張仙明

（中鐵四局集團(tuán)第二工程有限公司，江蘇 蘇州 215100）

1 引言

矩形頂管作為一種非挖掘式施工工藝，目前主要被應(yīng)用于地下通道、電力管道、排水管道以及市政管網(wǎng)共同溝等市政工程項(xiàng)目。矩形頂管的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)于地面交通影響較小，不會(huì)破壞市政管網(wǎng)、道路結(jié)構(gòu)，對(duì)于周邊環(huán)境的影響較小，同時(shí)相較于圓形頂管，矩形頂管能夠充分利用地下空間。矩形頂管施工工藝目前已經(jīng)相對(duì)成熟，但是若要上穿地鐵隧道，進(jìn)行施工活動(dòng)可能會(huì)對(duì)地鐵隧道造成影響，導(dǎo)致地鐵隧道出現(xiàn)變形等問題，因此，此類項(xiàng)目的整體施工難度較高，不僅要合理設(shè)計(jì)施工方案，同時(shí)要加強(qiáng)施工風(fēng)險(xiǎn)控制。

2 項(xiàng)目概況

新豐路地下人行通道項(xiàng)目位于城市核心區(qū)域，上部為新豐路市政道路，下方為杭州地鐵9號(hào)線隧道，通道需要上穿地鐵隧道，為降低施工活動(dòng)造成的影響，決定采用矩形頂管工藝。該通道全長(zhǎng)75 m，覆土厚度為3.8 m，混凝土抗?jié)B等級(jí)要求為P8。頂管采用矩形鋼混管節(jié)，強(qiáng)度等級(jí)要求為C55，管壁厚度為0.45 m，長(zhǎng)度為1.5 m，質(zhì)量為33.5 t。通道與下方地鐵隧道的凈距約2.5 m，通道兩端分別設(shè)置1座始發(fā)井與接收井，規(guī)格分別為9 m×10 m和6 m×10 m。

3 上穿地鐵隧道的矩形頂管施工設(shè)計(jì)方案

3.1 施工方案整體設(shè)計(jì)思路

由于本項(xiàng)目中矩形頂管需要上穿地鐵隧道，施工活動(dòng)必然對(duì)地鐵隧道造成影響，具體主要涉及兩方面：（1）矩形頂管施工過程中，由于頂管機(jī)會(huì)對(duì)正面土體產(chǎn)生擠壓作用，壓力會(huì)傳遞至地鐵隧道上，可能導(dǎo)致地鐵隧道出現(xiàn)擠壓變形；（2）矩形頂管施工過程中，地鐵隧道上方土體減少，進(jìn)而導(dǎo)致土體荷載下降，可能導(dǎo)致地鐵隧道出現(xiàn)上浮變形。

基于上述兩方面的考量，本項(xiàng)目的施工方案設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下3方面：（1）在矩形頂管施工過程中注意控制頂管機(jī)的后座頂力與出土量，釋放正面土體壓力，從而避免地鐵隧道受到影響；（2）在矩形頂管施工過程中嚴(yán)格控制頂管軸線與高程，盡可能減少糾偏，甚至達(dá)到不糾偏的理想狀態(tài)，從而減少對(duì)土體的擾動(dòng)[1]；（3）在矩形頂管施工過程中，應(yīng)根據(jù)頂管的卸載情況確定具體的保護(hù)措施。

3.2 預(yù)處理措施

結(jié)合本項(xiàng)目的實(shí)際情況，同時(shí)參考類似項(xiàng)目的施工經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了3種預(yù)處理措施方案，分別是錨樁+蓋板保護(hù)、MJS加固樁以及蓋板+堆載保護(hù)。本項(xiàng)目中最先提出的方案是采用錨樁+蓋板保護(hù)的方案經(jīng)過項(xiàng)目嚴(yán)格論證與驗(yàn)算，結(jié)果顯示抗浮反力偏小，與預(yù)期的效果存在較大差距。蓋板+堆載保護(hù)的方案經(jīng)過設(shè)計(jì)驗(yàn)算，堆載超過2 t/m2以上，不符合地鐵管理單位的要求。MIS加固樁施工過程可控性強(qiáng)，對(duì)周圍土層產(chǎn)生的擾動(dòng)極小，并且具有良好的加固效果[2]。經(jīng)過綜合對(duì)比分析與論證，本項(xiàng)目最終采用了MJS加固樁的方案。

