陳雪華

(廣州金土巖土工程技術(shù)有限公司，廣東 廣州 510070)

0 引言

20世紀(jì)末，由我國自主研發(fā)的2.5m×2.5m，3.8m×3.8m矩形頂管機(jī)在上海地鐵某出入口和過街通道建設(shè)中的成功應(yīng)用，開啟了我國矩形頂管行業(yè)發(fā)展的大門[1-2]。歷經(jīng)20多年的工程實踐后，機(jī)械法矩形頂管暗挖技術(shù)已逐漸應(yīng)用于過街通道、地鐵出入口、地下綜合管廊、車行隧道、地鐵車站、地下商業(yè)街等地下工程的建設(shè)中[3-8]。目前，該技術(shù)在我國城市淺層地下空間開發(fā)中的應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注和重視[9]。

通常，矩形頂管施工需從地面向下建設(shè)始發(fā)井，因此，已有不少針對始發(fā)井和后靠土體穩(wěn)定性的研究。黃堅生[10]對工作井的位移、應(yīng)力特征及頂推力與后靠墻變形關(guān)系進(jìn)行了數(shù)值模擬分析；王寧等[11]根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，研究了后背土體水平位移和土壓力的變化規(guī)律；黃章君等[12]分析了頂推反力荷載對墻后土體位移、應(yīng)力、孔隙水壓力的影響及有關(guān)因素對墻后土體水平位移的影響。

實際上，并非所有矩形頂管工程都具備工作井建設(shè)條件，如：繁華城區(qū)內(nèi)因建(構(gòu))筑物密集，施工場地狹小受限；穿越市政道路、高速公路、鐵路等結(jié)構(gòu)的高路堤邊坡時，矩形頂管埋深過小，后靠土體極少；既有基坑或建(構(gòu))筑物地下室始發(fā)等。因此，需摒棄原有思路，探尋新型始發(fā)后靠結(jié)構(gòu)。但當(dāng)前我國對新型后靠結(jié)構(gòu)的研究少之又少，尤其在矩形頂管穿越施工節(jié)點時，更缺乏無始發(fā)井頂進(jìn)施工的工程經(jīng)驗。因此，新型后靠結(jié)構(gòu)的研究具有重要意義。

本文依托南京靈山北路西延過土城頭路隧道工程，提出一種用于大斷面矩形頂管始發(fā)的臨時后靠結(jié)構(gòu)，闡述其結(jié)構(gòu)組成和設(shè)計要點，總結(jié)施工工藝流程和施工要點，分析頂管施工對臨時后靠結(jié)構(gòu)的影響，以期為類似工程施工提供參考。

1 工程概況

1.1 項目概況

隧道位于南京仙林新區(qū)靈山北路與土城頭路相交處(見圖1)，設(shè)計為雙向四車道+人非通道，機(jī)動車道寬3.5m，人行道和非機(jī)動車道寬均為3m，隧道覆土厚5～6.6m。土城頭路為雙向兩車道、寬約7m的瀝青路，道路兩側(cè)50m范圍內(nèi)為明代外郭城墻遺址。城墻本體橫剖面呈梯形，底部寬約19.0m，頂部寬約12.0m，殘存高度0.1～1.5m，埋深1.0～2.0m，與擬建隧道豎向凈距>1m，已納入南京市文物保護(hù)范圍。由于明城墻遺址本體對土體變形極敏感，對地面變形控制要求嚴(yán)格，因此不宜采用傳統(tǒng)明挖法或淺埋暗挖法施工，選擇綠色、安全、環(huán)保、高效的機(jī)械法矩形頂管暗挖施工，可有效控制土體變形。

