復(fù)雜工況條件下大斷面矩形頂管接收施工技術(shù)*

梅 君，何 凡

(上海隧道工程有限公司，上海 200030)

0 引言

地下空間的開發(fā)利用在緩解城市發(fā)展空間短缺和提高城市復(fù)原力方面發(fā)揮著重要作用。城市軌道交通具有運(yùn)量大、速度快、時(shí)間準(zhǔn)、乘坐體驗(yàn)好等優(yōu)勢(shì)，可以連接城市不同地區(qū)。隨著城市軌道交通的不斷發(fā)展和延伸，新建地鐵線路周邊工況愈加復(fù)雜多變，施工空間進(jìn)一步壓縮，施工難度大。因此在車站附屬結(jié)構(gòu)過街通道施工過程中，為避免管線搬遷、道路翻交及建(構(gòu))筑物搬遷所產(chǎn)生的大量費(fèi)用和工期損失，非開挖工藝特別是大斷面矩形頂管施工工藝得到越來越多的應(yīng)用[1-2]。

在頂管施工過程中，最關(guān)鍵的是始發(fā)出洞和接收進(jìn)洞環(huán)節(jié)，頂管進(jìn)出洞環(huán)節(jié)在很大程度上將決定頂管施工的成敗[3-4]。特別在富水軟土地層條件下，頂管始發(fā)接收階段極易發(fā)生滲漏風(fēng)險(xiǎn)，引發(fā)周邊敏感構(gòu)筑物變形破壞。南京S8線南延工程大橋站1號(hào)出入口通道大斷面矩形頂管工程，接收加固區(qū)環(huán)境復(fù)雜，受制于施工場地條件，有效加固長度僅2m，通過風(fēng)險(xiǎn)分析，綜合采取棄置機(jī)殼配合結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆[5]，輔以加固區(qū)止水補(bǔ)強(qiáng)、增設(shè)應(yīng)急降水井、頂管機(jī)增設(shè)注漿孔等技術(shù)措施，保障了頂管接收安全，同時(shí)地表及地面建(構(gòu))筑物沉降控制在允許范圍內(nèi)[6]。

1 工程概況

1.1 頂管通道概況

南京S8線南延工程大橋站主體位于江北新區(qū)浦珠北路與大橋北路快速路交叉口，車站為地下2層結(jié)構(gòu)，南北向布置。附屬1號(hào)出入口位于車站東側(cè)，橫穿大橋北路快速路高路基及輔道的連接通道采用矩形頂管法施工(見圖1)。1號(hào)出入口頂管段包含2段，分別為1A—1B出入口頂管段和1A—車站主體站廳層頂管段，本文介紹1A—車站主體頂管段的接收施工技術(shù)。

圖1 大橋站附屬1號(hào)出入口頂管通道平面(單位：m)

1A—車站主體頂管段通道長約77m，共51節(jié)管節(jié)，節(jié)段長度1.5m，由1A出入口始發(fā)，車站主體站廳層接收。通道斷面尺寸為4.9m×6.9m，采用1臺(tái)新制的6 920mm×4 920mm×5 327mm多刀盤土壓平衡頂管機(jī)進(jìn)行施工。

1.2 工程地質(zhì)條件

項(xiàng)目地處江北長江漫灘區(qū)域，主要為富水軟土地層。矩形頂管頂部覆土厚度約3.937～6.453m，區(qū)間通道掘進(jìn)地層主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及粉土夾粉質(zhì)黏土(局部區(qū)域下部位于粉砂夾粉土層)，主體接收段位于②2b4層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。

1.3 周邊環(huán)境概況

該段頂管通道周邊環(huán)境復(fù)雜，區(qū)間先后穿越大橋北路快速路高路基及工字堡護(hù)坡，在主體站廳層接收井實(shí)現(xiàn)接收，如圖2所示。主體接收井部位緊鄰南京市重點(diǎn)保護(hù)文物——南京長江大橋北引橋及工字堡護(hù)坡，平面距離最近僅為10.42m，既有構(gòu)筑物修建于20世紀(jì)60年代，為薄筏板基礎(chǔ)，上部為砌體結(jié)構(gòu)，整體性差，對(duì)沉降變形敏感、保護(hù)要求高，施工過程中沉降變形需控制在10mm以內(nèi)。