3.3 施工方案

本項(xiàng)目中，施工活動(dòng)分為3個(gè)環(huán)節(jié)，分別是矩形頂管進(jìn)洞環(huán)節(jié)、穿越地鐵隧道環(huán)節(jié)以及最終的出洞環(huán)節(jié)。

3.3.1 進(jìn)洞環(huán)節(jié)

本項(xiàng)目中，工作井和地鐵隧道的凈距僅32 m，而接收井和地鐵隧道的凈距更是僅9 m，并且在矩形頂管施工過程中需要下穿1條直徑為1 000 mm的雨水管道、1條直徑為300 mm的污水管道以及2條電力管道，同時(shí)上穿地鐵9號(hào)線隧道。因此，施工過程必須嚴(yán)格控制水土流失，防止地面沉降。

待破除連墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)后，即開始頂進(jìn)施工?？紤]到正面為全斷面的水泥土，出于保護(hù)小刀盤與大刀盤的目的，應(yīng)適當(dāng)降低頂進(jìn)速度，必要時(shí)可以通過加清水的方式潤(rùn)滑、軟化土體，同時(shí)要注意避免井壁發(fā)生移位。待水泥土完全排出后，為達(dá)到控制頂進(jìn)軸線、地面沉降以及防止頂管機(jī)發(fā)生磕頭的情況，應(yīng)適當(dāng)加快頂進(jìn)速度，同時(shí)盡可能減少對(duì)正面土體造成擾動(dòng)，防止地面沉降[3]。

需要注意的是，在矩形頂管進(jìn)洞環(huán)節(jié)，作業(yè)人員應(yīng)根據(jù)觀測(cè)到的地面沉降信息不斷對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以求快速探索出各項(xiàng)參數(shù)的最佳數(shù)值或者最佳數(shù)值區(qū)間。

3.3.2 穿越地鐵隧道環(huán)節(jié)

在矩形頂管穿越地鐵隧道環(huán)節(jié)，首先要確保頂管機(jī)保持勻速頂進(jìn)，速度不超過1.0 cm/min；同時(shí)要注意觀測(cè)地面沉降數(shù)據(jù)，以便調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)。具體而言，此環(huán)節(jié)中需要重點(diǎn)做好兩項(xiàng)工作。

1）主要參數(shù)控制。包括正面土壓力、出土量以及頂進(jìn)速度。其中，正面土壓力以朗肯土壓力理論進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過嚴(yán)格計(jì)算后對(duì)正面土壓力進(jìn)行調(diào)整。本項(xiàng)目中正面土壓力初始值設(shè)定為0.08 MPa，在頂進(jìn)過程中，通過不斷調(diào)整優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)將正面土壓力值控制在0.12 MPa效果最佳。關(guān)于出土量的控制，理論上單節(jié)頂管的出土量約44.0 m3，但在實(shí)際操作中出土量一般控制在理論值的98%左右，即43.0 m3，這樣可以使上方土體略微隆起，能夠有效控制后期土體沉降量。頂管機(jī)的頂進(jìn)速度直接關(guān)系到出土量以及切口處的土壓力，因此，在實(shí)際施工中需要不斷調(diào)整優(yōu)化，綜合正面土壓力、出土量以及頂進(jìn)速度3項(xiàng)參數(shù)考量，本項(xiàng)目中此環(huán)節(jié)頂管機(jī)的頂進(jìn)速度控制在1.0～1.2 cm/min。

2）頂進(jìn)軸線控制。由于頂管機(jī)和土體之間存在5個(gè)接觸面，因此，若頂進(jìn)偏差過大，會(huì)直接導(dǎo)致糾偏難度加大，因此，在頂進(jìn)過程中需要注意控制頂進(jìn)軸線。作業(yè)人員應(yīng)在單節(jié)頂管頂進(jìn)完成后，根據(jù)頂進(jìn)機(jī)的情況進(jìn)行糾偏。需要注意的是，單次糾偏的幅度不宜過大，避免對(duì)土體造成較大擾動(dòng)，導(dǎo)致管節(jié)之間出現(xiàn)張角的情況。

3.3.3 出洞環(huán)節(jié)

當(dāng)頂管與接收井的距離達(dá)到6.0 m時(shí)，應(yīng)停止首節(jié)管節(jié)的壓漿；同時(shí)注意向后移動(dòng)壓漿位置，以確保頂管機(jī)在進(jìn)洞前有約6.0 m的完好土塞效應(yīng)，從而防止進(jìn)洞過程中減摩泥漿流失過多，導(dǎo)致管節(jié)周圍的邊摩阻力突然增大。

