矩形頂管地下通道的設計

劉發前，盧永成

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 前言

隨著城市化的發展，道路快速化、施工便利性和減小施工對社會環境的影響是城市規劃中必須考慮的因素之一，因此人行過街地下通道逐漸受到城市建設者的青睞。早在上世紀90年代，上海人民大廈人行連通道就采用了矩形頂管的施工方法。近年來很多城市均出現了矩形頂管施工的人行通道，如南京水西門大街連通道、上海茅臺路人行連通道等等，烏魯木齊亦有多座矩形通道正在施工。為推廣矩形頂管施工方法在短距離地下通道的應用，本文以南京師范大學附屬中學地下人行通道工程為背景，詳細介紹該工程的設計方案與各位專家同行一起探討。本文旨在拋磚引玉，希望引起專家同行的興趣，共同推進矩形頂管法的設計發展。

1 工程概況

根據南師附中總體布局，現狀察哈爾路橫穿校區形成了南、北兩部分。南校區由行政大樓和教學樓組成，是師生工作和學習的主要場所；北校區主要是體育活動中心，是師生休閑活動的區域，南北校區的來往非常頻繁。如此，察哈爾路成了快速順利來往的主要障礙，實施南北校區的無障礙連通勢在必行。

察哈爾路是江北大橋左轉下匝道的主要路口，交通繁忙且管線密集，為了達到社會影響和經濟最優化，需在察哈爾路下新建一人行通道，采用矩形頂管作業方式。通道凈尺寸為5.5m×3.3m，結構壁厚50 cm，橫斷面如圖1所示。根據地形圖和物探資料，察哈爾路上自北向南的管線密集，詳見表1所列。其中直徑40 cm污水管距離通道結構最近，約164 cm，是受頂管施工影響最大的管線，也是該工程施工控制的關鍵。

圖1 頂進段標準橫斷面圖

表1 察哈爾路上管線統計表

2 工程地質水文條件

根據地質詳勘報告，地貌類型屬于古秦淮河漫灘地貌單元。按巖土體成因類型、時代、埋藏分布特征及物理力學性質指標的異同性，把巖土體劃分為11個工程地質層，與該工程相關的土層具體分述如下(見表2）。

表2 土層分布表

場區未見地表水，地下水類型主要為孔隙潛水和基巖裂隙水。

孔隙潛水主要賦存于表層填土和②5層以淺的各砂性土層中，主要接受大氣降水和地表水補給；勘察期間鉆孔內初見水位埋深為1.60～2.10m；穩定水位埋深為1.50～1.90 m，平均值1.68 m。水位變化受大氣降水的影響有升降變化，年變化幅度約1.50 m，年最高地下水位可按埋深0.50 m考慮。基巖裂隙水對該工程無影響。

3 詳細設計方案

人行通道始于南側籃球場，沿弧形（R=20 m）梯道下至最低點，經下穿察哈爾路到達北校區，與體育館地下一層連接，其平面總圖如圖2所示。該工程全長84.152 m，分為頂進施工段和明挖施工段兩部分。下穿察哈爾路段為頂進施工，長度約44.9 m。南校區設置始發工作井，平面投影尺寸為9.4 m×9.2 m；北側設置接收工作井，平面尺寸為5.5m×8.6m。兩側明挖段分別長為23.6m（南側）和15.652 m（北側接體育館）。工作井和明挖施工段均位于南師附中學校圍墻內，不占用察哈爾路的空間。本文僅對工作井和頂進段的主體結構和防水進行詳細介紹，明挖段與常規工程類似，在此不再贅述。

3.1 主體結構設計

整個地下通道結構縱斷面如圖3所示。

圖2 地下通道平面位置示意圖

始發工作井的平尺寸為9.2 m×9.4 m，上部開口以滿足機械吊裝、管節吊裝和出料等功能（見圖4）。圍護結構采用Ф850 mmSMW工法樁加角撐的常規型式，不影響盾構機的吊裝、拼裝。頂管機為DFY型土壓平衡矩形頂管機（見圖5），斷面尺寸為6.54 m×4.34 m，長為5.3 m，總重量達110 t。施工時分兩次吊裝，就位后進行拼裝。始發工作井既是頂進段的始發作業平臺，同時作為頂進段的后靠背，應滿足最大頂力的要求。因此，在頂管機的后部（后靠部位） 5m范圍內采用Ф850 mm三軸水泥土攪拌樁加固以提供足夠的后靠力，詳細計算如下：

最大頂進力：F0+2·a·b·L·fk+NF

對于土壓平衡頂管機，端阻力NF為：

由于頂管段上面一半位于②3粉土層，下面一半位于②4粉砂層，參照《地基基礎設計規范》（上海）[1]，采用觸變泥漿減阻措施時管壁與土的平均摩阻力，粉性土與鋼筋混凝土之間的摩阻力為5.0～8.0 kPa，粉細砂與鋼筋混凝土管的摩阻力為8～11 kPa，則：

圖3 地下通道結構縱斷面圖

圖4 南側工作井示意圖

圖5 DFY型矩形頂管機實景

參考《地下工程設計與施工手冊》[2]中鋼板樁后靠的設計方法，承壓壁后面的土壓力假定為均勻分布，而板樁兩端的土壓力為零，即整個土壓反力成梯形分布。承壓壁后的土壓力均值為：