圖2 工字堡與頂管剖面(單位：m)

2 頂管接收風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 接收井加固設(shè)計(jì)

接收工作井位于車站主體站廳層，接收洞門斷面尺寸為7.3m×5.3m，為了保證頂管順利接收，對(duì)應(yīng)部位結(jié)構(gòu)中板施工下沉2m施工臨時(shí)接收平臺(tái)板，待附屬1號(hào)出入口頂管施工完成后鑿除恢復(fù)中板?？紤]施工場地條件，接收井地基加固設(shè)計(jì)方案采用1排φ2 000@1 200 MJS工法樁+樁間三重管φ850@1 200高壓旋噴樁，加固區(qū)沿洞圈范圍兩側(cè)各延伸3m，深度為12m。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)分析

2.2.1接收洞門滲漏風(fēng)險(xiǎn)

主體車站已完成軌道工程施工，安裝與裝修工程已基本完成，頂管接收過程若發(fā)生洞門滲漏將嚴(yán)重影響車站正常施工和周邊重要構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)安全。洞門滲漏風(fēng)險(xiǎn)主要體現(xiàn)在以下方面。

1)頂管接收區(qū)域處于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，下伏為粉土夾粉質(zhì)黏土層及②3d2-3粉砂夾粉土層，其中②3d2-3粉砂夾粉土層為承壓含水層，經(jīng)驗(yàn)算承壓水突涌安全系數(shù)為1.05，存在承壓水突涌風(fēng)險(xiǎn)，且工程地處長江漫灘地層，各土層間含砂率及含水量高，與長江存在一定的水力聯(lián)系。考慮本區(qū)間頂管通道掘進(jìn)土層涉及②3d2-3粉砂夾粉土層，頂管頂進(jìn)施工過程中造成地層擾動(dòng)，極易引起水土流失，甚至引發(fā)洞門滲漏。

2)接收加固區(qū)施工受工字堡護(hù)坡影響，既有主體基坑圍護(hù)地下連續(xù)墻與護(hù)坡?lián)鯄﹂g距離僅1.4m，設(shè)計(jì)進(jìn)洞加固采用單排φ2 000@1 200 MJS工法樁+樁間三重管φ850@1 200高壓旋噴樁，加固區(qū)有效寬度僅為2m，如圖3所示。

圖3 接收井洞門加固平面示意

主體基坑地下連續(xù)墻外側(cè)設(shè)計(jì)有五軸攪拌樁槽壁加固，導(dǎo)致MJS工法樁及樁間高壓旋噴樁加固止水受既有五軸攪拌樁槽壁加固影響，施工質(zhì)量難以保證。同時(shí)經(jīng)歷了主體基坑開挖及結(jié)構(gòu)回筑工況，既有五軸攪拌樁槽壁加固與地下連續(xù)墻間的接縫可能會(huì)拉開，為承壓水提供了滲漏通道，在洞門破除及頂管接收過程存在滲漏及承壓水突涌風(fēng)險(xiǎn)，如圖4所示。

圖4 接收井洞門加固剖面(單位：m)

2.2.2敏感構(gòu)筑物沉降過大風(fēng)險(xiǎn)

本區(qū)間頂管接收段連續(xù)穿越東工字堡護(hù)坡、大橋北路快速路及西工字堡護(hù)坡后到達(dá)主體結(jié)構(gòu)接收井。尤其是護(hù)坡區(qū)域?yàn)榇髩K拋石砌筑而成，頂管上部覆土發(fā)生變化，頂進(jìn)推力、正面土壓力及刀盤電流等參數(shù)突變，若頂進(jìn)參數(shù)調(diào)整不及時(shí)，極易引起地面重要構(gòu)筑物發(fā)生較大沉降，影響工字堡及北引橋結(jié)構(gòu)安全。

3 頂管接收關(guān)鍵技術(shù)

