復雜工程條件下淺埋矩形大斷面頂管關鍵技術與應用研究

金 華，馬西峰，趙立鋒，孫廣臣

(1.南京地鐵建設有限責任公司，南京 210000; 2.中南大學土木工程學院， 長沙 410075;3.中南林業科技大學土木工程與力學學院，長沙 410007)

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復雜工程條件下淺埋矩形大斷面頂管關鍵技術與應用研究

金 華1，馬西峰1，趙立鋒1，孫廣臣2，3

(1.南京地鐵建設有限責任公司，南京 210000; 2.中南大學土木工程學院， 長沙 410075;3.中南林業科技大學土木工程與力學學院，長沙 410007)

南京地鐵3號線新莊站3號出入口通道采用大斷面矩形頂管施工技術，在復雜地質及環境條件下施工難度大。頂管施工區段主要處于淤泥質黏土、粉土及沖積-洪積粉細砂地層，地下水豐富且承壓水頭高，在掘進中易產生排土不暢或造成砂層固結以及頂管進出洞施工風險較高等問題，對周邊建(構)筑物及管線保護要求高，交通疏解難度大且管線遷改工期長。通過周密的現場調查研究，在頂管機選型、頂進參數與姿態控制、渣土改良、環境監測等方面采取一系列科學有效的關鍵技術措施，逐一攻克各個工程技術難點，確保工程的如期貫通。

地鐵；淺埋；富水軟土地層；大斷面矩形頂管；工程難點；技術措施

1 概述

目前城市軌道交通車站越來越多地采用出入口通道，下穿主干道路在道路兩側分別設置出入口，傳統的施工出入口方法有明挖法、暗挖法，明挖法施工工藝成熟，工程成本小，但是需要對道路交通進行封閉，影響地面道路，同時如果通道距周邊房屋過近易引起房屋變形或開裂，暗挖法可以避免交通疏解但是在開挖過程中如果地質條件不好(流砂富水)地層時易發生塌方，而采用頂管法對地面無任何影響，施工控制精度高，對周邊環境影響小，具有明顯優勢。南京地鐵3號線新莊站位于龍蟠路與新莊立交東側方向，大致成南北走向。擬建的3號出入口位于車站西南端，橫跨龍蟠路，上部有高架橋。由于工程所處周邊地段交通繁忙，因而采用頂管法施工。結合南京地鐵3號線新莊站項目中的3號出入口(矩形盾構)中的大斷面矩形頂管施工，探討了施工中存在的技術難點及采用的解決措施，以期為今后類似頂管工程設計與施工提供借鑒和參考。

2 工程概況及方案選擇

南京地鐵3號線新莊站3號出入口橫跨龍蟠路且上部有高架，采用大斷面矩形頂管法施工，兩端各設1處工作井，其中始發工作井臨近南京國際會展中心旗桿位置，緊鄰新莊廣場南公交站臺西側；接收工作井部分位于在建的新莊站施工場地內，部分位于龍蟠路車行道上，南林大廈北側(圖1)。

本工程矩形頂管下穿龍蟠路，上部有高架橋，管頂平均覆土深度3.6 m，頂管外包截面尺寸4.9 m×6.9 m，內凈空尺寸4 m×6 m，矩形，壁厚0.45 m，管節長度1.5 m；頂管管節采用C50預制混凝土管節，混凝土防水等級為P8；頂管結構全部采用預制矩形鋼筋混凝土管節，管節接口采用“F”形承插式，接縫防水裝置采用鋸齒形止水圈和雙組分聚硫密封膏，采用六刀盤土壓平衡式矩形頂管機進行掘進施工。頂管工程主要工程量為：管節頂進59.2 m，共38個標準管節。

圖1 新莊站3號通道平面位置示意

2.1 工程地質、水文地質及周邊管線情況條件2.1.1 工程地質條件

頂管過程所處地層范圍內從上至下依次包含有：雜填土層①-1、素填土層①-2b3、粉質黏土②-1b2、粉土②-2c3、(淤泥質)粉質黏土②-2b4、粉質黏土②-3b2、粉質黏土③-1b1-2、粉質黏土③-2b2、粉土③-2c2、含碎石粉質黏土③-3e1、粉質黏土③-3b1-2，其中頂管通道主要位于粉質黏土、粉土地層中。頂管所處地層地質剖面，如圖2所示。

