馬建慧，姚顯貴

（中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300308）

隨著軌道交通建設(shè)的發(fā)展，越來越多的城市開始將矩型頂管工法運(yùn)用于工程建設(shè)，關(guān)于矩型頂管方面的研究也隨之變多。彭立敏等[1]、馬鵬等[2]對矩型頂管通道國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析探討；徐宏等[3]、韓占波等[4]對淺覆土頂管掘進(jìn)參數(shù)控制與地面變形進(jìn)行了研究；甄亮等[5]、豆小天等[6]對頂進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的背土效應(yīng)原因進(jìn)行分析，并給出處理措施；魏綱等[7]、陳聰?shù)萚8]對頂管施工過程中部分環(huán)節(jié)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析；林越翔等[9]對管壁摩阻力理論進(jìn)行了分析探討；王樂等[10]對復(fù)雜條件下頂管注漿減阻技術(shù)進(jìn)行了研究。目前對于矩型頂管全過程設(shè)計(jì)方面的研究與總結(jié)相對較少。

1 項(xiàng)目概述

1.1 工程概況

長風(fēng)街站為太原地鐵2 號(hào)線一期第12 座車站，位于長風(fēng)街與長治路路口南側(cè)，沿長治路呈南北走向。本站地鐵過街通道下穿長風(fēng)街，連接車站站廳層北端與3 號(hào)活塞風(fēng)道，通道全長91.9 m。

長風(fēng)街站地鐵過街通道位于長風(fēng)商業(yè)中心，周邊建設(shè)環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜。橫跨通道地下管線有13 根，平行通道近距離管線3 根，其中含有多根主干管：DN800/1000 雨水管、DN1000 給水管、3 800 mm×1 400 mm 雨水箱涵和2 300mm×1 300mm 電力箱涵110 kV。過街通道下穿長風(fēng)街高架橋，正下方為與其近距離并行的長-王盾構(gòu)區(qū)間隧道，如圖1 所示。

圖1 長風(fēng)街地鐵站方案圖

1.2 水文與地質(zhì)

工程區(qū)地貌單元為太原盆地汾河沖積平原區(qū)，長風(fēng)街站位于汾河?xùn)|岸一級(jí)階地區(qū)。過街通道覆土約4.5 m，土層從上至下分別為：雜填土、素填土、粉質(zhì)黏土，洞身穿越素填土、粉質(zhì)黏土層。

工程區(qū)內(nèi)河流為黃河流域的汾河水系，場地位于汾河?xùn)|岸約1.5km 處，地下水受汾河水側(cè)向徑流補(bǔ)給影響。地下常水位埋深平均約2.5m，抗浮設(shè)計(jì)水位地面以下1m。

1.3 工法選擇

通常修建過街通道可采用的工法有：明挖法、淺埋暗挖法、頂管法。若采用明挖法，本工程管線遷改費(fèi)用高且對商業(yè)中心的交通影響持續(xù)時(shí)間長，造成的間接經(jīng)濟(jì)損失大。若采用淺埋暗挖法，雖然能夠避開交通疏解與管線遷改的問題，但在富水填土層中開挖風(fēng)險(xiǎn)極高，稍有不慎可能會(huì)引發(fā)冒頂及涌水險(xiǎn)情。尤其在城市商業(yè)中心，若發(fā)生事故造成的影響是不能承受的。

通過MIDAS GTS NX 數(shù)值模擬分析，比較淺埋暗挖法與機(jī)械頂管法施工時(shí)，土體產(chǎn)生塑性區(qū)的范圍。若出現(xiàn)塑性區(qū)標(biāo)明該點(diǎn)土體已經(jīng)達(dá)到了抗剪強(qiáng)度，結(jié)果如圖2所示。

圖2 土體塑性區(qū)范圍示意圖

通過對比頂管法施工產(chǎn)生的塑性區(qū)要少于淺埋暗挖法，因此頂管法施工更為安全。綜合比較，太原地鐵2 號(hào)線長風(fēng)街站地鐵過街通道設(shè)計(jì)采用頂管法最為合適。