3.1 頂管機(jī)配置

頂管機(jī)是由4個(gè)小刀盤和1個(gè)大刀盤組成的大斷面土壓平衡頂管機(jī)，滿足全斷面切削要求。頂管機(jī)前部預(yù)留5個(gè)土壓感應(yīng)器，實(shí)時(shí)掌握全斷面土體壓力。主頂系統(tǒng)由12個(gè)300t油缸組成，總推力達(dá)36 000kN，最大頂進(jìn)速度約為40mm/min。大刀盤輸出轉(zhuǎn)速為1.44r/min，轉(zhuǎn)矩為1 475kN·m；小刀盤輸出轉(zhuǎn)速為5.5r/min，轉(zhuǎn)矩為325kN·m。

3.2 加固區(qū)止水補(bǔ)強(qiáng)措施

接收加固區(qū)為五軸攪拌樁與單排MJS工法樁相結(jié)合，有效寬度僅為2m，考慮攪拌樁施工完畢后先后經(jīng)歷基坑開挖及結(jié)構(gòu)回筑等工況，導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)與攪拌樁加固體間存在滲水路徑。為了進(jìn)一步封堵洞圈周邊圍護(hù)結(jié)構(gòu)與加固土體之間間隙，在接收井下部洞圈外側(cè)(內(nèi)襯結(jié)構(gòu)上)打設(shè)1圈注漿孔進(jìn)行水平注漿，開展加固區(qū)止水補(bǔ)強(qiáng)施工，如圖5所示。

圖5 洞圈注漿孔位

外圈注漿孔距離洞圈50cm，垂直內(nèi)襯結(jié)構(gòu)打設(shè)，水平間距0.8m，打設(shè)深度2.25m，打穿攪拌樁加固體。注漿漿液采用單液漿，由洞圈底部逐步向上壓注，單孔由里而外進(jìn)行注漿。在進(jìn)行洞圈注漿時(shí)，在不堵管的前提下，選用水灰比0.5～0.6的P42.5級(jí)水泥漿液，增大水泥用量，起到封堵洞圈周邊加固土體間隙的作用，穩(wěn)定注漿壓力0.5MPa，總壓力≤0.8MPa。同時(shí)在洞門范圍內(nèi)提前開設(shè)水平探孔，查看注漿效果。

3.3 頂管機(jī)棄殼接收

主體段接收井周邊工況復(fù)雜，構(gòu)筑物對(duì)沉降變形敏感，保護(hù)要求高。為降低頂管接收風(fēng)險(xiǎn)，采用棄置頂管機(jī)外殼方式進(jìn)行接收。即當(dāng)頂管機(jī)前部殼體頂進(jìn)至洞圈一定行程后，利用頂管機(jī)外殼與鋼洞圈形成洞門封閉，管節(jié)不脫離頂管機(jī)，拆除刀盤、驅(qū)動(dòng)及胸板等構(gòu)件，保留殼體后進(jìn)行現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的接收方式，接收工藝流程如圖6所示。

圖6 頂管棄殼接收工藝流程

3.3.1接收洞門止水裝置

由于接收井洞圈尺寸和頂管尺寸存在200mm的間隙，為了防止頂管機(jī)接收施工期間土體從該間隙中流失，在接收井洞圈周圍1圈安裝2道彈簧鋼板，內(nèi)部填充海綿。

3.3.2洞門拆除及頂管頂進(jìn)施工

1)洞門地下連續(xù)墻拆除

洞門拆除應(yīng)提前打設(shè)水平探孔，查看加固區(qū)滲水情況，同時(shí)安裝上部鋼洞圈范圍內(nèi)止水裝置。當(dāng)頂管機(jī)刀盤鼻尖靠上地下連續(xù)墻時(shí)，進(jìn)行洞門拆除。在接收平臺(tái)上搭設(shè)腳手架，然后鑿除洞門混凝土，整體上分3次自上而下進(jìn)行。①第1步 鑿除內(nèi)層混凝土保護(hù)層，鑿除厚度為100mm，切割暴露出的內(nèi)排鋼筋；②第2步 鑿除厚度為600mm，保留外排鋼筋；③第3步 切除地下連續(xù)墻外排主筋及地下連續(xù)墻接頭H型鋼外翼板，鑿除角部混凝土，剩余外側(cè)保護(hù)層及分布筋保留，直接由頂管機(jī)頂進(jìn)破除。