圖2 新莊站3號出入口及頂管段地質剖面示意

2.1.2 水文地質條件

工程所在場地地下水主要為孔隙潛水和孔隙承壓水。工程范圍地處階地～秦淮河漫灘，地下水埋藏淺，勘察期間孔隙潛水水位埋深0.60～1.80 m，年變幅1.5 m(最高水位埋深按0.5 m考慮)。孔隙潛水主要分布于3層土體中，基坑開挖時，坑壁易滲水，不利于基坑穩定；場區內軟土、砂土發育，厚度大，水量較豐富，對開挖施工和抗浮不利。微承壓水水頭較高，測得S10Z12孔3-3el層微承壓水水位埋深2.00 m(高程10.56 m，吳淞高程)。場地地下水和水位以上土層對混凝土及鋼筋均有微腐蝕性。

2.1.3 出入口周邊管線及建筑物情況

3號出入口橫穿龍蟠路，本工程段頂管長度59 m，覆土埋深約3.7 m，結構施工范圍內管線主要有DN600自來水管、DN500燃氣管埋深1.6 m，混凝土雨水管管徑1 200 mm，埋深1.2 m，網通24孔(塑)，周邊主要建筑物有110 kV高壓塔，龍蟠路立交橋(頂管斜穿龍蟠路及其高架，平剖面最近距離分別為2.34 m和1.2 m)。

3 施工方案的確定(表1)

表1 出入口過街通道方案比較

綜合考慮交通疏解、管線改遷(保護)、經濟造價等，確定南京地鐵3號線新莊站過街通道施工優先采用頂管法。

4 頂管施工工藝流程及主要技術措施

4.1 頂管施工主要工藝流程(圖3)

圖3 頂管施工工藝流程

4.2 管節設計及內力分析4.2.1 管節結構形式及尺寸

本項目頂管工程全長59 m，設計采用外形尺寸6 900 mm×4 900 mm的矩形鋼筋混凝土預制管節，C50防水混凝土(抗滲等級P8)，每環管節為一整體，管節厚450 mm，長1 500 mm，管節總用量為38節。

4.2.2 管節內力分析

管節頂部覆土厚度3.7 m，不考慮地下水位的影響，土體容重20 kN/m3，靜止土壓力系數取0.5，土摩擦系數取0.4，對管節考慮2種工況進行分析計算：(1)內襯尚未施工，管節起圍護作用；(2)管節承受最大頂力作用。結構計算采用荷載-結構模型。

對2種工況[8]進行了鋼管節的應力和應變分析，應力分析結果表明：管節最大豎向變形為4 mm，滿足規范要求，施工監測的數據顯示頂管法引起的地表最終沉降小于規范要求的地表沉降值30 mm。

5 頂管施工關鍵技術措施及效果分析

5.1 工作井施工方法及端頭加固

頂管工作井采用明挖法施工，起重始發井最大開挖深度為11.45 m，接收井最大開挖深度為9.3 m，圍護結構采用φ800 mm，間距1 000 mm的鉆孔灌注樁加內支撐圍護體系，圍護樁及坑底采用直徑800 mm的雙管旋噴樁，始發井端頭采用6排φ800 mm，間距600 mm的雙管旋噴樁加固，加固長度為3.865 m，寬度為13 m，深度11.9 m，接收井端頭采用5排φ800 mm，間距600 mm的雙管旋噴樁加固，加固長度為3.265 m，寬度為13 m，深度約10.06 m。

5.2 工作井下準備工作5.2.1 洞門止水裝置安裝

由于洞圈與管節之間存在15 cm的建筑空隙，在始發及正常頂進過程中容易發生涌水、涌沙，施工前在洞門圈上安裝簾布橡膠板，橡膠板采用12 mm厚鋼板做壓板，保證簾布板的密封性能。