2 矩型頂管通道設(shè)計(jì)

2.1 平縱方案設(shè)計(jì)

長風(fēng)街站矩型頂管過街通道下穿長風(fēng)街高架橋，與長-王盾構(gòu)區(qū)間并行，利用長風(fēng)街北側(cè)3 號(hào)風(fēng)道預(yù)留井始發(fā)，在長風(fēng)街地鐵站內(nèi)接收，全長91.9 m，采用7‰縱坡，如圖3 所示。

圖3 相對位置關(guān)系圖

2.2 工作井設(shè)計(jì)

考慮減小頂進(jìn)施工對地鐵車站主體的影響，頂管過街通道一般采用站外始發(fā)、站內(nèi)接收的方式。通常情況下，始發(fā)井內(nèi)凈空可按以下考慮。

始發(fā)井長度：頂鐵厚度+液壓缸長度+后靠背+max{頂管機(jī)長度，2.5 倍管節(jié)長度}+0.7 m。

始發(fā)井寬度：管節(jié)外邊寬+2×（0.8～1.5）m。

始發(fā)井深度：管底埋深+max{后澆環(huán)梁+預(yù)埋鋼環(huán)空間，0.5 m}。

通常情況下，接收井的最小凈長度和凈寬度應(yīng)滿足頂管機(jī)在井內(nèi)拆除和吊出的要求。

本工程頂管機(jī)采用六刀盤土壓平衡頂管機(jī)，外形尺寸為6 920 mm×4 920 mm×7 800 mm，主機(jī)分前盾、中盾、盾尾3 部分。理論上始發(fā)井尺寸12 m×9 m（長×寬），接收井尺寸6 m×9 m（長×寬）即可。

2.3 反力墻設(shè)計(jì)

頂管工程設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的一步就是頂推力的估算與反力墻后背土體極限承載力驗(yàn)算[11-12]。先通過計(jì)算估得工程中所需最大頂推力，然后驗(yàn)算在最大頂推力工況下反力墻后背土體承載力能否滿足。若不滿足應(yīng)對背后一定范圍內(nèi)的土體進(jìn)行加固預(yù)處理，否則會(huì)導(dǎo)致反力墻體開裂、后背土體剪切破壞。

2.3.1 頂推力估算

根據(jù)頂管施工原理，理論上矩形頂管總頂力不應(yīng)小于頂管機(jī)迎面阻力與管節(jié)周圍土體摩阻力之和。

規(guī)程上給出矩型土壓平衡、泥水平衡式頂管機(jī)的迎面阻力計(jì)算公式如下

式中：γ 為土的重度；H0為管頂至原狀土地面覆土層厚度；Ka為主動(dòng)土壓力系數(shù)；S為管節(jié)外輪廓似矩型面積。

從實(shí)際工程考慮該公式偏冒進(jìn)，頂管頂進(jìn)時(shí)主要依靠刀盤對土體的切削釋放土體應(yīng)力。理想狀態(tài)頂力恰好與土體應(yīng)力平衡，土壓力為主動(dòng)土壓。施工過程中千斤頂推動(dòng)管節(jié)前行，難免有時(shí)頂力偏大，此時(shí)機(jī)頭擠壓土體產(chǎn)生被動(dòng)土壓。綜合考慮，采用靜止土壓力系數(shù)計(jì)算頂管機(jī)迎面阻力較為合適。

頂管頂進(jìn)最大摩阻力計(jì)算公式如下

式中：B為管節(jié)外邊長度；H為管節(jié)外邊高度；L為頂管頂進(jìn)長度；f為管節(jié)與土體的摩阻力。

管節(jié)在土體中頂進(jìn)，在周圍土體壓力作用下，會(huì)對管節(jié)產(chǎn)生較大的摩擦阻力。施工過程中為降低摩阻力，通過在管節(jié)內(nèi)部預(yù)留的注漿孔注入觸變泥漿（主要起潤滑作用），來降低摩擦系數(shù)。采用觸變泥漿減阻后的摩阻力可見表1。

