軟土地區(qū)過(guò)街通道矩形頂管關(guān)鍵技術(shù)研究

魏登輝

中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 天津 300110

引言

隨著我國(guó)城市軌道交通事業(yè)的快速發(fā)展，為更好地服務(wù)客流，滿足建筑功能，出入口過(guò)街通道下穿主干路、快速路、高速公路的案例越來(lái)越多，在軟土地區(qū)采用矩形頂管施工過(guò)街通道能很好地解決交通疏解和管線切改等難題。本文結(jié)合天津地鐵4號(hào)線南段工程5座車站過(guò)街通道矩形頂管的設(shè)計(jì)及施工經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)軟土地區(qū)過(guò)街通道矩形頂管設(shè)計(jì)及施工過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)，為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

天津地鐵4號(hào)線南段8標(biāo)，共6站5區(qū)間，均位于天津市東麗區(qū)。車站主體均設(shè)置于津?yàn)I大道南側(cè)，5座車站出入口均設(shè)置過(guò)街通道下穿津?yàn)I大道，采用矩形頂管法施工，該工法在天津地區(qū)地鐵工程中屬于首次大規(guī)模集中實(shí)施[1]。

沙柳南路站頂管長(zhǎng)度約98.8m，由北向南上坡，縱坡為1%，頂管覆土厚度約為6.2～7.31m。約77°斜向下穿津?yàn)I大道、張貴莊排水河。受管線和交改制約，在始發(fā)井內(nèi)設(shè)置臨時(shí)后背墻和斜向牛腿，取消背后加固，始發(fā)端頭加固采用MJS大直徑旋噴樁，接收井吊裝孔壓縮為10.7m×5.3m。

登州南路站頂管長(zhǎng)度約94.9m，由北向南上坡，縱坡為1.03%，頂管覆土厚度約為6.1～7.1m。約76°斜向下穿津?yàn)I大道、張貴莊排水河。受管線和交改制約，始發(fā)井端頭和背后加固采用MJS大直徑旋噴樁，接收井吊裝孔壓縮為10.5m×5.1m。

躍進(jìn)北路站頂管長(zhǎng)度約97.9m，由北向南上坡，縱坡為1%，頂管覆土厚度約為7.1～8.9m。橫向下穿津?yàn)I大道，始發(fā)、接收條件較好。

航雙路站頂管長(zhǎng)度約88.5m，由北向南上坡，縱坡為2%，頂管覆土厚度約為6.2～7.9m。橫向下穿津?yàn)I高速、津北公路，始發(fā)條件較好。受管線和交改制約，接收井吊裝孔壓縮為10.7m×3.2m。

民航大學(xué)站頂管長(zhǎng)度約89.7m，由北向南上坡，縱坡為2.1%，頂管覆土厚度約為6.6～8.4m。橫向下穿津?yàn)I高速、津北公路，出入口明挖段及始發(fā)井位于民航大學(xué)校內(nèi)湖填筑場(chǎng)內(nèi)。受航油管安全距離要求的制約，采用站內(nèi)接收。

以上5條過(guò)街通道均已施工完成，采用土壓平衡式矩形隧道掘進(jìn)機(jī)，頂進(jìn)時(shí)間約20～25天。

工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況：場(chǎng)地范圍內(nèi)土層從上而下依次為：①2素填土、④1粉質(zhì)黏土、④2砂質(zhì)粉土、⑥1黏質(zhì)粉土、⑥2粉質(zhì)黏土、⑦1粉質(zhì)黏土、⑧1粉質(zhì)黏土等，頂管部位主要位于⑥1黏質(zhì)粉土和⑥2粉質(zhì)黏土層； 場(chǎng)區(qū)內(nèi)地下水位較高，勘察期間測(cè)得場(chǎng)地地下潛水水位：初見(jiàn)水位埋深1.5～3.4m，相當(dāng)于標(biāo)高0.81～1.54m。

