頂管近距離下穿既有地鐵線路控制技術(shù)

李建平

[上海公路橋梁（集團）有限公司，上海市 200433]

0 引 言

頂管施工工程是非開挖工程的一種工藝。它通過輔助設(shè)備，將管道在不開挖面層的條件下頂入到地層中，其施工面由線縮成點，占地面積少，與開槽施工法相比，可節(jié)約土體開挖量，同時其施工噪音低，對沿線環(huán)境污染小，沿線拆遷工作量少，所用資金和時間少，工程造價低。對于管線需要下穿不具備拆遷條件的建（構(gòu)）筑，頂管法施工是一項重要的選擇工藝?，F(xiàn)在城市地鐵線路四通八達，極大地方便了人們的出行，但是也對后續(xù)地下空間開發(fā)帶來了挑戰(zhàn)，新建管線不可避免地與運營地鐵線路交叉，頂管法以其上述優(yōu)點成為了下穿運營地鐵線路采用的工藝之一。但頂管近距離穿越地鐵線路有其需要解決的特殊技術(shù)問題。

1 工程概況

上海市靈石路（共和新路-滬太路）電力電纜隧道工程自靈石路、滬太路十字路口出發(fā)，沿靈石路至共和新路。電力隧道全段采用頂管法施工，管節(jié)為混凝土管，內(nèi)徑3.5 m，外徑4.14 m，管節(jié)寬度為2.5 m。其中4#工作井-5#工作井段長度為263.1 m，頂管機從5#工作井始發(fā)后約213 m，開始以凈距4 m下穿上海市地鐵1號線，穿越地鐵段管節(jié)編號為14~22環(huán)管節(jié)。穿越段距離4#接收井35 m。頂管線路覆土16 m左右，穿越段地鐵線路所在土層為③T層灰色砂質(zhì)黏土、③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④層淤泥質(zhì)黏土；頂管穿越土層為④層淤泥質(zhì)黏土、⑤1層黏土。下穿段地質(zhì)縱剖面圖（相對位置及土層分布）見圖1。

圖1 下穿段地質(zhì)縱剖面圖（單位：m）

2 數(shù)值分析頂管穿越對地鐵線路的影響

在施工前，采用有限元分析軟件PLAXIS3D對穿越工況進行模擬，土體模型采用小應(yīng)變土體硬化模型（HSS），土層力學(xué)性能指標(biāo)按照地質(zhì)報告土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)選取。既有地鐵線路隧道管片、頂管管節(jié)材料為C50鋼筋混凝土，采用線彈性模型板單元，鋼筋混凝土重度取25 kN/m3。頂管機殼體材料為鋼材，按照頂管機頭總質(zhì)量80 t換算出頂管機殼體材料等效重度為44.4 kN/m3。

地勘土體參數(shù)見表1，小應(yīng)變模型參數(shù)按照地質(zhì)報告參數(shù)選取[1]，小應(yīng)變土體模型其他參數(shù)取值見表2。

表1 地勘土體參數(shù)表

表2 小應(yīng)變土體模型其他參數(shù)取值

地鐵隧道的變形與隧道的剛度直接相關(guān)，修整慣用法[2-3]是通過剛度有效率折減勻質(zhì)環(huán)的剛度來反映接縫對襯砌剛度的弱化作用。相關(guān)資料顯示，目前盾構(gòu)結(jié)構(gòu)計算中剛度有效率多按經(jīng)驗取值[4-7]，上海大連路隧道錯縫拼裝按照0.65~1.0取值，廣州地鐵隧道錯縫拼裝按照0.6~0.8取值[4]，故本次針對地鐵隧道的剛度有效率按照0.7取值，則地鐵隧道混凝土彈性模量為30×103MPa×0.7=21×103MPa。頂管管節(jié)為整體環(huán)，環(huán)向剛度不考慮折減，頂管環(huán)與環(huán)之間采用承插連接，并且在穿越段，采用預(yù)埋鋼板通過焊接連接成整體，頂管隧道接縫剛度較地鐵盾構(gòu)隧道接縫剛度高，故有效率取值按照比地鐵盾構(gòu)隧道有效率高0.1取值，本文按照0.8取值，則頂管隧道混凝土彈性模量為30×103MPa×0.8=24×103MPa。管節(jié)及頂管機殼物理性能參數(shù)見表3。