如遇突發(fā)情況，長時(shí)間停止頂進(jìn)時(shí)，摩阻力可按表1中取值放大1.5～3 倍。

2.3.2 反力墻背后土體驗(yàn)算

反力墻設(shè)計(jì)是頂管工程設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主頂油缸將頂推力通過反力墻傳遞至背后土體。反力墻一般分為整體式和裝配式2 類，在地鐵工程中，通常利用其附屬結(jié)構(gòu)作為始發(fā)井，這種屬于整體式反力墻。

整體式反力墻在頂推反力、后背土體抗力、井壁摩阻力共同作用下，維持受力平衡狀態(tài)。初始頂推力較小，頂推反力與背后土體靜止土壓力平衡。隨著頂推力增加，頂推反力與背后土壓、井壁摩阻力平衡。當(dāng)頂推力很大時(shí)，井體開始變形，產(chǎn)生與頂進(jìn)反向的位移趨勢，僅需微小位移就可使始發(fā)井前壁土體達(dá)到主動(dòng)土壓力。當(dāng)位移足夠大時(shí)，后背土體達(dá)到被動(dòng)土壓力，此時(shí)為受力臨界狀態(tài)，若頂推力繼續(xù)增加，后背土體將發(fā)生破壞，進(jìn)而墻體開裂。始發(fā)井臨界狀態(tài)受力示意圖如圖4 所示。

圖4 始發(fā)井臨界狀態(tài)受力示意圖

臨界時(shí)刻，反力墻最大允許頂力計(jì)算公式如下

式中：Epk為反力墻后背被動(dòng)土壓力合力標(biāo)準(zhǔn)值；Eak為始發(fā)井前壁主動(dòng)土壓力合力標(biāo)準(zhǔn)值；ξ 為合力作用點(diǎn)不一致折減系數(shù)；h為總頂力合力點(diǎn)距工作井底板距離；hp為被動(dòng)土壓力合力至工作井底板距離。

太原地鐵2 號(hào)線長風(fēng)街站矩型頂管過街通道頂進(jìn)長度91.9 m，穿越第四系全新統(tǒng)，土層主要為素填土、黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土。最大頂力估算為13 700 kN，反力墻最大允許頂推反力估算為21 100 kN，反力墻背后土體無須加固。

2.4 管節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本工程頂管管節(jié)外輪廓6.9 m×4.9 m，壁厚0.45 m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)長1.5 m，混凝土采用C50，抗?jié)B等級(jí)P10。

預(yù)制管節(jié)環(huán)向設(shè)置了3 排注漿孔，分別為DN50壓漿孔（用于頂進(jìn)完成置換注漿），DN25 壓漿孔（用于頂進(jìn)時(shí)減阻注漿）和DN12.7 壓漿孔（用于頂進(jìn)完接縫止水壓漿）。混凝土管節(jié)設(shè)計(jì)圖如圖5 所示。

圖5 混凝土管節(jié)設(shè)計(jì)圖

2.5 通道防水設(shè)計(jì)

本工程結(jié)構(gòu)防水等級(jí)為一級(jí)。由于管節(jié)采用的混凝土抗?jié)B等級(jí)較高，且采用工廠預(yù)制，管節(jié)自身的質(zhì)量容易得到保證，管節(jié)自身的防水通常不會(huì)出現(xiàn)問題。因此防水設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是保證管節(jié)與管節(jié)接縫處、首尾環(huán)管節(jié)與工作井接縫處不漏水。

2.5.1 管節(jié)接縫防水

目前頂管隧道管節(jié)接縫形式主要有承插式、企口式、平口連接[13]。綜合考慮接頭強(qiáng)度、密封性、耐久性和施工便捷等因素，本工程設(shè)計(jì)采用了F 型承插式接縫，如圖6 所示。