5.2.2 基座及頂進后靠、機架的安裝

基座必須穩固，在頂進過程中承受各種負載不變形、不位移，基座上兩根軌道保持平行、等高。軌道與頂進軸線平行，導軌高程偏差不超過3 mm，導軌中心水平位移不超過3 mm，導軌采用43 kg/m鋼軌，機頭不直接放置在軌道上，而是放置在機架上，機架與鋼后靠連接在軌道上，機架與鋼后靠的總質量約8 t，同樣在接收井內也需要安裝一個機架，下鋪設鋼軌，隨著頂進的進行，軌道沿頂進方向延伸，機架與鋼后靠留在工作井內。為保證力的均勻傳遞，鋼后靠根據實際頂進軸線放樣安裝時，在鋼后靠與始發井內襯墻間預留一定空隙(空隙大小為10 cm)，現澆鋼筋混凝土填充此縫隙，這樣頂管頂進中產生的反頂力能均勻分布在內襯墻上，鋼后靠的高程安裝偏差不超過5 mm，水平偏差不超過7 mm。

5.3 頂管機吊裝及組裝定位

頂管機吊裝時分前后、上下4部分吊裝，前后端尺寸分別為3.6 m×6.9 m×4.9 m和1.8 m×6.9 m×4.9 m，前段上下質量分別為40 t和43 t，后段上下質量均約為32 t，頂管機吊裝下井后統一組裝，為保證頂管始發軸線控制精度，需要對頂管機進行精確定位，盡量使頂管機軸線與設計軸線相符，頂管機準確定位后，必須反復進行調試，在確定頂管機正常運轉后，方可進行始發和正常頂進工作。

5.4 大斷面矩形頂管在淺埋富水軟土地層中頂進施工關鍵技術

5.4.1 粉質黏土中掘進施工控制措施

(1)為了防止“砂層流塑性差”現象的發生，在刀盤面板上設置了6個添加劑注入孔，配置了添加劑注入系統，根據需要向開挖面添加膨潤土和添加劑，改善碴土的流動性、止水性。

(2)在刀盤轉臂及攪拌棒的攪拌作用下能使碴土與添加材料充分攪拌混合，使碴土具有很好的流塑性，利于出土。

(3)掘進中注意土倉中土壓力控制，防止由于土壓力的失穩從而引起螺旋機噴發和開挖面失穩，引起地面沉降。

(4)為了能更好地改善砂層流塑性和止水性，通過加泥系統向開挖面注入添加劑或發泡劑。由于添加劑對黏土層、砂層及含少量砂礫的地層具有很好的效果，可以有效地改善砂層的流塑性和止水性。

5.4.2 控制地面不均勻沉降的措施

(1)施工過程中根據地質資料，預先分析將穿越地層，了解各層土的物理力學特性，掘進時再比較出土實樣，及時調整掘進機姿態，加強施工控制。

(2)頂管結束后，選用1∶1水泥漿液，通過注漿孔置換管道外壁漿液，根據不同的水土壓力確定注漿壓力，加固通道外土體，消除對通道今后使用過程中產生不均勻沉降的影響。

(3)頂進時按設計軸線、坡度進行，施工中針對實際情況采取“勤測勤糾”、 “小角度糾偏”等糾偏措施。此外，糾偏過程中不能大起大落，如發現在某處產生了較大偏差，也要保持通道以適當的曲率半徑逐步返回到軸線上來，盡量避免猛糾造成相鄰兩段形成大的夾角。

(4)如何形成較好的土壓平衡效果而穩定開挖面，防止“噴涌”，控制地表沉降，關鍵在于渣土改良技術的控制。施工時，根據類似地層的大斷面矩形頂管施工經驗，確定了適合本工程渣土改良的配合比，使之形成良好流塑性和較低的透水性的牙膏狀土體，如圖4所示。

