施文捷

（上海申通地鐵集團有限公司，上海200031）

1 工程概況

軌道交通2號線東延伸段張江高科站位于浦東新區(qū)科苑路、松濤路之間，車站主體位于祖沖之路下，為地下二層島式站臺車站，車站共設有5個出入口。其中1號出入口為矩形頂管出入口，位于車站主體北側(cè)，與祖沖之路“十”字相交，采用“地下暗埋箱涵拉頂結(jié)合技術”施工，矩形通道總長23.0 m，矩形管節(jié)外包尺寸為4 000 mm×6 000 mm，通道結(jié)構采用預制鋼筋混凝土管節(jié)，管節(jié)凈空為3 000 mm×5 000 mm，壁厚500 mm，管節(jié)長度為1.50 m，管節(jié)之間采用“F”型承插式接口，管節(jié)混凝土標號C50，抗?jié)B等級P8，管節(jié)內(nèi)預先放置預埋件，以將管節(jié)通過鋼拉索相連。管節(jié)頂部覆土約7.20 m。

矩形頂管穿越的祖沖之路下有很多市政管線，由北向南沿祖沖之路走向的有22萬V電力排管、18孔電信排管、φ500上水管、φ300煤氣管、φ2400雨水管等。其中22萬V電力排管、φ2400雨水管為重大市政管線，且分別處于矩形頂管出洞口及進洞口區(qū)域，22萬V電力排管邊緣距離南側(cè)始發(fā)井出洞口SMW工法圍護樁僅1.0 m，φ2400雨水管距離接收井圍護灌注樁僅0.70 m，且基座距離矩形頂管通道頂部距離僅95 cm。始發(fā)井北側(cè)有中科院上海藥物研究所的危險品倉庫，距離始發(fā)井基坑圍護樁最近處僅2.0 m。

工程位置、周圍環(huán)境及管線分布見圖1所示。

2 工程地質(zhì)條件

該工程施工場地平坦，屬濱海平原地貌類型，場地地面標高3.74 m～4.03 m，矩形頂管通道頂標高-3.315 m，底標高-7.315 m。各土層主要物理力學指標見表1所列。

從地質(zhì)資料來看，矩形頂管主要穿越第③淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層、第④淤泥質(zhì)粘土層。該兩層土具流變觸變性，擾動后強度迅速降低，矩形頂管施工時，軟粘性土易粘著機頭，造成堵塞；同時，矩形頂管上方存在著③T灰色粘質(zhì)粉土，該層土極易產(chǎn)生坍塌、流砂、涌水等不良現(xiàn)象，對于矩形頂管進出洞過程中管線保護極其不利。

3 始發(fā)井、接收井進出洞土體加固及管線風險分析

3.1 始發(fā)井、接收井進出洞土體加固

一般來說，始發(fā)井出洞口土體加固至少為6排三軸攪拌樁，但該工程中出洞口上方存在著22萬V電力排管，距離始發(fā)井南側(cè)圍護樁距離極近，而電力部門規(guī)定僅能在電力排管1.0 m外施工。因此，受電力排管位置所限，僅能利用出洞口1排內(nèi)插700×300的SMW工法圍護樁與后面一排三軸攪拌樁做出洞加固。

受φ2400雨水管及接收井圍護灌注樁的位置的限制，接收井進洞口土體加固僅能采用一排三軸攪拌樁。

3.2 管線風險分析

頂管出洞時，由于正面土壓力還處于摸索階段，因此，很難保證正面土壓力能夠達到實際狀態(tài)時的數(shù)值，出洞口上方土體不可避免地出現(xiàn)過度隆起或地面沉陷，而22萬V電力管廊正好處于頂管出洞區(qū)，極易產(chǎn)生過大沉降而斷裂。

在正常頂進過程中，頂管分別穿越φ500上水、φ300煤氣，該兩條管線一旦沉降過大出現(xiàn)事故，造成的后果極其嚴重，社會影響較大。

頂管機頭進洞區(qū)域，φ2400雨水管底部墊層距離頂管頂部約95 cm，接收井圍護形式為鉆孔灌注樁，機頭進洞前需人工破除機頭范圍內(nèi)的鉆孔灌注樁，且進洞加固僅有一排三軸攪拌樁，頂管上方約2.0 m處為③T層粘質(zhì)粉土，極易產(chǎn)生流砂，從而造成頂管通道上方水土流失，輕者導致雨水管斷裂滲水、漏水，重者導致整個車站區(qū)間被水淹沒。

表1 地層特性表

4 矩形頂管頂進施工管線保護措施

4.1 地下暗埋箱涵拉頂結(jié)合施工技術

由于矩形頂管施工過程中機頭不可避免地會產(chǎn)生偏差，因此，一般是通過在機頭中間設置糾偏油缸糾偏，但在糾偏過程中機頭正面土體不可避免地要被擾動，從而造成地面沉降加大，頂管上覆土體及管線沉降變形難以控制。

地下暗埋箱涵拉頂結(jié)合施工技術的施工過程基本等同于頂管施工技術，但是與頂管施工采用糾偏油缸糾偏不同，是采用導向拉索控制機頭偏斜，通過頂力與拉力的共同作用使管節(jié)前進。在施工過程中通過導向拉索的導向作用，控制機頭沿著預定的方向前進，保證機頭不偏斜，過程中不糾偏，施工對地面沉降影響較小。

4.2 掘進機頭（見表2）

為有效地減小前段殼體的長度，控制掘進機頭掘進過程中的翻轉(zhuǎn)，根據(jù)矩形頂管通道所穿越的地層地質(zhì)情況，將掘進機頭刀盤系統(tǒng)采用6個刀盤布置在同一平面上。刀盤組合進行正反轉(zhuǎn)，可有效地控制掘進機頭的側(cè)轉(zhuǎn)，保證頂拉進姿態(tài)。為進洞時保證φ2400雨水管的安全，減小刀盤切削時對土體的擾動和保證迎土面土體穩(wěn)定，在掘進機前端設置長度500 mm的帽檐。