這里假定頂鐵的尺寸即為通道結構的尺寸，所得結果偏于保守。而在頂鐵頂部的被動土壓力為：

其中c值取100 kPa，為水泥土攪拌樁加固后的等代黏聚力，取值亦比較保守；φ取②3層土的內摩擦角27.1°，可見后靠背的設計滿足最大頂力要求。

該工程下部為規劃地鐵7號線，工作井與地鐵隧洞的凈距為2.45 m。由于線位尚未確定，因此為了不給將來地鐵施工帶來影響，在工作井下部不設任何混凝土結構。為了確保結構本身在地鐵施工后的安全，在工作井下1.6 m厚度范圍進行Ф850 mm三軸水泥土攪拌樁加固，增強土體剛度，同時防止盾構推進時上部大面積坍塌。

在頂管機出洞面四周設計為梁柱連接的框架結構，出洞口處僅為素混凝土，以便于頂管機出洞時切割容易。頂管機出洞段3 m范圍內亦采用Ф850 mm三軸水泥土攪拌樁加固以確保出洞時出現滲漏和土體坍塌。頂進節段的最后一節位于工作井的梁（AL1-B）上，當頂進完成后，工作井與踏步沖突的部分墻體需鑿除并在井內設置通道踏步。為此，為使得工作井內段與頂進段不會產生差異沉降，在踏步下部分均用C20素混凝土填筑，在兩側僅采用素土填筑，一方面滿足梯道板下的剛度平衡，又使得工程最為經濟。

北側接收井位于西側文化墻和東側地下體育場之間，在圍護結構施工時體育場的圍護結構和側墻已施工完成。因此，接收井的圍護結構施工作業空間很小，東西方向寬度僅12 m左右，經多方案比較確定采用16 m長鉆孔灌注樁加高壓旋噴樁的圍護形式，高壓旋噴樁樁底進入3層不透水層。考慮到體育場基坑開挖到坑底時，此處曾出現過管涌問題，而該接收井的止水帷幕由于場地限制僅能采用高壓旋噴樁，因此采用兩排Ф800@500布置，以進一步防止工作井基坑施工過程中管涌問題的發生。

3.2 防水結構設計

由于洞圈與管節間存在著15 cm的建筑空隙，在頂管出洞及正常頂進過程中極易出現外部土體及觸變泥漿涌入始發井內的嚴重質量安全事故。為防止此類事故發生，施工前在洞圈上安裝簾布橡膠板密封洞圈，其詳細設計如圖6所示。洞口止水裝置應安裝在洞口設計預留法蘭上。由橡膠止水圈與翻板組成，需與設計管位保持同心，誤差小于2 mm。安裝前須對簾布橡膠板上所開螺孔位置、尺寸進行復核，確保其與洞圈上預留螺孔位置一致。安裝順序自上而下進行。壓板螺栓應可靠擰緊，使簾布橡膠板緊貼洞門，防止矩形頂管出洞后漿液泄漏。

圖6 出洞處止水裝置示意圖

第一節管節需進入接收井，且突出接收工作井部分需截斷以便于與接收井封閉、設置防水措施。以頂管管節側墻為例，在接收井測區內預埋錨筋和100 mm×10 mm厚鋼板，與第一節管節上預埋的100 mm×20 mm鋼板交叉（見圖7）。為防止外界地下水進入接收井，在管節與接收井外墻之間（約150 mm寬）填筑微膨脹混凝土，并在與預埋鋼板相接的位置設置遇水膨脹橡膠止水條；同時，用一200 mm×20 mm鋼板連接管節和接收井側墻上的預埋鋼板，并在外側澆注止水梁，如此多道止水措施，確保止水效果。

圖7 第一節管節與接收井外墻間防水措施示意圖

管節之間的防水詳細構造如圖8所示，兩管節之間的變形縫處填塞膠合板，在中間處布置一彈性密封墊，靠近結構內側的梯形區域內填塞聚乙烯密封膠和高模量聚氨酯密封膠。結構內、外側均焊制不同厚度的鋼板（鋼套環），在外側做成承插式的接頭、內側兩鋼板之間再用一等厚鋼板連接。結構外側做成兩層臺階式型式，第一級臺階高12mm，與下一管節的鋼套環之間布置一35 mm厚的止水圈，并用一8 mm厚的鋼板固定；第二節臺階高20mm，為鋼套環的插入空間，施工完成后在兩者空隙內注漿以密實空隙。為防止后續管節與剛套環之間滲漏水，在兩者接觸處布置一遇水膨脹橡膠條（兩端用Ф6 mm圓鋼固定）。通過重重防水措施，確保施工和運營過程中有效防水。

圖8 管節拼接防水布置詳圖

4 結語

通過南師附中地下人行通道的案例，可感受到矩形頂管法帶來的安全、便利。在該工程中，頂進過程中路面的沉降約為2～3 cm，在可接受的范圍內。由于接收井處施工區域非常狹窄，給施工帶來了較大困難，通過多方案比選，確定利用鉆孔灌注樁加雙排高壓旋轉樁的止水帷幕是非常安全的。整個工程施工速度較快，對社會影響又小，是一種值得推廣的方案，該工程的設計亦可供將來類似工程參考。

[1]DGJ08-11-2010/J11595-2010，地基基礎設計規范（上海）[S].

[2]夏明耀,曾進倫主編.地下工程設計施工手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，1997.