圖4 渣土改良后形成的牙膏狀渣土

(5)加強渣土管理，嚴格控制出土量，形成正常的土壓平衡，螺旋輸送機采用雙閘門，控制噴涌和出土量。

(6)加強對周邊環境的監測，根據監測反饋數據不斷的優化頂進施工參數，減少地表沉降量及不均勻沉降，使地面周邊環境始終處于可控狀態。

通過采取以上技術措施，取得了較好的頂進施工控制效果。

5.5 繁華城區頂管施工環境監測關鍵技術

在淺埋大斷面矩形頂管近接穿越繁雜城區施工時，針對整個施工區域地下管線眾多，與建(構)筑物及管線保護要求高的特點，主要采取了以下應對措施。

(1)提前對周邊構筑物及管線進行調查和布設監測點，加強與管理單位溝通；同時加強對周邊環境的監測及巡視，編制相應的應急方案，并根據建(構)筑物監測反饋情況進行數據分析，防止圍護樁施工、基坑開挖或頂管施工造成地面沉降過大甚至塌陷而影響建筑物及管線的安全。

(2)在頂管施工過程中調整好姿態，加強出土量和軸線的控制，盡量減小頂管糾偏量以減小對周圍土體的擾動，確保地面周邊環境始終處于可控狀態。

(3)在掘進過程中嚴格進行同步注漿，充分填充機尾后通道外建筑空隙，以減少周圍土體的水平及垂直位移而引起的地表沉降。

(4)加強對地表的變形、沉降的監測，如發現有較大變位，及時采取措施，防止變形加大，帶來不利的后果。頂管頂進完成后，仍需監測，直到沉降變形基本穩定為止。

(5)保證管片拼裝質量，防止通道滲漏；保持良好的頂進姿態；在頂管通道頂進完成后，及時對通道周邊的土體進行置換注漿加固。

(6)頂管施工保持均衡頂進施工，避免長時間停機，防止頂管機下沉。

(7)針對交通疏解占道及管線遷改，積極主動配合業主進行前期征遷事宜，并提前對場地范圍內所有的管線及地下不明建構筑物進行排查。

5.6 繁忙道路超淺覆土過街頂進施工關鍵技術

由于龍蟠路、新莊高架橋頂管期間不封道，地下管線眾多且與頂管間距較近，故對于頂進過程中的地層沉降控制要求較高。針對以上特點，在頂進施工中主要采取了如下關鍵技術措施。

5.6.1 超淺覆土頂進技術措施

(1)穿越前對全套機械設備進行徹底檢查，保證頂進時具有良好的性能。

(2)嚴格控制頂管的施工參數，防止超挖、欠挖。

(3)嚴格控制頂進的糾偏量，盡量減少對正面土體的擾動。

(4)施工頂進速度不宜過快，一般控制在15 mm/min左右，盡量做到均衡施工，避免在途中有較長時間的耽擱。

(5)在穿越過程中，必須保持持續、均勻壓漿，使出現的建筑空隙被迅速充填，保證通道上部土體的穩定。

(6)克服“背土”現象，利用在機頭殼體頂部安裝的壓漿管和開設的壓漿壓注減摩泥漿，使土體和殼體上平面之間形成一泥漿膜，以減少土體與殼體的摩擦力，防止背土現象的發生。

(7)注意克服頂管機機頭旋轉現象，除壓漿糾轉技術措施外，可利用該頂管機2套獨立的刀盤驅動系統分別驅動2個刀盤進行相對或相反方向運轉，以達到頂管機總體的力矩平衡。

5.6.2 周邊環境沉降監測

選擇具有甲級資質的測量單位進行工程全過程監測，以準確、及時地了解路面、管線的沉降情況，并在頂進施工中根據反饋數據及時調整各類施工參數，保證道路和管線的安全。另外，制定周密的頂管穿越道路、管線的施工監控方案及監控計劃，并嚴格執行。