2 線路特征

2.1 平面線型及縱斷面坡度

矩形頂管機(jī)適應(yīng)雜填土、淤泥、黏土、粉土、中粗砂、粉細(xì)砂等軟土地層。平面線形要求為直線，不得轉(zhuǎn)彎；始發(fā)井與接收井端面與頂管中心線一般要求垂直，若條件困難無(wú)法垂直，也可采用楔形鋼環(huán)接頭解決，如登州南路站始發(fā)井端墻與頂管中心線不垂直，采取特殊工藝處理，成功始發(fā)。頂管段長(zhǎng)度不宜過(guò)大（88.5m～98.8m），超過(guò)100m時(shí)應(yīng)設(shè)置安全疏散口?？v向坡度一般要求平坡，對(duì)于頂管工藝而言，線路縱向優(yōu)先采用頂進(jìn)坡度較小的上坡為宜；最大縱坡一般不超過(guò)+5%、-3%，宜在 -1%～+1%之間。

2.2 最小覆土要求

根據(jù)頂管通道的斷面大小，其覆土厚度除滿足工藝要求外，尚應(yīng)滿足抗浮及結(jié)構(gòu)受力要求，根據(jù)地下管線情況及地面沉降控制標(biāo)準(zhǔn)確定，一般最小覆土滿足0.8～1倍通道結(jié)構(gòu)總高度要求，不滿足要求時(shí)應(yīng)采取可靠措施，確保頂板上部覆土的穩(wěn)定[2]。

2.3 與管線最小距離

5座車站過(guò)街通道上方均有較多市政管線，其中控制性管線主要有：沙柳南路站?1500污水管，距離頂管約2.6m；登州南路站張貴莊排水河，河寬20m，距離頂管約2.5m；躍進(jìn)北路站DN1000污水管，距離頂管約1.1m；航雙路站?2000污水管，距離頂管約1.7m；民航大學(xué)站?2200污水管，距離頂管約2m。

為確保地下管線的安全，頂管外壁距離地下管線的凈距離一般要求≥0.8m，同時(shí)應(yīng)盡量避開(kāi)管線窨井、接頭等位置。特殊管線，如民航大學(xué)站航油管最小凈距要求≥5m。

3 斷面尺寸

綜合比較后，4號(hào)線南段出入口過(guò)街通道矩形頂管截面均采用6m×3.3m凈空尺寸。采取3.3m凈高頂管尺寸，可以考慮將吊頂上方排煙管分成兩個(gè)支管設(shè)置，盡量減少設(shè)備高度，優(yōu)化后吊頂下凈高為2.6m，滿足地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范最小2.4m的要求，且投資相對(duì)較小。管節(jié)壁厚450mm，保護(hù)層厚度為一般環(huán)境下的所有鋼筋（包括分布鋼筋）的凈保護(hù)層厚度：外側(cè)45mm，內(nèi)側(cè)35mm。

管節(jié)接口采用“F”型承插式，管節(jié)寬度采用 1.5m。矩形頂管排版設(shè)計(jì)時(shí)一般采用標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度管節(jié)，必要時(shí)可微調(diào)工作井的相對(duì)位置以滿足管節(jié)標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)長(zhǎng)度。如條件限制需采用特殊長(zhǎng)度管節(jié)，其最小長(zhǎng)度一般不宜小于1.0m。

4 工作井尺寸

頂管始發(fā)井的預(yù)埋鋼環(huán)內(nèi)凈尺寸一般按管節(jié)外包尺寸單邊加110～150mm的外放考慮?？紤]頂管頂進(jìn)過(guò)程中的允許施工誤差，頂管接收井的預(yù)埋鋼環(huán)內(nèi)凈尺寸一般按管節(jié)外包尺寸單邊加160～200mm的外放考慮。洞口預(yù)埋鋼環(huán)的具體尺寸大小應(yīng)根據(jù)不同的施工設(shè)備確定。

始發(fā)井大小以頂管通道的大小及頂管機(jī)工作、進(jìn)出管片、出土等要求確定，始發(fā)井凈寬度一般不小于通道寬度兩邊各外擴(kuò)1.5m；長(zhǎng)度一般為頂管機(jī)長(zhǎng)度（含螺旋出土器長(zhǎng)）外加3倍管片環(huán)寬。本工程始發(fā)井開(kāi)洞按9.9m×10.1m預(yù)留。

接收井的最小凈長(zhǎng)度和凈寬度應(yīng)滿足頂管機(jī)在井內(nèi)拆除和吊出的要求。接收井凈寬度一般不小于通道寬度兩邊各外擴(kuò)1.5m，長(zhǎng)度方向凈距一般為頂管機(jī)長(zhǎng)度兩邊各擴(kuò)出1.5m。受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，本工程接收井最小開(kāi)洞為航雙路站10.7m×3.2m，接收井尺寸較小，頂管機(jī)拆除、吊出較為困難。