圖1 頂管工程衛(wèi)星平面

1.2 地質(zhì)概況

本工程地貌類型屬低山丘陵區(qū)和山崗地區(qū)，區(qū)域內(nèi)土層分布自上而下依次為素填土、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化石英閃長斑巖，頂管工程縱斷面(北側(cè))如圖2所示，土層分布及特性如表1所示。地下水類型為淺層孔隙潛水，主要分布于素填土層中，水位埋深1.46～4.53m(受地形高差影響)，其余巖土層含水弱～微弱，基本不透水，為相對隔水層。頂管隧道穿越地層主要為粉質(zhì)黏土。

圖2 頂管工程縱斷面(北側(cè))

表1 土層分布及特性

1.3 設(shè)計概況

頂管隧道設(shè)計為4段平行頂進(jìn)，其中2段車行隧道頂管斷面尺寸為10.2m×6.6m，2段人非通道斷面尺寸為7.0m×5.0m，均采用鋼筋混凝土預(yù)制管節(jié)，長1.5m/節(jié)，分別重76.6，41.3t，混凝土強(qiáng)度等級為C50，抗?jié)B等級為P8，管節(jié)接口采用F形承插式，其他參數(shù)如表2所示。

表2 頂管施工參數(shù)

靈山北路海拔較土城頭路低9.0～11.0m，較周邊建筑群低2.0～4.0m，沿線道路施工采用放坡開挖，下穿節(jié)點處采用頂管法施工。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，放坡開挖后不具備施作工作井的條件。即使施作工作井，隧道貫通后仍需挖除工作井及后靠加固區(qū)，工程成本較高。因此，決定采用臨時后靠結(jié)構(gòu)為矩形頂管始發(fā)及正常頂進(jìn)施工提供有效反力。

1.4 設(shè)備選型

根據(jù)本工程地質(zhì)情況、覆土深度、周邊環(huán)境條件、工程特點及要求等，采用多刀盤組合式土壓平衡矩形頂管機(jī)掘進(jìn)施工。車行通道采用10.2m×6.6m頂管機(jī)掘進(jìn)施工，該頂管機(jī)設(shè)計為3個前置φ4 020刀盤+3個后置φ3 500刀盤組成的6個多刀盤結(jié)構(gòu)形式(見圖3a)，整個刀盤切削率為90%。人非通道采用7.0m×5.0m頂管機(jī)掘進(jìn)施工，該頂管機(jī)設(shè)計為1個后置φ2 980刀盤+2個后置φ2 800刀盤+3個前置φ2 400刀盤組成的6個多刀盤結(jié)構(gòu)形式(見圖3b)，整個刀盤切削率為91.5%。

圖3 矩形頂管機(jī)刀盤布置

2 結(jié)構(gòu)組成與設(shè)計要點

臨時后靠結(jié)構(gòu)即指在矩形頂管穿越施工節(jié)點時，遇到施工場地受限不具備施作頂管始發(fā)井的條件或頂進(jìn)完成后需挖除始發(fā)井結(jié)構(gòu)而造成大量成本浪費等情況，為滿足頂管施工工藝要求并為頂管機(jī)和管節(jié)的順利頂進(jìn)提供有效頂推反力而施作的一種結(jié)構(gòu)。即在頂管始發(fā)平臺后方施作的一種嵌固于地層或既有結(jié)構(gòu)中，頂進(jìn)完成后再拆除的新型后靠結(jié)構(gòu)，優(yōu)先采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

2.1 結(jié)構(gòu)組成

臨時后靠結(jié)構(gòu)主要由樁基礎(chǔ)、底板、后靠墻和肋墻等組成，如圖4所示。后靠墻垂直于頂管頂進(jìn)軸線，且與底板垂直，直接承受來自千斤頂?shù)捻斖品戳Γ坏装鍖㈨斖品戳鶆騻鬟f至樁基礎(chǔ)；肋墻連接后靠墻和底板，作為重要的支撐和傳力結(jié)構(gòu)；樁基礎(chǔ)包含冠梁和工程樁，為最主要的傳力結(jié)構(gòu)，冠梁設(shè)于底板內(nèi)，可保證工程樁的整體受力，工程樁嵌入土層一定深度，將頂推反力傳遞至地基土體。

