大斷面矩形頂管近距離上穿地鐵隧道變形控制探討

葉耀東

（上海建浩工程顧問有限公司，上海市 200030）

0 引言

頂管技術是一項用于市政施工的非開挖掘進式施工方法，具有不影響地面交通、不用搬遷市政管線、不破壞地面道路結構、施工場地小、噪音小等優點，矩形頂管與圓形頂管斷面相比，能節約35%以上的地下空間，同時可以減小隧道埋深，提高地下空間的利用率，多用于人行地道、地下管線共同溝、電力管道、引水和排水管道等工程，目前我國大多數地區已廣泛采用。根據地質條件的不同，可以采取泥水平衡式頂管機、土壓平衡式頂管機、氣壓平衡式頂管機等[1-2]。

1 工程概況

某過街通道頂管長度46.8 m，外壁尺寸為6.9 m×4.2 m，其上覆土層厚度約3.5 m。管材采用混凝土強度為C55，抗滲等級為P8預制矩形鋼筋混凝土管節，管壁厚為0.45 m，單節管長1.5 m，重約33.7 t。與下臥地鐵隧道凈距僅3m；其上方約0.46 m位置處埋設有一根Φ1000雨水管。隧道兩側設置平面尺寸9 m×10 m、6 m×10 m始發井和接收井各一座，圍護采用Φ850SMW內插H700×300×13×24型鋼。根據地質資料，工作井基坑開挖面位于④1層灰色淤泥質粘土，頂管在第③層灰色淤泥質粉質粘土中頂進；下臥地鐵隧道埋藏于④1和④2-1層。頂管相對關系見圖1。

2 工程難點分析

2.1 區間隧道保護等級高

圖1 頂管與隧道及雨水管線相對關系圖（單位：mm）

頂管底部與下臥地鐵區間隧道頂部間距僅3.0 m，管節自重小于出土重量，頂進過程中土體大量卸載造成區間隧道上部荷載減少，隧道易出現隆起現象。鑒于該工程下臥地鐵盾構隧道建成時間不長，其結構變形尚未最終穩定，隧道上方荷載變化極易導致隧道接頭等薄弱部位出現漏水（泥）現象，將加劇隧道結構變形。地鐵運營主管部門方案審批時，嚴格規定了頂管施工所引起的縱向隆沉量應控制在4 mm/10 m以內，日隆起或沉降量不大于2 mm；軌道橫向傾斜始終小于1.4‰的安全范圍內；隧道累計變形量嚴格控制在5 mm內等具體變形控制指標。眾所周知。隧道結構變形具有“不可逆性”，一旦發生較大沉降，變形恢復難度極大。

2.2 頂管上方覆土較淺，地面變形控制難度較大

工程矩形頂管覆土厚度僅3.5 m，相對于同類型頂管而言，覆土厚度較淺，形成完整的減磨阻泥漿套難度大。為有效降低地表等沉降變形，只有嚴格控制頂管頂力、頂管姿態及頂進速度等施工參數，才能保證地面沉降、管線和隧道變形控制在規范規程要求內。

2.3 雨水管保護難度高

頂管上方約0.46m位置處敷設有一條Φ1000混凝土雨水管，施工過程中容易受到施工機械、施工工藝及其他相關因素的影響，當頂管軸線等出現較大偏差時，雨水管底素砼墊層等地下障礙物極有可能頂管刀盤磨損，甚至雨水管線破壞等不良后果。

3 地鐵隧道變形控制措施[3-5]

3.1 方案比選

為安全起見，工程實施前通過數值模擬方法，對MJS工法加固已建隧道、直接頂進、地面設置蓋板加堆載等三種方案進行綜合比選。

（1）MJS工法加固已建隧道

MJS工法是一種能進行水平、傾斜以及垂直方向的大深度地基改良，施工過程中對周邊的地基產生影響較小，廢棄的泥漿可以集中處理，以防止環境污染。但為確保地鐵運營安全，《上海市軌道交通安全保護區暫行管理規定》嚴格規定，未經許可地鐵工程（外邊線）兩側的鄰近3 m范圍內不能進行任何工程。雖然MJS工法對土體擾動較小，但鉆孔注漿以及漿液硬化均會對隧道周邊產生不同程度的擾動，為此，地鐵運營主管部門不建議采用對該工法加固運營地鐵隧道。

（2）直接頂進

由于頂管頂進過程中，土體的卸載量大于管片自重，為此，通過對頂進過程中土體卸載工況進行三維有限元數值模擬，計算結果表明，過街通道下部管壁隆起量約17 mm，頂管管頂隆起量約10 mm；已建隧道最大隆起變形約4.8 mm，施工稍有不慎，隧道累計變形極易超出運營地鐵隧道的保護標準要求。