2)接收段頂進(jìn)施工 ①當(dāng)靠近接收洞門前10m范圍內(nèi)，重新復(fù)核測量控制點(diǎn)、頂管里程、姿態(tài)等數(shù)據(jù)。在進(jìn)加固區(qū)前，調(diào)整最優(yōu)的頂管姿態(tài)。②頂管機(jī)第45節(jié)管節(jié)頂進(jìn)完畢時(shí)，頂管機(jī)刀盤鼻尖靠上加固區(qū)。逐漸降低切口壓力，推進(jìn)速度控制在3mm/min。若總推力過高可適當(dāng)降低土壓力及推進(jìn)速度，每次土壓調(diào)整幅度為0.01MPa，每節(jié)出土量控制在51m3左右。③頂管機(jī)第47節(jié)管節(jié)頂進(jìn)1 050mm時(shí)，頂管機(jī)刀盤鼻尖靠上地下連續(xù)墻。此時(shí)加強(qiáng)對(duì)刀盤正前方加固土體改良，使加固土體以流塑狀排出，盡量排空土倉內(nèi)的渣土，逐步降低土壓力，同時(shí)前3節(jié)管節(jié)進(jìn)行剛性連接。④當(dāng)頂管機(jī)刀盤靠上地下連續(xù)墻后，進(jìn)行洞門鑿除施工，迅速清理洞門內(nèi)殘余鋼筋，保證接收時(shí)無障礙物。⑤洞門鑿除完畢后，在洞圈底部兩側(cè)設(shè)置軌枕，保證頂管機(jī)姿態(tài)。頂管機(jī)繼續(xù)快速向前頂進(jìn)432mm，此時(shí)第48節(jié)管節(jié)頂進(jìn)到位，頂管機(jī)前殼體出鋼洞圈20cm，設(shè)備停機(jī)，現(xiàn)場具備洞門封堵條件。

3)洞門封堵及漿液置換

頂管機(jī)頂進(jìn)行程到位，設(shè)備停機(jī)后，接收井洞門采用10mm厚鋼板快速將鋼洞圈與頂管機(jī)前殼體進(jìn)行焊接，始發(fā)井洞門利用最后一節(jié)管節(jié)背覆鋼板與鋼洞圈實(shí)現(xiàn)焊接，同時(shí)用雙快水泥封堵縫隙。在鋼板上預(yù)設(shè)6個(gè)注漿孔，封堵結(jié)束后通過注漿孔進(jìn)行洞門注漿，注漿采用雙液漿。

區(qū)間始發(fā)、接收洞門封堵完畢后，及時(shí)進(jìn)行漿液置換, 選用1∶1的水泥漿液，通過管節(jié)上的注漿孔向管道外壁壓注水泥漿，加固通道外土體，消除對(duì)通道使用過程中產(chǎn)生不均勻沉降的影響。

4)結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆施工

區(qū)間洞門封堵完畢后，及時(shí)拆除頂管機(jī)刀盤、驅(qū)動(dòng)、帽檐及胸板等構(gòu)件，殼體內(nèi)部加強(qiáng)勁板的割除應(yīng)保留 4～5cm剩余高度，減少殼體的受壓變形量。殼體內(nèi)設(shè)備拆解完成后，在機(jī)殼四壁內(nèi)搭設(shè)雙層鋼筋網(wǎng)片，并使用七字筋將雙層網(wǎng)片與殼體焊接固定。鋼筋工程完成后，模板安裝按從下往上、由內(nèi)向外的順序進(jìn)行安裝固定，側(cè)墻及頂板采用盤扣式滿堂支架搭設(shè)。棄殼段現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)整體分3次澆筑，依次澆筑結(jié)構(gòu)底板及側(cè)墻，再進(jìn)行剩余側(cè)墻及頂板澆筑，如圖7所示。