表3 管節(jié)及頂管機殼物理性能參數(shù)

數(shù)值分析模型見圖2。

圖2 數(shù)值分析模型

采用塑性分析，不考慮滲流。施工階段依次為：初始應(yīng)力生成、既有地鐵線路生成、頂管管節(jié)頂進施工。土體損失率按照0.5%考慮[8]。頂管施工完成后，既有地鐵線路在頂管穿越后的最大向下位移為-0.85 mm。故在理論上，頂管下穿既有地鐵線路的影響在可控范圍內(nèi)，關(guān)鍵點是采取施工措施后，把土體損失率控制在0.5%以內(nèi)。建立模型后，地鐵線路數(shù)值分析位移結(jié)果見圖3。

圖3 地鐵線路數(shù)值分析位移結(jié)果（單位：m）

3 頂管頂進施工控制措施

3.1 頂管機選型

本次穿越采用常規(guī)泥水平衡頂管機，刀盤開口率為5.3%。為了防止在黏性土層中頂進刀盤結(jié)泥餅，應(yīng)確保刀盤面板上4處注水噴射口暢通，同時在頂管機殼體周圈增設(shè)3處2寸注漿孔作為應(yīng)急注漿孔，以及在必要時填充刀盤超挖后的建筑空隙。刀盤結(jié)構(gòu)照片見圖4。在頂管機土倉胸板上增設(shè)2處2寸注泥口，用于在頂管管節(jié)拼裝斷電期間的保壓使用。在頂管機4個糾偏鉸接油缸上增設(shè)4個壓力傳感器（見圖5），通過土倉面板上的土壓力傳感器互相校核土倉壓力，以提高過程控制精度。

圖4 刀盤結(jié)構(gòu)照片

圖5 鉸接油缸上增加油壓傳感器

3.2 管節(jié)改進措施

為避免頂管進出洞發(fā)生“磕頭”現(xiàn)象，前5節(jié)管材預(yù)埋400 mm×400 mm×25 mm鋼板，每節(jié)8處，采用對拉螺桿將管節(jié)與機頭連接固定。為更有效實時地控制土體沉降，前12節(jié)管材每節(jié)設(shè)置6處2寸注漿孔，其余管節(jié)設(shè)置6處1寸注漿孔、2處2寸注漿孔（見圖6）。

圖6 管節(jié)連接件及注漿孔預(yù)埋照片

在2道楔型橡膠止水帶的基礎(chǔ)上，在角部增加1道2 cm遇水膨脹止水條，以增強管節(jié)間止水性能（見圖7）。

圖7 管節(jié)接縫增加止水帶圖（單位：mm）

3.3 頂管止退系統(tǒng)

與常規(guī)頂管施工一樣，設(shè)置止退裝置。在穿越既有地鐵線路重要建（構(gòu)）筑時，若管節(jié)拼裝土倉保持的壓力較高，則止退裝置尤為重要。故本工程前12節(jié)管節(jié)增設(shè)止退孔（共設(shè)置4孔），采用4個200 t紐扣千斤頂，其余管節(jié)增設(shè)2個止退孔，全段頂進過程進行主動止退保障，主動止退裝置示意圖見圖8。對頂管穿越前后的止退力和后退量進行監(jiān)測后得到：前12節(jié)管節(jié)止退力228 t，后退距離1.8~2.5 cm；48~53管節(jié)止退力102 t，后退距離3~5 mm（見圖9）。由此可見，隨著頂管頂進距離的延長，后退力及后退距離均逐漸減小，此2項數(shù)值滿足頂管穿越地鐵要求。