圖4 臨時后靠結(jié)構(gòu)

采用頂管工藝始發(fā)和頂進(jìn)時臨時后靠結(jié)構(gòu)底部受力較大，為避免后靠墻底部與底板連接處發(fā)生剪切破壞，可將底板和冠梁厚度適當(dāng)加厚，使底部千斤頂所提供的頂推反力傳遞至底板上。同時，為保證承載力和穩(wěn)定性，控制差異變形，為頂管始發(fā)及頂進(jìn)施工提供有效的頂推反力，組成臨時后靠結(jié)構(gòu)的各構(gòu)件間應(yīng)采用剛性連接形式。

2.2 設(shè)計要點

臨時后靠結(jié)構(gòu)設(shè)計需考慮的主要因素為千斤頂通過后靠鋼結(jié)構(gòu)裝置施加的頂推反力及結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)所處地基土體的特性。設(shè)計時，臨時后靠結(jié)構(gòu)的容許承載力不應(yīng)小于千斤頂所能提供的最大頂力，千斤頂總頂力不小于頂管頂推力的1.5倍[13]。

地基土體對臨時后靠結(jié)構(gòu)的影響主要體現(xiàn)在底板與地基土體的摩擦力、地基土體對工程樁的側(cè)向壓力和摩擦作用。工程樁是最終的傳力構(gòu)件，也是隱蔽工程，確保工程樁的承載能力和穩(wěn)定性是設(shè)計的關(guān)鍵；影響工程樁的最重要因素之一是土體特性。因此，設(shè)計前應(yīng)確定臨時后靠結(jié)構(gòu)的布設(shè)位置，查明區(qū)域范圍內(nèi)地質(zhì)情況和土層分布，分析土體物理力學(xué)特性，選擇合適的樁型和施工工藝。

矩形頂管在始發(fā)與正常頂進(jìn)過程中，臨時后靠結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)在不斷變化，可能存在2種受力狀態(tài)，如圖5所示(q0為頂推反力；q1為地基土體對前排工程樁的側(cè)向壓力；q2為地基土體對后排工程樁的側(cè)向壓力；q3為地基土體對底板的豎向支反力；f1為地基土體對前排工程樁的摩擦力，方向可能向上也可能向下；f2為地基土體對后排工程樁的摩擦力；f3為地基土體對底板的摩擦力；W為上部結(jié)構(gòu)自重)。

圖5 結(jié)構(gòu)受力分析

根據(jù)受力分析結(jié)果，認(rèn)為臨時后靠結(jié)構(gòu)設(shè)計與驗算需包括：單樁水平承載力、抗彎承載力和抗拔承載力驗算，底板抗彎承載力驗算，后靠墻抗彎、抗剪承載力驗算，肋墻抗剪承載力驗算，冠梁與工程樁連接處混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性驗算，地基土體承載力與穩(wěn)定性驗算。具體設(shè)計與驗算參照J(rèn)GJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[14]，GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(2015年版)[15]。其中，底板抗彎承載力驗算時，若始發(fā)平臺與底板設(shè)計為整體，可將二者作為整體一起驗算，并考慮頂管后配套設(shè)施的影響。

臨時后靠結(jié)構(gòu)設(shè)計要點如下。

1)樁基礎(chǔ) 根據(jù)頂推反力、場地條件和地質(zhì)條件確定樁型、樁徑、樁長、樁距和樁數(shù)，優(yōu)選摩擦樁和剛度較大的樁型；設(shè)計多排樁，每排樁中心點連線相互平行，且與頂管頂進(jìn)方向垂直；同一排樁按等間距布置，不同排樁按跳樁布置，平面上呈等腰三角形；每排樁頂部設(shè)冠梁使其連接成整體。