圖7 頂管棄殼段施工

3.4 其他關(guān)鍵措施

3.4.1應(yīng)急降水井

主體接收井洞門下部為粉土夾粉質(zhì)黏土及粉砂夾粉土層，滲透系數(shù)大。考慮到接收加固區(qū)范圍有限且存在冷縫，為避免洞門鑿除過程發(fā)生滲漏及承壓水突涌的風(fēng)險(xiǎn)，在接收井加固區(qū)兩側(cè)設(shè)置2口應(yīng)急降壓井，深度為26m。

根據(jù)前期現(xiàn)場降水試驗(yàn)狀況，承壓水初始水位為+0.120m，接收洞門底往上2.0m，開啟J1，同步觀測J2穩(wěn)定水位為-2.120m(接收洞門底部)。

因此在洞門地下連續(xù)墻第2層鑿除完畢后，開啟2口應(yīng)急降水井，同時(shí)頂管機(jī)快速頂進(jìn)到位，洞門封堵完畢后及時(shí)關(guān)閉，降水井累積開啟時(shí)間12h，有效降低了降水對(duì)周邊地表及工字堡護(hù)坡的影響。

3.4.2應(yīng)急注漿孔

1)為了保證接收洞口止水效果，在洞門口采取預(yù)埋注漿管的措施，當(dāng)頂管機(jī)進(jìn)入彈簧鋼板后，若出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，利用洞門四周預(yù)埋注漿管向洞門壓注聚氨酯，同時(shí)快速進(jìn)行鋼板封堵。

2)頂管機(jī)前、后殼體1圈各設(shè)置1寸應(yīng)急注漿孔(共36個(gè))，滿足頂管隧道內(nèi)快速壓注聚氨酯滲漏處理需求。

4 沉降監(jiān)測

本區(qū)間接收井周邊環(huán)境復(fù)雜，保護(hù)要求高。根據(jù)監(jiān)測方案要求，頂管施工過程中針對(duì)1.5倍埋深范圍內(nèi)的地表及構(gòu)筑物進(jìn)行監(jiān)測。該區(qū)間頂管工程已順利施工完畢，施工過程對(duì)地表、工字堡及周邊護(hù)坡范圍測點(diǎn)進(jìn)行持續(xù)沉降觀測，沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 施工期間周邊沉降觀測 mm

由表1可知，頂管施工期間，地表最大沉降值控制在5.39mm、工字堡及護(hù)坡周邊最大沉降值控制在3.80mm，均滿足設(shè)計(jì)±10mm控制指標(biāo)，工字堡及護(hù)坡結(jié)構(gòu)安全可控。其中地表及周邊構(gòu)筑物沉降變形最大斷面分布在接收加固區(qū)與原狀土交界部位。

5 結(jié)語

當(dāng)前頂管區(qū)間已經(jīng)施工完畢，頂管接收期間未發(fā)生滲漏、地面塌陷等險(xiǎn)情，周邊建(構(gòu))筑物沉降變形滿足設(shè)計(jì)要求，取得了預(yù)期效果。本文針對(duì)頂管接收的施工技術(shù)措施及實(shí)施效果進(jìn)行分析，結(jié)論如下。

1)在緊鄰敏感建(構(gòu))筑物大斷面矩形頂管工程接收采用棄置機(jī)殼+結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆的方式能夠極大降低接收風(fēng)險(xiǎn)，保障結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境安全。

2)在富水地層中要尤其注意接收加固區(qū)的止水效果，必要時(shí)進(jìn)行加固區(qū)補(bǔ)強(qiáng)，同時(shí)配合輔助降水降低洞門拆除過程的滲漏風(fēng)險(xiǎn)。

3)控制降水井開啟時(shí)間，可以有效降低降水對(duì)周邊地表及建(構(gòu))筑物的影響。

4)頂管接收過程要嚴(yán)格控制施工參數(shù)，及時(shí)進(jìn)行漿液充填，做好各工序銜接，可以有效控制沉降變形。