圖6 管節(jié)接縫防水設(shè)計(jì)圖

該接縫處防水采用了3 道防水體系，第一道防水為管節(jié)外側(cè)的承口鋼套環(huán)+彈性密封止水圈；第二道防水為接縫中部的橡膠密封墊；第三道防水為預(yù)留防水體系，采用聚硫密封膠嵌縫+接水盒。

2.5.2 工作井接口防水

管節(jié)與工作井接口處的防水設(shè)計(jì)需要結(jié)合首尾管節(jié)的設(shè)置方式（最后一環(huán)管節(jié)切割、預(yù)留鋼筋接駁器或預(yù)埋鋼板）。綜合考慮施工風(fēng)險(xiǎn)及防水效果，本工程設(shè)計(jì)采用預(yù)制特殊管節(jié)（預(yù)埋鋼板）的方式，如圖7 所示。

圖7 工作井接口防水設(shè)計(jì)圖

該接口處采用了2 道防水體系，第一道防水為后澆環(huán)梁與管節(jié)、工作井結(jié)合處分別設(shè)置2 道遇水膨脹止水條；第二道防水為后澆環(huán)梁內(nèi)預(yù)埋注漿管注漿+C35 細(xì)石混凝土填充。

2.5.3 始發(fā)與接收洞門防水

在施工過程中，始發(fā)與接收時(shí)洞門防水效果好壞直接關(guān)系到現(xiàn)場施工安全。實(shí)質(zhì)上洞門的防水主要依靠對端頭土體加固，降低土的滲透系數(shù)來隔斷地下水滲流。其次在工作井內(nèi)部洞門預(yù)埋鋼環(huán)上設(shè)置簾布橡膠板來進(jìn)一步阻隔頂進(jìn)過程中的泥水。當(dāng)覆土超過10 m 應(yīng)采用雙層簾布止水橡膠板，覆土超過15 m 還應(yīng)增加鋼絲刷止水裝置[14]。本工程由于埋深較淺，水壓不大，在洞門處設(shè)置了一圈簾布橡膠板。

2.6 監(jiān)控量測設(shè)計(jì)

頂管始發(fā)前，對長風(fēng)街站的周邊情況進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查，并按照設(shè)計(jì)和規(guī)范要求[15]進(jìn)行地表、管線、建構(gòu)筑物進(jìn)行監(jiān)測點(diǎn)布置。本工程監(jiān)測等級(jí)為一級(jí)，測點(diǎn)布置如圖8所示，主要監(jiān)測內(nèi)容見表2。

表2 施工監(jiān)測內(nèi)容

圖8 施工測點(diǎn)橫斷面圖

在頂進(jìn)過程中，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整頂進(jìn)參數(shù)、出土量、注漿壓力，確保地表沉降控制在設(shè)計(jì)和規(guī)范的要求范圍內(nèi)。

3 重要技術(shù)措施

3.1 沉降控制措施

3.1.1 渣土改良與出土

優(yōu)良的渣土改良效果有利于出渣量的精確控制，保持土艙壓力的穩(wěn)定、連續(xù)，掌子面的穩(wěn)定[16]。渣土改良一般通過將改良劑（水、泡沫劑、膨潤土）加注到刀盤前方，來降低土的內(nèi)摩擦角，增加土體的流動(dòng)性和塑性，使出土更容易，更均勻，一定程度上減少沉降。頂進(jìn)時(shí)應(yīng)控制實(shí)際出土量與理論出土量偏差不大于2%。

3.1.2 頂進(jìn)姿態(tài)與速率

頂管掘進(jìn)過程中，遵循“勤測量、勤糾偏、微糾偏”的原則，控制矩形頂管機(jī)前進(jìn)方向和姿態(tài)。掘進(jìn)施工過程中應(yīng)對頂管水平軸線、高程、偏轉(zhuǎn)和機(jī)姿態(tài)等進(jìn)行測量，并對測量控制基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核，發(fā)生偏差時(shí)及時(shí)通過糾偏油缸糾正。此外進(jìn)入接收井前應(yīng)提前再次進(jìn)行矩形頂管機(jī)位置和姿態(tài)測量，并根據(jù)進(jìn)口位置提前進(jìn)行調(diào)整。