2)底板 根據(jù)現(xiàn)場條件、頂管工藝及受力要求，確定底板設(shè)計位置及尺寸；底板下方需設(shè)置墊層；冠梁與底板連成整體共同受力。

3)后靠墻 與頂管頂進(jìn)軸線方向垂直，與底板垂直；頂部設(shè)置暗梁與肋墻頂部相連。

4)肋墻 與后靠墻和底板垂直，按等間距布設(shè)，其間距結(jié)合工程樁的樁距及受力特點進(jìn)行綜合設(shè)計；建議采用直角梯形，既能保證結(jié)構(gòu)受力合理，又節(jié)省材料。

3 工程應(yīng)用

3.1 頂管頂力計算

根據(jù)T/CECS 716—2020《矩形頂管工程技術(shù)規(guī)程》第5.7.1條及T/CMEA 14—2020《綜合管廊矩形頂管技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[16]，矩形頂管頂進(jìn)施工總頂力F由頂管機(jī)迎面阻力Py和總摩阻力Ff組成?？紤]最不利情況，提出改進(jìn)總頂力的計算公式：

F=Py+Ff

(1)

Py=(P0+Pw)B1H1

(2)

Ff=[2f0(B1+H1)+Wf]Ld

(3)

P0=γK0(H0+2H1/3)

(4)

式中：P0為掌子面土壓力(kPa)；Pw為掌子面水壓力(kPa)；B1為矩形頂管外邊寬(m)；H1為矩形頂管外邊高(m)；f0為管節(jié)與土體接觸面的綜合摩阻力(kPa)；γ為頂管機(jī)穿越范圍內(nèi)土的平均重度(kN/m3)；H0為管頂至原狀土地面覆土厚度(m)；Ld為矩形頂管頂進(jìn)長度(m)；W為管節(jié)重力(kN/m)；f為管節(jié)重力在土中的摩擦系數(shù)，取0.5。

根據(jù)上述公式計算得到，在未考慮觸變泥漿減阻的情況下，南京靈山北路頂管隧道施工總頂力計算結(jié)果如表3所示。車行隧道和人非通道頂管段的最大頂力分別為26 073.0，15 415.3kN。

表3 總頂力計算結(jié)果

3.2 臨時后靠結(jié)構(gòu)設(shè)計

臨時后靠結(jié)構(gòu)的容許承載力按下式計算：

Fj≥μF

(5)

[Fb]≥Fj

(6)

式中：Fj為主頂千斤頂油缸的總頂力(kN)；[Fb]為臨時后靠結(jié)構(gòu)的容許承載力(kN)；μ為安全系數(shù)，建議取1.5[13]。

計算得到主頂千斤頂油缸的最大總頂力不應(yīng)小于39 109.5，23 123.0kN。為便于受力計算，故臨時后靠結(jié)構(gòu)的容許承載力分別取為40 000，25 000kN。

本工程采用2臺斷面尺寸分別為10.2m×6.6m，7.0m×5.0m的土壓平衡式矩形頂管機(jī)同時施工。受場地條件限制，為減少設(shè)備轉(zhuǎn)場時間，將臨時后靠結(jié)構(gòu)分設(shè)于頂管隧道東西兩端，并將車行隧道和人非通道頂管的臨時后靠結(jié)構(gòu)設(shè)計為整體結(jié)構(gòu)共同受力，如圖6所示。

圖6 臨時后靠結(jié)構(gòu)平面布置

該臨時后靠結(jié)構(gòu)設(shè)計總寬度為19.2m，總長度為9.0m(不包含始發(fā)平臺)，后靠墻最大高度為7.6m，最小高度為5.5m，如圖7,8所示。其中，后靠墻頂部暗梁尺寸為12m×0.8m×1.0m+7.2m×0.8m×1.0m，墻身高6.6，4.5m，底板尺寸為19.2m×9.0(8.0)m×1.0m，冠梁尺寸為19.2m×1.5m×1.0m。底板下鋪設(shè)0.2m厚C15素混凝土墊層。工程樁共設(shè)2排，采用鉆孔灌注樁，前排樁樁徑為 1 200mm，樁間距1.6m，樁長13.0m；后排樁樁徑為1 200mm，樁間距3.2m，樁長10.0m，前、后2排樁的間距為7.5，6.5m，樁身混凝土強(qiáng)度等級為C30。工程樁樁身范圍內(nèi)施工地層為粉質(zhì)黏土層和強(qiáng)風(fēng)化石英閃長斑巖層，樁端持力層位于中風(fēng)化石英閃長斑巖層中。