表2 JS4060矩形頂拉掘進機主要技術參數(shù)表

4.3 管線保護措施

根據(jù)地下管線資料，自始發(fā)井至接收井沿頂管通道軸線方向主要有22萬V電力管廊、18孔電信管線、φ500上水、φ300煤氣，φ2400雨水管等管線。其中22萬V電力電纜處在出洞加固影響范圍，易受到出洞階段頂進不均勻帶來的影響；接收井北側(cè)的φ2 400雨水管底部埋深達到約6.5 m，與頂管凈距僅為95 cm，在頂進過程中同樣易受到土體擾動的影響，管線隆沉控制難度大。對于該工程來講，位于始發(fā)井外的21孔電力電纜及接收井外的φ2400雨水管是該工程的重點保護管線。

頂進前管線主要保護措施：

（1）對21孔電力電纜采取懸吊保護。管線懸吊應結(jié)合現(xiàn)場場地要求設置，考慮如下方案：在頂管中心線處電力埋管上方，設置雙層700×300型鋼疊合吊梁對電力埋管進行吊管，然后通過d24鋼絲繩抱箍（鋼絲繩最小破斷拉力281 kN）將電纜箱涵進行懸吊。懸吊前電纜箱涵的基礎四角設∠140×140×12保護角鋼；型鋼疊合梁吊梁搭設在兩側(cè)的型鋼外伸梁上，兩者通過焊接連接；在暴露的管線上設置直接監(jiān)測點，頂管頂進過程中進行時時監(jiān)測，如果管線發(fā)生沉降可通過調(diào)節(jié)花籃螺絲的松緊來使管線不隨地層沉降產(chǎn)生更大變形，從而有效地控制管線沉降。

（2）對φ2 400雨水管進行內(nèi)部鋼套環(huán)加固。單根鋼環(huán)由三節(jié)構成，節(jié)與節(jié)連接采用螺紋連接，鋼環(huán)采用10 mm鋼板制成，每節(jié)鋼環(huán)寬度為600 mm。保護范圍是人行通道的正上方的雨水管道部分，約10 m寬，共需5套鋼內(nèi)套環(huán)。φ2 400雨水管保護措施見圖1所示。

圖1 φ2400雨水管內(nèi)部接頭加固圖

（3）挖除φ500上水、φ300煤氣管上部土體，在其上部架設φ300鋼管，將φ12鋼筋從φ500上水、φ300煤氣管下部穿越，上部與φ300鋼管焊接，焊接固定前先利用手搖千斤頂將φ500上水、φ300煤氣管拉緊。

（4）在進洞口區(qū)域布設降水井。

為降低頂管進洞時的風險，考慮采用降水井降低其水位，控制③T層的水壓力，使之無法形成流砂，確保頂管進洞安全。

參考工程地質(zhì)手冊，計算流土的臨界水力梯度。

式中：Jcr——臨界水力梯度；

γ′——土的有效重度，kN/m3；

γw——水的重度，kN/m3。

根據(jù)勘察報告取值，計算得出臨界水力Jcr為1.86。

取計算安全系數(shù)Fs為2.0，則允許水力梯度為：J允=Jcr/Fs=0.93。

根據(jù)現(xiàn)場實測，?、跿層水位埋深為2.0 m，則其至層底間最大水頭為4.50 m。?、跿層平均厚度為2.00 m，則它的最大水力梯度J=2.25。

為了確保安全，需要降低其最大水位為：H=2.64 m。

根據(jù)以上計算，結(jié)合現(xiàn)場的條件，該項目降水擬布設4口噴射井點，2口降水管井。其中，在接收井與φ2400雨水管間布設2口噴射井點，噴射井點外側(cè)4 m位置各布設1口管井。另在φ2400北側(cè)布設2口噴射井點。降水井的深度均為12.00 m。原接收井施工期間水位觀測孔G1（深度8.00 m）可作為該工程水位觀測孔。

降水井平面見圖2所示，其結(jié)構見圖3所示。

圖2 降水井平面示意圖（單位：mm）

圖3 降水井結(jié)構示意圖

根據(jù)前期降水預測，在頂管進洞時，應提前2 d開啟噴射井點P1、P2進行降水，控制其水位降深達到2.00 m，即觀測井G1水位埋深4.00 m；然后提前1 d開啟管井Y1、Y2降水，控制其水位降深達到3.00 m，即觀測井G1水位埋深5.00 m。其降水運行工況見表3所列。

表3 降水運行工況表

在頂管進洞前，鑿除灌注樁過程中，機頭上部土體無滲水現(xiàn)象，土體自立性好，無管涌、流砂現(xiàn)象出現(xiàn)，有效地保證了頂管機頭進洞安全。

5 結(jié)語

該工程地處交通繁忙地帶，周邊環(huán)境復雜，且地下管線眾多，重要管線分別處于頂管進出洞區(qū)域，通過科學地制訂管線保護措施，精心地組織施工，全過程地信息化施工，完全可以成功實施。

在矩形頂管施工過程中，由于采用了拉頂結(jié)合施工技術，過程中不對機頭進行糾偏。因此，管線沉降均控制在5 mm以內(nèi)，完全滿足設計要求。

在地下工程施工過程中，無論環(huán)境多么復雜，只要采取的技術措施得當，控制地面及管線變形在設計要求以內(nèi)是完全可以做到的。

城市越來越擁擠，環(huán)境越來越復雜，在該工程中采取的管線保護措施，可為同行提供借鑒。

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