接收井一般采用明挖法施做，若接收井位置交通疏解及管線切改困難，可考慮采用站內(nèi)接收方案；如民航大學(xué)站受航油管安全距離要求的制約，采用站內(nèi)接收方案，可減少管線切改和交通導(dǎo)行，減少頂管接收井的施工時(shí)間，節(jié)省工期、降低造價(jià)，但是站內(nèi)接收平臺(tái)影響車站鋪軌、站臺(tái)板施工、區(qū)間盾構(gòu)作業(yè)、車站頂板覆土回填等工序，需與全線鋪軌及車站、區(qū)間施工工期緊密結(jié)合確定[3]。

5 始發(fā)、接收加固

進(jìn)出洞及始發(fā)后靠背土體加固范圍應(yīng)根據(jù)地層狀況、洞門(mén)破除要求確定，一般采用旋噴樁+攪拌樁加固，可采用預(yù)留降水井作為應(yīng)急措施。始發(fā)、接收工作井加固長(zhǎng)度一般不小于3m，寬為工作井左右各3m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角處須包角處理，加固深度為通道頂?shù)装迳舷赂?m。

本工程頂管后背土體及始發(fā)加固采用五排?850@600三軸水泥攪拌樁；接收土體加固采用四排?850@600三軸水泥攪拌樁，一排旋噴樁；進(jìn)出洞及始發(fā)可采用預(yù)留降水井（兼做觀測(cè)井）作為應(yīng)急措施。

條件困難時(shí)可以在加固土體內(nèi)插入型鋼或采用MJS大直徑旋噴樁加固，如沙柳南路站和登州南路站受交通導(dǎo)改和管線切改的制約，始發(fā)井端頭和背后加固采用MJS大直徑旋噴樁。加固后的土體指標(biāo)需滿足工作井洞口鑿除后土體的穩(wěn)定性和抗?jié)B性要求。當(dāng)頂管的總頂力大于始發(fā)井后靠側(cè)原狀土強(qiáng)度時(shí)，為保證工程的安全，增加被動(dòng)區(qū)土體的抵抗能力，可以對(duì)始發(fā)井后靠的土體進(jìn)行地基加固，一般可以采用攪拌樁、旋噴樁等加固形式。

6 頂管防水

矩形頂管的防水設(shè)計(jì)應(yīng)遵循“以防為主，剛?cè)峤Y(jié)合，多道防線，因地制宜，綜合治理”的原則，以工作井及鋼筋混凝土管節(jié)的結(jié)構(gòu)自防水為根本，以管節(jié)接頭防水為重點(diǎn)，確保工程的整體防水。按照地下車站出入口、人行通道防水等級(jí)為一級(jí)的要求，即不得有滲水，結(jié)構(gòu)表面無(wú)濕漬。

本工程管節(jié)間的防水措施主要有：

外側(cè)防水體系：承插口鋼套環(huán)采用厚18mm的鋼板，長(zhǎng)350mm，與承口混凝土結(jié)構(gòu)密貼。插口混凝土結(jié)構(gòu)外側(cè)密貼楔形橡膠圈，插入承插口鋼套環(huán)，在插入過(guò)程中，橡膠圈被壓縮，密貼鋼套環(huán)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，形成良好的防水體系。在承口處鋼套環(huán)內(nèi)側(cè)粘貼遇水膨脹橡膠止水條，在承口與插口接口處設(shè)置嵌縫槽，嵌入雙組份聚硫密封膠，保證承口側(cè)的防水能力。

中間防水體系：在管片中部位置開(kāi)槽，嵌入多孔型彈性密封墊。密封墊為三元乙丙橡膠。三元乙丙橡膠應(yīng)與丁腈軟木有相協(xié)調(diào)的壓能力，保證拼裝后的防水效果。

內(nèi)側(cè)防水體系：內(nèi)側(cè)防水體系為預(yù)留防水體系。在管節(jié)內(nèi)側(cè)兩管節(jié)接口處設(shè)置嵌縫槽，后期可采用注入雙組分聚硫密封膠形式或采用接水槽引水形式進(jìn)行防水。

為減小進(jìn)出洞滲漏水風(fēng)險(xiǎn)，防止地下水從頂管機(jī)殼體和洞門(mén)的間隙處流出，在始發(fā)時(shí)需安裝洞門(mén)臨時(shí)密封裝置，洞口密封采用2道折葉式密封壓板+2道簾布橡膠板。