圖7 結(jié)構(gòu)設(shè)計平面

圖8 結(jié)構(gòu)設(shè)計縱剖面

3.3 臨時后靠結(jié)構(gòu)施工

臨時后靠結(jié)構(gòu)施工流程為：工程樁→墊層→底板、冠梁→后靠墻、肋墻、暗梁。

1)工程樁施工 按設(shè)計圖紙要求，準(zhǔn)確測量放線，確定樁位，按鉆孔灌注樁施工工藝要求施工，待工程樁達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，鑿除樁頂部分施工冠梁，冠梁與工程樁頂部鋼筋進(jìn)行有效搭接，從而將工程樁連成整體。

2)底板施工 底板與工程樁樁頂冠梁同時施工；底板鋼筋綁扎與立模的同時預(yù)埋后靠墻與肋墻連接鋼筋，對連接處進(jìn)行加密配筋。

3)后靠墻施工 除在后靠墻與底板連接處進(jìn)行鋼筋加密外，還需在交角處設(shè)置附加鋼筋。

4)肋墻施工 肋墻與后靠墻的混凝土澆筑同步進(jìn)行，以減少施工縫，使樁基礎(chǔ)、底板、后靠墻和肋墻形成整體共同受力。鋼筋混凝土墻體施工完成后，在肋墻間回填黏性土進(jìn)行壓重。

5)暗梁施工 墻頂部暗梁按梁結(jié)構(gòu)設(shè)計要求綁扎鋼筋并澆筑混凝土。由于局部墻身高度變化，因此變階處暗梁施工需加密鋼筋并同步澆筑混凝土。

除上述要點外，還應(yīng)符合混凝土結(jié)構(gòu)施工相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3.4 頂管施工對臨時后靠結(jié)構(gòu)的影響

在實際頂進(jìn)施工過程中，有可能出現(xiàn)頂推反力接近甚至超過臨時后靠結(jié)構(gòu)的容許承載力而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開裂、滑移、傾斜、傾覆等變形過大或失穩(wěn)的情況，可能原因如下。

1)頂進(jìn)姿態(tài)控制與糾偏不當(dāng)，導(dǎo)致頂管機(jī)與管節(jié)同周邊土體的摩阻力突然增大。

2)因地質(zhì)或地下結(jié)構(gòu)探測不明，導(dǎo)致頂管頂進(jìn)時遭遇不良地質(zhì)情況，如卵礫石、孤石、拋填石等，或遇到地下障礙物、廢棄箱涵等結(jié)構(gòu)物，造成頂力劇增。

3)人為增大頂推力，進(jìn)行保壓出土，使實際頂力過大，增大了后靠結(jié)構(gòu)受力的負(fù)擔(dān)。

因此，頂進(jìn)施工時需實時監(jiān)測臨時后靠結(jié)構(gòu)的位移和變形，并采取相關(guān)措施來減小實際頂推力或提高臨時后靠結(jié)構(gòu)的承載力和穩(wěn)定性。建議措施如下。

1)頂進(jìn)前加強(qiáng)地質(zhì)情況和地下結(jié)構(gòu)探測，掌握頂進(jìn)范圍內(nèi)不良地質(zhì)及障礙物情況，采取預(yù)處理措施。