始發(fā)和接收時(shí)，頂進(jìn)速度應(yīng)稍放緩，控制在5～10mm/min 為宜。正常頂進(jìn)階段，速度宜為10～20 mm/min；頂進(jìn)時(shí)應(yīng)不斷調(diào)整掘進(jìn)速度，優(yōu)化頂進(jìn)速度、土倉壓力與出土量的最佳值。

3.1.3 同步注漿與二次注漿

同步注漿即在頂管頂進(jìn)施工的同時(shí)持續(xù)注入觸變泥漿，使管節(jié)與周圍土體之間形成一層約2 cm 厚的泥漿套。泥漿套一方面起到潤滑減阻的作用，使得管節(jié)頂進(jìn)更順暢；另一方面，完整的泥漿套可以有效減弱頂管頂部的背土效應(yīng)[9]，降低對土層擾動(dòng)，減少頂進(jìn)過程中的地面沉降。

二次注漿即在頂進(jìn)完成后，通過管節(jié)預(yù)留注漿孔，注入水泥砂漿來置換觸變泥漿，同時(shí)永久填充管節(jié)與土體之間的縫隙，降低工后地面沉降。

3.2 管節(jié)止退措施

頂進(jìn)初期，管節(jié)進(jìn)入土體的長度較短，摩阻力較小。通常在添加管節(jié)主頂油缸回縮時(shí)，由于摩阻力不足以抵消掌子面被動(dòng)土壓力，管節(jié)會(huì)出現(xiàn)輕微的回退。這會(huì)導(dǎo)致管節(jié)接縫不嚴(yán)密，進(jìn)而增加后期滲漏水風(fēng)險(xiǎn)。工程中采用止退支架（與平臺(tái)固定），在主頂油缸消力回縮前，將止退銷插入管節(jié)側(cè)面的手孔內(nèi)，來達(dá)到管節(jié)止退的目的。止退支架圖如圖9 所示。

圖9 止退支架圖

3.3 端頭加固措施

矩型頂管通道穿越地質(zhì)主要為填土和粉質(zhì)黏土，土層可塑較軟，地下水位高，始發(fā)與接收涌水、土體塌方的風(fēng)險(xiǎn)較大。此種情況下對端頭土體進(jìn)行加固處理，可降低土的滲透系數(shù)并且提高其抗壓強(qiáng)度，可以有效降低始發(fā)和接收時(shí)的工程風(fēng)險(xiǎn)。由于場地范圍內(nèi)地下管線多且復(fù)雜，地面加固條件不理想，本工程采用洞內(nèi)深孔注漿加固，加固范圍長度方向6 m，環(huán)向3 m。同時(shí)在加固范圍內(nèi)，頂管通道兩側(cè)打設(shè)了2 口應(yīng)急降水井，確保在如此復(fù)雜的環(huán)境中施工，安全順利。

4 工程影響分析

4.1 社會(huì)環(huán)境影響

本工程位于太原市商業(yè)中心長風(fēng)商務(wù)區(qū)，長風(fēng)街為市內(nèi)主干路，交通流量巨大。過街通道采用非敞開式施工，最大限度保留了商業(yè)中心主干路的原狀交通、對正常出行效率幾乎沒有造成任何影響。由于采用了頂管機(jī)機(jī)械施工，該過街通道洞通僅用了1.5 個(gè)月，做到了持續(xù)時(shí)間最短，對社會(huì)影響最低。

4.2 工程安全性

本工程場地地下水位高，洞身穿越素填土、粉質(zhì)黏土層，地層敏感易擾動(dòng)變形。選取通道正上方距離始發(fā)井5 m、40 m處測點(diǎn)，地表沉降與頂進(jìn)距離關(guān)系曲線如圖10 所示。

