10）：

式中：μ為底板與土體摩擦系數(shù)，取0.3；Gk為暗埋段單位長度自重，為30.4kN／m；Lj為暗埋段結(jié)構(gòu)長度，為49m；γ 為上覆土重度，取18.5kN／m3；ha為暗埋段平均覆土高度，為4.55m；Ba為暗埋段底板寬度，為10m。

由此計算可得F2＝20480kN。

3.工作井后靠土壓力F3

工作井后靠土壓力僅考慮暗埋段底板至工作井底板范圍內(nèi)的土壓力。根據(jù)土壓力理論，工作井后靠土壓力一般按照被動土壓力計算，若被動土壓力完全發(fā)揮，則工作井后靠地下墻及主體結(jié)構(gòu)必將發(fā)生較大位移，因此工作井后靠土壓力F3可近似取靜止土壓力，見式（11）：

式中：K為靜止土壓力系數(shù)，取0.5；hs為暗埋段底板至工作井底板距離，為2.1m，其余公式見上文。

由此計算可得F3＝1120kN。

4.暗埋段底板下的地墻摩阻力F4

本工程在暗埋段底板下設(shè)置地下墻的方式來提高后靠反力。每側(cè)暗埋段底板下設(shè)置2 道地下墻，地下墻厚度800mm，深度為底板以下15m，縱向長度同暗埋段長度，墻頂與底板形成一個整體。

暗埋段下方地墻與周圍土體摩阻力F4計算與F1相同，其中Lj為49m，由此計算可得F4＝52920kN。

由上述可得總后靠反力Ff：

Ff＝F1＋F2＋F3＋F4＝137970kN，大于設(shè)計總頂力，安全系數(shù)1.38，可滿足施工頂進需求。F1、F2、F3、F4分別占總后靠反力Ff的46%、15%、1%、38%，后靠力主要為暗埋段外側(cè)地墻摩阻力和暗埋段底板下地墻摩阻力，通過暗埋段底板下設(shè)置地墻來提供后靠力是合理的，而工作井后靠土體高度有限，后靠土壓力占比較小可以忽略不計。

本工程頂管頂進過程中采用觸變泥漿套減小摩阻力，取得了較好的減摩效果，實際最大頂力約70000kN，為設(shè)計總頂力約70%，為總后靠反力約50%?？紤]到本工程為大斷面超長矩形頂管，頂進過程中的不確定性因素較多，后靠設(shè)計考慮一定富裕量是合理的，但仍具有一定優(yōu)化空間，如：

（1）設(shè)計階段合理確定觸變泥漿套的摩阻力，使預(yù)估總頂力更接近實際情況；

（2）后靠背設(shè)計盡量利用暗埋段結(jié)構(gòu)，優(yōu)化暗埋段地墻的深度和長度，進一步減小工程造價；

（3）可考慮臨時壓載，提供施工期間的后靠力；

（4）本工程設(shè)置頂進中繼間，實際施工時未啟用，如果啟用中繼間，可減少總頂力優(yōu)化后靠。

6 結(jié)語

陸翔路-祁連山路貫通工程采用的矩形頂管斷面尺寸大、頂進距離長，設(shè)計和實施難度大，本文詳細(xì)介紹了大斷面超長距離矩形頂管始發(fā)工作井的設(shè)計方法，通過地下墻圍護結(jié)構(gòu)、后靠系統(tǒng)等方案解決了大斷面超長距離頂管始發(fā)工作井難題，得到以下結(jié)論：

1.始發(fā)工作井內(nèi)凈尺寸確定合理可行，可以為同類型大斷面頂管工作井設(shè)計提供參考價值；

2.工作井圍護體系確?；影踩?，基坑圍護結(jié)構(gòu)位移在可允許范圍內(nèi)，基坑圍護結(jié)構(gòu)和支撐體系設(shè)計較為合理；

3.后靠背系統(tǒng)需綜合考慮頂力大小、圍護型式以及結(jié)構(gòu)型式等因素，本工程采用地下墻和暗埋段組成后靠背系統(tǒng)，后靠背系統(tǒng)確保了頂進順利實施，證明后靠背系統(tǒng)設(shè)置的合理性。

4.本工程頂管實際最大頂力約為設(shè)計總頂力約70%，約為總后靠反力50%，后靠背系統(tǒng)具有一定優(yōu)化空間。類似工程，可通過合理確定觸變泥漿阻力、優(yōu)化暗埋段地墻深度、臨時增加壓載、中繼間等方面優(yōu)化后靠背系統(tǒng)。

5.本工程頂管后靠力主要為暗埋段外側(cè)地墻摩阻力和暗埋段底板下地墻摩阻力，通過暗埋段底板下設(shè)置地墻來提供后靠力是合理的，而工作井后靠土壓力占比較小可以忽略不計。