當(dāng)頂管機(jī)的切口進(jìn)入接收井的洞口區(qū)域時(shí)，要控制頂進(jìn)速度，以調(diào)整此時(shí)的出土量，降低正面土壓力，避免頂管機(jī)被損壞，確保接收井洞口區(qū)域的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

當(dāng)頂管機(jī)的機(jī)頭與地連墻距離在50 cm時(shí)，暫時(shí)停止頂進(jìn)；破除連墻后，頂管機(jī)開始緩慢頂進(jìn)。此時(shí)應(yīng)注意控制主頂壓力與頂進(jìn)距離，若發(fā)現(xiàn)主頂壓力突然升高，必須馬上停止頂進(jìn)。

4 上穿地鐵隧道的矩形頂管施工安全風(fēng)險(xiǎn)控制

4.1 施工安全風(fēng)險(xiǎn)分析

本項(xiàng)目中，矩形頂管的覆土厚度僅3.8 m，同時(shí)距離下方地鐵隧道也僅有2.5 m與同類型的矩形頂管施工項(xiàng)目相比，覆土厚度更淺，若要形成完整的減摩阻泥漿套難度較大。在矩形頂管頂進(jìn)過程中，土體大量卸載會(huì)導(dǎo)致地鐵隧道上方的荷載降低，易導(dǎo)致地鐵隧道出現(xiàn)隆起的情況。而此處的地鐵隧道由于建成投入運(yùn)營(yíng)的時(shí)間較短，其自身結(jié)構(gòu)變形與沉降尚未完全穩(wěn)定，若上方土體荷載再產(chǎn)生較大變化，很容易導(dǎo)致地鐵隧道的結(jié)構(gòu)變形更為嚴(yán)重。由于地鐵隧道的結(jié)構(gòu)變形具有不可逆性的特點(diǎn)，因此，一旦出現(xiàn)較大變形，很難恢復(fù)，可能直接影響到地鐵隧道的運(yùn)營(yíng)。同時(shí)，在矩形頂管上方還存在1條雨水管道、1條污水管道以及2條電力管道，若施工不當(dāng)，還可能對(duì)這些市政設(shè)施造成不良影響。此外，在MJS加固樁施工過程中，雖然對(duì)土體產(chǎn)生的擾動(dòng)較小，但是也會(huì)對(duì)地鐵隧道產(chǎn)生一定影響，可能導(dǎo)致地鐵隧道被破壞。綜上分析，本項(xiàng)目中主要存在的風(fēng)險(xiǎn)就是地鐵隧道的變形控制、土體沉降控制以及MJS加固樁施工過程控制。

4.2 控制措施

4.2.1 選擇合適的施工設(shè)備

結(jié)合本項(xiàng)目的實(shí)際情況，經(jīng)過項(xiàng)目專家組的論證，本項(xiàng)目施工采用的是4.2 m×6.9 m的多刀盤土壓平衡式矩形頂管機(jī)。該設(shè)備的優(yōu)勢(shì)在于頂進(jìn)施工過程中能夠最大限度保持土壓平衡，對(duì)于周圍的土體產(chǎn)生的擾動(dòng)相對(duì)較小，不會(huì)影響到矩形頂管上方的市政管線，對(duì)于地面交通與建筑物也不會(huì)造成較大影響，能夠精準(zhǔn)控制地面沉降。

4.2.2 全面勘測(cè)施工區(qū)域地質(zhì)情況

在進(jìn)行頂管施工前，利用小螺桿沿著頂進(jìn)軸線探孔，全面掌握頂管上方的土體情況，為后續(xù)制訂針對(duì)性的壓漿方案提供有力依據(jù)。通過這種方式，在頂進(jìn)施工過程中可以通過改變觸變泥漿的注漿壓力與稠度等參數(shù)，避免發(fā)生冒漿的情況。

4.2.3 施工過程監(jiān)測(cè)