圖10 地表累計(jì)沉降與頂進(jìn)距離關(guān)系圖

頂進(jìn)過程中測點(diǎn)1（加固區(qū)）與測點(diǎn)2（非加固區(qū)）的地表沉降趨勢是相似的：頂管機(jī)剛經(jīng)過時(shí)，地表開始出現(xiàn)隆起變形，大致通過時(shí)隆起變形最大，這是由于頂進(jìn)過程中彌補(bǔ)頂管機(jī)殼引起的地層損失，保持一個(gè)稍大的土倉壓力來控制地面沉降，從而導(dǎo)致地表隆起趨勢；隨頂進(jìn)距離增加機(jī)頭后方土體逐漸出現(xiàn)沉降趨勢，這是由于管節(jié)與土體間隙中填充觸變泥漿，觸變泥漿失水及管節(jié)頂板背土效應(yīng)引起地表沉降。由于始發(fā)接收端頭土體進(jìn)行了加固，使得該處土層黏聚力與內(nèi)摩擦角增大，有效降低了土層沉降變形。

作為太原地區(qū)首個(gè)矩型斷面頂管過街通道工程，施工中實(shí)時(shí)監(jiān)測、動(dòng)態(tài)調(diào)整頂進(jìn)參數(shù)，通過一系列信息化施工使得地面沉降保持在安全范圍。

4.3 經(jīng)濟(jì)效益

本工程采用頂管法并成功實(shí)施，給社會(huì)帶來了很大的經(jīng)濟(jì)效益。其一，工期較短且非敞開式施工，對周邊商業(yè)幾乎沒有造成影響。其二，采用頂管施工避免了通道上方DN800/1000 雨水管、DN1000 給水管、3800 mm×1 400 mm 雨水箱涵、2 300 mm×1 300 mm 電力箱涵110 kV 等管線的遷改，較傳統(tǒng)明挖法施工節(jié)省管線遷改費(fèi)用近2 500 萬元。其三，地鐵車站通過本過街通道與2 個(gè)大型商業(yè)綜合體結(jié)建，給其商業(yè)帶來了極大的流量。

5 結(jié)論與建議

1）隨著城市建設(shè)的發(fā)展，軌道交通周邊建設(shè)環(huán)境也愈加復(fù)雜。越來越多的工程需要面對難以進(jìn)行交通疏解與管線遷改的巨大壓力。在這種環(huán)境下，非敞開式的機(jī)械施工方法成為一種必要選擇。如何從設(shè)計(jì)與施工的各個(gè)環(huán)節(jié)把控好工程質(zhì)量安全與進(jìn)度，成為工程設(shè)計(jì)重點(diǎn)思考的內(nèi)容。

2）在矩型頂管工程設(shè)計(jì)時(shí)，總頂力估算和反力墻驗(yàn)算是理論計(jì)算的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于總頂力估算中摩阻力系數(shù)取值有一定的經(jīng)驗(yàn)性，且結(jié)合現(xiàn)場施工存在加大頂力的操作及考慮中途停機(jī)等突發(fā)狀況，摩阻力計(jì)算應(yīng)保守考慮，同時(shí)端面土壓力宜按靜止土壓力計(jì)算。反力墻背后土體驗(yàn)算建議按整體式反力墻考慮。

3）在矩型頂管現(xiàn)場施工過程中，管節(jié)減阻注漿和適時(shí)調(diào)整頂進(jìn)參數(shù)是關(guān)鍵措施。完整的觸變泥漿套，可以有效降低頂進(jìn)阻力，減少背土效應(yīng)，降低地面沉降。做好渣土改良的同時(shí)，通過適時(shí)調(diào)整頂進(jìn)參數(shù)，控制出土量，實(shí)時(shí)糾偏來保證頂進(jìn)施工質(zhì)量。

4）太原地鐵2 號(hào)線長風(fēng)街站地鐵過街通道工程是太原地區(qū)大斷面矩型頂管工法的首次應(yīng)用。在非常復(fù)雜的環(huán)境下，成功將地表沉降控制在規(guī)范和設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)，同時(shí)帶來很大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。這在本地區(qū)對矩型頂管工法具有極大的推廣意義，也為后續(xù)頂管工程提供經(jīng)驗(yàn)和參考。