7 施工注意事項(xiàng)

頂管施工采用土壓平衡式頂管機(jī)，頂管初始頂進(jìn)速度宜控制在10mm/min～20mm/min范圍，頂進(jìn)中的速度宜控制在20mm/min～30mm/min范圍；土壓力值設(shè)定應(yīng)根據(jù)選用的頂管機(jī)類型確定。

頂管頂進(jìn)過(guò)程中應(yīng)采取防磕、抗扭轉(zhuǎn)、防倒退及控制地面沉降等措施；每頂進(jìn)一節(jié)距離或頂進(jìn)2m～3m應(yīng)測(cè)量一次頂管機(jī)的姿態(tài)偏差，并及時(shí)調(diào)整，控制管道沿設(shè)計(jì)軸線頂進(jìn)。

正面土壓力最初設(shè)定值隨著頂進(jìn)施工應(yīng)根據(jù)實(shí)際頂進(jìn)參數(shù)、地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)做相應(yīng)的調(diào)整。

頂管頂進(jìn)應(yīng)采取下列措施控制地面沉降：①在頂進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)理論出土量核對(duì)每節(jié)管片的實(shí)際出土量，使之保持一致；嚴(yán)格控制出土量，防止欠挖或超挖，盡量減少水土流失，控制好地面沉降。②應(yīng)合理控制頂進(jìn)速度，保證連續(xù)均衡施工，避免出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間機(jī)頭停滯的情況；應(yīng)根據(jù)反饋數(shù)據(jù)反復(fù)調(diào)整土壓力設(shè)定值，保證掌子面土壓力、出土量、頂進(jìn)速度、注漿量和注漿壓力等各項(xiàng)施工參數(shù)處于最佳狀態(tài)。③同步注漿以及沿線補(bǔ)注漿應(yīng)及時(shí)有效，形成完整的泥漿套環(huán)，壓漿應(yīng)先壓后頂，頂管結(jié)束宜用水泥漿對(duì)泥漿套進(jìn)行固化。

施工過(guò)程中如果發(fā)現(xiàn)管線或地面有大的沉降趨勢(shì)，可利用管節(jié)內(nèi)的注漿孔，使用快凝雙液漿（水泥+水玻璃）對(duì)沉降區(qū)域進(jìn)行底部加固，控制住地面及管線的沉降趨勢(shì)。注漿量視實(shí)際情況而定，確保地下管線差異沉降量控制在允許值以內(nèi)。頂管穿越風(fēng)險(xiǎn)源處，以及始發(fā)、接收時(shí)，建議通過(guò)打泥控制地面及管線的沉降及預(yù)防滲水。

為減小土體與管道間的摩阻力，在頂進(jìn)時(shí)應(yīng)及時(shí)在管道外壁壓注觸變泥漿，在管道四周形成一圈泥漿套環(huán)以達(dá)到減摩效果。觸變泥漿性能指標(biāo)：黏度＞30s，濾失量＜25mL/30min，比重1.02～1.3。

頂管機(jī)頭吊出接收井后，應(yīng)將管節(jié)與兩端洞門(mén)間的縫隙進(jìn)行封堵。一般采用單液漿置換出觸變泥漿，對(duì)管節(jié)外的土體進(jìn)行加固。漿液置換結(jié)束后，將管節(jié)和工作井鋼洞門(mén)用鋼筋連成一體，澆筑混凝土環(huán)梁。

頂管施工結(jié)束后，頂管管節(jié)間的縫隙先采用水泥填充，再使用雙組分聚硫密封膏填充。嵌縫前必須將縫隙內(nèi)的雜質(zhì)、油污等清理干凈，做到平整、干凈、干燥。要求壓緊刮平，防止帶入氣泡而影響強(qiáng)度和水密性。

8 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)地鐵車站出入口過(guò)街通道下穿城市主干路、快速路、高速公路，交通疏解及管線切改困難等特點(diǎn)，過(guò)街通道可采用矩形頂管法施工，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，地表沉降、管線變形、管節(jié)防水控制良好；且施工過(guò)程中占地小、不開(kāi)挖路面、不封閉交通、不遷改管線、低噪聲、無(wú)揚(yáng)塵，可為類似工程參考與借鑒。