2)加強(qiáng)監(jiān)測，嚴(yán)格控制頂進(jìn)姿態(tài)，避免出現(xiàn)頂進(jìn)姿態(tài)與設(shè)計軸線不符、頂進(jìn)不順利而導(dǎo)致頂力突然增大的情況。

3)頂進(jìn)過程中遭遇孤石、拋填石或障礙物時，盡快采取開艙或其他措施進(jìn)行清理，避免停頂時間過長，再次開頂時頂力增大。

4)注漿潤滑減阻，向頂進(jìn)的管節(jié)外注入優(yōu)質(zhì)減阻泥漿，有效減小管節(jié)與周邊土體的摩阻力，從而減小頂推力。

5)盡量連續(xù)頂進(jìn)，減少停頓時間，防止掌子面和土艙內(nèi)土體固結(jié)而導(dǎo)致頂管機(jī)開機(jī)時頂力劇增。

6)堆載反壓，在臨時后靠結(jié)構(gòu)的肋墻間堆填土方，以提高后靠墻的抗剪和抗彎能力，增大底板與地基土體的摩阻力。

7)預(yù)先在底板下施作地錨梁，增大地基土體對底板的摩阻力。

8)將臨時后靠結(jié)構(gòu)的底板與始發(fā)平臺結(jié)構(gòu)的鋼筋進(jìn)行有效連接，并澆筑為整體，提高底板的摩擦阻力，依靠管節(jié)和后靠設(shè)施提高底板的抗傾覆能力。

9)加密工程樁，采用高壓旋噴樁或水泥土攪拌樁對底板下的地基土體進(jìn)行加固。

10)針對長距離頂管，尤其要增加墻體厚度和加強(qiáng)結(jié)構(gòu)本身的整體穩(wěn)定性。

該工程頂進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)，因保壓出土，臨時后靠結(jié)構(gòu)肋墻上出現(xiàn)微小裂縫，但通過采取減小千斤頂油缸頂力、全程注漿減阻、嚴(yán)控頂進(jìn)姿態(tài)、后靠墻肋墻間回填堆載反壓等相關(guān)措施后，裂縫并未持續(xù)發(fā)展?，F(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，頂進(jìn)全程臨時后靠結(jié)構(gòu)的最大水平位移約為8mm，小于設(shè)計允許變形值25～30mm，未出現(xiàn)變形過大或失穩(wěn)的情況。

4 結(jié)語

本文依托南京靈山北路西延過土城頭路隧道工程，提出一種大斷面矩形頂管始發(fā)用臨時后靠結(jié)構(gòu)，討論了其主要結(jié)構(gòu)組成和設(shè)計要點，總結(jié)了施工工藝流程及施工要點，分析了頂管施工對臨時后靠結(jié)構(gòu)的影響，得到以下結(jié)論。

1)因施工場地受限不具備施作始發(fā)井的條件或頂進(jìn)完成后需挖除始發(fā)井結(jié)構(gòu)造成大量成本浪費時，可優(yōu)先采用臨時后靠結(jié)構(gòu)用于頂管始發(fā)頂進(jìn)。

2)臨時后靠結(jié)構(gòu)主要包括樁基礎(chǔ)、底板、后靠墻和肋墻等，設(shè)計時應(yīng)對結(jié)構(gòu)和地基土體進(jìn)行承載力和穩(wěn)定性驗算，要求臨時后靠結(jié)構(gòu)的容許承載力不應(yīng)小于千斤頂所能提供的最大頂力。

3)臨時后靠結(jié)構(gòu)實施過程中應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計和相關(guān)規(guī)范要求施工，把控施工要點，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，頂管施工全程對后靠結(jié)構(gòu)的影響控制在設(shè)計允許范圍內(nèi)，較好地驗證了臨時后靠結(jié)構(gòu)的可靠性和應(yīng)用價值。

4)臨時后靠結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，可擴(kuò)大機(jī)械法矩形頂管技術(shù)的適用范圍，可為類似工程施工提供參考。