圖8 主動止退裝置示意圖（單位：mm）

圖9 止退參數(shù)統(tǒng)計圖

3.4 頂進注漿控制措施

為了減少穿越期間管節(jié)頂進摩擦力對地鐵線路的影響，減摩注漿工作需進行精細化控制。每開始頂進1環(huán)管節(jié)，全線范圍內(nèi)采用少量減摩注漿，每環(huán)下部2個孔打開約1 min，然后上部3個孔打開約1 min；依次開始壓注下一環(huán)，直至全線完成。并且在管節(jié)預(yù)留的打土孔上，根據(jù)地面及地鐵線路的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行打土作業(yè)。1環(huán)管節(jié)注漿量控制在2.5 m3左右（見圖10）。

圖10 注漿量統(tǒng)計圖

3.5 頂進泥漿控制及土倉壓力控制

對泥水頂管進、排泥漿液進行控制。當(dāng)進水泥漿相對密度控制在1.05~1.10，出泥泥漿相對密度控制在1.25~1.30時，能夠有效地對開挖面進行支護和攜渣。頂管頂進及停止時，中間要通過旁通模式進行過渡，確保泥艙壓力穩(wěn)定。在管節(jié)拼裝前，應(yīng)使泥艙泥水壓力大于控制壓力0.1 MPa左右，管節(jié)拼裝時間控制在1 h以內(nèi)，泥漿壓力下降值基本控制在0.1 MPa左右，使其不至于對既有地鐵線路造成較大的影響。

4 下穿地鐵實際控制效果

在穿越前及穿越過程中，對影響范圍內(nèi)的地鐵線路進行全自動監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)實時共享，監(jiān)測頻率為1次/30 min。影響范圍內(nèi)的地鐵線路，在頂管穿越前地鐵上行線累計沉降-0.25 mm，地鐵下行線累計沉降-0.10 mm；頂管完成穿越后，地鐵上行線累計沉降0.60 mm，地鐵下行線累計沉降-0.25 mm。故受到頂管穿越影響，上行線產(chǎn)生的向上累計位移為0.85 mm，下行線產(chǎn)生的向上累計位移為0.15 mm。此位移量在地鐵管理單位給出的±5 mm范圍內(nèi)，并且與數(shù)值分析結(jié)果相接近。

5 結(jié)語

（1）采用合理的數(shù)值分析手段，能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測頂管頂進對周邊環(huán)境的影響。通過切口保壓、減摩注漿及補充注漿等措施，可以把土體損失率控制在0.5%以內(nèi)。

（2）頂管穿越敏感建筑物時的止退裝置非常重要，尤其在機頭土倉保壓時，泥漿壓力過大，容易造成頂管機頭回退而使得前方地面沉降。采用主動止退千斤頂，能夠有效減少在管節(jié)拼裝期間的后退量。同時要考慮增加管節(jié)的止退孔及加強止退孔周邊混凝土的澆筑質(zhì)量。

（3）管節(jié)之間的防水會對周邊土體損失產(chǎn)生影響，所以在穿越敏感建（構(gòu)）筑物下方時，要采取措施確保防水質(zhì)量；同時要考慮頂管管廊運營后，管節(jié)之間防水受到損壞時對上方地鐵線路沉降帶來的影響，故管節(jié)之間的緩沖墊需具有耐久性，建議采用橡膠墊。

（4）通過控制切口泥漿指標(biāo)，縮短管節(jié)拼裝時間及在停機前通過旁通系統(tǒng)適當(dāng)提高切口壓力，能夠較好地控制切口壓力在停機斷電期間的保壓值。

（5）本工程在黏性土中順利完成了頂管下穿既有運營地鐵作業(yè)，但在砂性土中存在因管節(jié)接口滲漏水所造成的下穿段土體流失。因此，小曲率半徑及長距離頂管下穿重要建（構(gòu)）筑的施工技術(shù)需要進行進一步評估。