本項(xiàng)目施工過程中，主要監(jiān)測(cè)兩方面內(nèi)容，分別是施工現(xiàn)場(chǎng)周圍土體沉降情況以及地鐵隧道的變形情況。具體的監(jiān)測(cè)方案為：垂直位移由人工監(jiān)測(cè)；直徑收斂與水平位移采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在矩形頂管穿越地鐵隧道的50.0 m范圍內(nèi)合理布置點(diǎn)水平尺以及自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通過人工與設(shè)備監(jiān)測(cè)配合的模式對(duì)施工過程進(jìn)行全方位、全過程監(jiān)測(cè)，采集詳細(xì)的數(shù)據(jù)，以便動(dòng)態(tài)化指導(dǎo)施工活動(dòng)，使作業(yè)人員能夠及時(shí)根據(jù)反饋的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整頂進(jìn)速度、正面土壓力、泥漿濃度、注漿壓力等關(guān)鍵性施工參數(shù)。設(shè)定監(jiān)測(cè)報(bào)警值如下：（1）垂直位移超過5 mm以上，同向變化速率持續(xù)3 d超過0.5 mm/d；（2）直徑收斂超過5 mm以上，同向變化速率持續(xù)3 d超過0.5 mm/d。

4.2.4 控制好頂推力

在進(jìn)行頂進(jìn)施工前，按照實(shí)際需要設(shè)置試驗(yàn)段，獲取各項(xiàng)施工參數(shù)，為后續(xù)施工活動(dòng)提供參考。正式施工過程中，當(dāng)進(jìn)入地鐵隧道保護(hù)區(qū)域10.0 m的范圍時(shí)，要嚴(yán)格按照事先試驗(yàn)的參數(shù)精準(zhǔn)控制頂進(jìn)機(jī)速度、頂進(jìn)壓力以及實(shí)際頂進(jìn)距離。

4.2.5 換漿處理措施

考慮到矩形頂管頂進(jìn)施工過程中可能會(huì)出現(xiàn)局部隆起或者沉陷的情況，在進(jìn)行施工時(shí)選擇沿著頂進(jìn)軸線預(yù)留跟蹤補(bǔ)土孔和補(bǔ)漿孔，共預(yù)留2排，孔間距控制在1.5 m，排間距控制在2.0 m。在頂進(jìn)施工過程中，要實(shí)現(xiàn)同步注漿，將膨潤(rùn)土泥漿套隨著頂管機(jī)機(jī)頭前移，從而形成連續(xù)的環(huán)形泥漿套。待頂進(jìn)施工結(jié)束后，作業(yè)人員應(yīng)馬上采用水泥-水玻璃雙液漿置換膨潤(rùn)土泥漿。需要注意的是，換漿處理應(yīng)在地鐵隧道內(nèi)無列車運(yùn)行的情況下進(jìn)行，并且要控制好換漿壓力，換漿過程中嚴(yán)密監(jiān)測(cè)隧道結(jié)構(gòu)變形情況，若發(fā)現(xiàn)變形速率加快，則應(yīng)立即停止加壓。

4.3 控制效果分析

本項(xiàng)目施工過程中，通過環(huán)境監(jiān)測(cè)各項(xiàng)數(shù)據(jù)顯示，地表沉降最大的區(qū)域?yàn)槭及l(fā)井的前端區(qū)域，沉降累計(jì)值為12.5 cm，其他其余的沉降量均在5.0 cm以下。頂管上的雨水管道沉降量為2.0 cm，污水管道沉降量為2.2 cm，電力管道沉降量為2.2 cm；頂進(jìn)施工結(jié)束后，技術(shù)人員分別對(duì)雨水管道、污水管道以及電力管道進(jìn)行了檢測(cè)，均未發(fā)現(xiàn)滲漏水或者漏電的情況，所有市政設(shè)施均正常。項(xiàng)目中隆起變形最大的區(qū)域處于矩形頂管中間位置的正下方，隆起量最大為3.6 mm，頂管兩端區(qū)域的隆起量均在2.0 mm以下，這符合地鐵管理單位隆起量不超過5.0 mm的要求?？偟膩砜矗卷?xiàng)目的實(shí)施效果良好，基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期效果，這表明本項(xiàng)目制訂的MJS加固樁方案以及施工風(fēng)險(xiǎn)控制方案均起到了良好的效果。

5 結(jié)語

綜上所述，上穿地鐵隧道的矩形頂管施工項(xiàng)目相較于普通矩形頂管施工項(xiàng)目難度更大，需要綜合考慮多方面因素，尤其是施工活動(dòng)對(duì)地鐵隧道的影響，因此，必須設(shè)計(jì)科學(xué)合理的施工方案，盡可能控制對(duì)土體的擾動(dòng)，防止地鐵隧道發(fā)生較大的結(jié)構(gòu)變形；施工前應(yīng)制訂完善的風(fēng)險(xiǎn)控制方案，采取多種措施將風(fēng)險(xiǎn)控制在允許范圍內(nèi)。