（3）地面設置蓋板加堆載

為滿足運營地鐵保護標準要求，建筑物垂直荷載（包括基礎地下室）及降水、注漿等施工因素而引起的地鐵隧道外壁附加荷載不大于20 kPa。工程按蓋板加堆載總荷載為20 kPa進行三維有限元數值模擬計算，計算模型見圖2。混凝土蓋板采用上層Φ16@200，下層Φ18@200雙層雙向配筋蓋板厚300 mm，蓋板上方堆載700厚覆土。計算結果顯示，矩形頂管下方最大隆起量約10.1 mm，已建隧道最大隆起約1.9 mm；地表由于受到堆載作用，最大下沉量為5.7 mm。

圖2 蓋板加堆載模型

比較直接頂進和地面設置蓋板加堆載措施兩種數值模擬計算結果，最終選用地面設置蓋板加堆載措施，隧道上浮量由4.8 mm減小到1.9 mm，滿足地鐵結構變形的要求。

3.2 施工技術措施

（1）設備選型

經專家論證，工程采用4.2 m×6.9 m多刀盤土壓平衡式矩形頂管機，該設備不但能夠保持土壓平衡，而且頂進過程中對周圍土體擾動小，不影響原有的各類地下管線，不影響道路交通及地面的各類建筑，控制地面沉降精度較高。

（2）排摸頂進區域施工地質情況

頂管施工前，采用小螺桿對頂進軸線上方進行探孔，摸清上方具體土層情況，為制定有效的壓漿方案提供指導。頂進過程中，通過提高觸變泥漿的稠度和注漿壓力，防止地面出現冒漿等現象。

（3）控制頂進推力

工程實施階段，除設置試驗段獲取合理施工參數外，在距離地鐵保護區10 m范圍時，嚴格按照模擬段施工參數控制頂進壓力、頂進速度及日頂進距離。

（4）信息化施工

由于頂管施工穿越區覆土較淺，且處于不穩定的軟土地層，頂管穿越后擾動土層必定會使下臥隧道產生一定程度的變形。為實時監測地鐵結構的變形情況，除進行人工監測外，還在下臥隧道頂管穿越影響范圍內50 m布設電水平尺和數據自動采集系統，綜合運用自動化監測和人工監測相結合手段進行地鐵結構的沉降監測，形成可供比較的兩套地鐵線路監測數據，用于動態指導信息化施工，根據監測數據及時優化推進速度、開挖面土壓力、泥水壓力、泥漿濃度等施工參數，確保地鐵結構安全。

（5）換漿處理

為了在局部沉陷或隆起時能及時處理，混凝土蓋板施工時沿頂進軸線預留2排間距1.5 m，排距2 m跟蹤補漿、補土孔。頂進過程中加強同步注漿，盡可能將膨潤土泥漿套隨機頭向前移動，形成連續的環狀泥漿套。頂進結束后，立即用純水泥漿置換膨潤土泥漿。換漿在列車停止運營后實施并完成，嚴格控制換漿壓力，出現隧道變形速率較大時，立即停止加壓措施。

4 實施效果分析

工程采用地面設置蓋板加堆載措施后，環境監測數據顯示，頂管始發井前端地表沉降較大，最大累計值約12 cm，其余地表沉降在5cm左右。頂管上方Φ1000混凝土雨水管最大沉降約5 cm，通過CCTV檢測，雨水管未出現滲漏水等異常現象。

圖3為下臥地鐵隧道上行線自動監測數據變形曲線，可以看出，最大隆起變形位置位于頂管正下方穿越區域，變形隨著與穿越區域距離的增大不斷減小，隧道最大隆起量為3.9 mm，滿足運營地鐵保護標準的5 mm要求。

圖3 上行線自動監測變形曲線

5 結語

矩形頂管具有工藝成熟，不破壞道路結構、噪音小等特點已廣泛應用于地下通道、共同溝等地下工程中。本文以頂管近距離穿越地鐵隧道為背景，采用地面設置蓋板加堆載措施有效控制了下臥地鐵隧道及地表變形。工程體會如下：

（1）在不超出地鐵保護所要求的地面超載前提下，采取蓋板加地面堆載措施對控制地表及隧道變形效果較為明顯；

（2）采用自動化及人工監測數據相結合對于調整頂管施工參數，對于指導現場施工控制變形尤為重要。

[1]余彬泉,陳傳燦.頂管施工技術[,M].北京:人民交通出版社,1998.

[2]葉耀東,唐益群,葉為民.城區頂管施工工藝探討[J].施工技術,2002,31(1):20.

[3]顏純文.非開挖地下管線施工技術及其應用[M].北京:地震出版社,1999.

[4]齊春峰.上海青草沙嚴橋支線工程頂管施工技術[J].鐵道建筑技術,2011(1):109-112.

[5]劉國彬,王衛東.基坑工程手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,2009.