5.6.3 其它施工控制關鍵技術措施

本工程對于道路、管線的沉降量嚴格控制在規范要求內(+10～-30 mm)，一旦超標，必須采取補救措施控制沉降量。

(1)調整頂進參數

①減少正面出土量，提高正面土壓力；

②在頂管內超量壓注潤滑泥漿，提高管節周圍土體的應力。

(2)盡可能在路面預留注漿孔備用，每條通道上設置2排注漿管，排距為3 m，軸向注漿管間距為5 m，一旦路面出現嚴重沉降，及時進行雙液注漿。跟蹤注漿采用兩種不同配比的雙液漿，配比分別如表2、表3所示。

表2 緩凝雙液漿配比 kg/m3

(3)頂管結束后，及時打開管節上的注漿孔，壓入水泥-水玻璃雙液漿置換管道外的觸變泥漿，防止觸變泥漿泌水后引起地層沉降。

表3 速凝雙液漿配比 kg/m3

5.7 施工效果

新莊站3號出入口頂管從2014年11月1日始發進行頂進施工，至2014年11月15日貫通，歷時15 d，平均日進尺約4 m。頂進施工期間進展順利，較好地實現了既定的質量和工期目標。

頂進期間，在頂進區域內共布置施工監測點約39個。根據頂管頂進實際情況，每天對頂管頂進范圍內地面沉降、高架橋沉降點等進行了監測。監測結果顯示，各項監測數據均在允許范圍內：

(1)基坑周邊地表下沉點累計值≤0.12%H(H為基坑深度)，即20 mm下沉速率2 mm/d，地表下沉點最大下沉為2.68 mm，累計沉降量在規范允許范圍內(圖5)；

(2)周邊建筑物沉降量(圖6)、傾斜度變化小，均在設計允許范圍內。

圖5 頂進范圍內監測點的每周沉降量(單位：mm)

6 結語

在南京地鐵3號線新莊站3號出入口通道工程施工中，通過選用大斷面六刀盤土壓平衡式矩形頂管掘進機、精心施工組織、加強關鍵技術攻關以及采取科學合理的工程技術措施，解決了矩形大斷面頂管在富水軟弱復雜地層中頂進施工、近接穿越繁華城區繁雜建(構)筑物及管線密布地段以及繁忙道路不封道淺覆土過街頂進施工等特殊情況下的一系列工程技術難題，確保了頂管工程的安全施工和如期貫通，取得了良好的社會和經濟效益。該矩形大斷面頂管工程施工中所積累的一系列成功經驗，可為類似頂管工程的設計和施工提供較好的借鑒和參考。

圖6 頂進期間新莊立交橋的沉降情況(單位：mm)

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Key Construction Technical Measures and Effect Analysis of Large Section Rectangular Pipe Pushing under Complex Geologic Conditions

JIN Hua1， MA Xi-feng1， ZHAO Li-feng1， SUN Guang-chen2，3

(1.Nanjing Subway Construction Co.， Ltd.， Nanjing 210000， China; 2.School of Civil Engineering，Central South University， Changsha 410075， China; 3.School of Civil Engineering and Mechanics，Central South University of Forestry and Technology， Changsha 410004， China)

Xinzhuang Station No.3 entrance/exit passageway of Nanjing Metro Line 3 is constructed by means of large cross section rectangular pipe jacking and the complicated geological and environmental conditions made it very difficult. The pipe jacking construction section is located in silty clay， silt and alluvial-diluvial accumulating sand stratum with rich groundwater and high groundwater pressure， which is likely to hinder dumping or cause sand consolidation during tunneling and lead to high risk during pipe jacking at the entrance/exit of the tunnel. All these call for immediate protection of surrounding buildings， structures and pipelines and make it difficult to maintain normal traffic and result in extended pipeline moving. Through careful and rigorous investigation and analysis， a series of scientific and effective key technical measures are employed in the selection of pipe jacking machine， jacking parameters and posture controlling， sediment improvement， and environmental monitoring and other aspects as well. Furthermore， various engineering problems are solved to ensure project progress schedule.

Metro; Shallow covering; Rich water soft soil layer; Large section rectangular pipe jacking; Engineering problems; Technical measures

2016-04-09；

2016-05-07

金 華(1969—)，男，高級工程師，研究方向為軌道交通工程。

1004-2954(2016)11-0090-06

U455.4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.11.020