矩形頂管近距離下穿大斷面排水箱涵施工技術(shù)

張 燁

(1.南京市市政管理處,江蘇 南京 210017; 2.南京市市政工程質(zhì)量安全監(jiān)督站,江蘇 南京 210017)

矩形頂管近距離下穿大斷面排水箱涵施工技術(shù)

張 燁1,2

(1.南京市市政管理處,江蘇 南京 210017; 2.南京市市政工程質(zhì)量安全監(jiān)督站,江蘇 南京 210017)

南京市地鐵4號線某站點地下人行通道采用大斷面矩形頂管法施工，4 m×6 m矩形頂管近距離下穿13.4 m寬既有磚混結(jié)構(gòu)排水箱涵。介紹了工程地質(zhì)條件及周邊環(huán)境，運用有限元方法模擬分析了矩形頂管穿越施工過程中排水箱涵的變形情況，對排水箱涵針對性地布置了監(jiān)測點并進(jìn)行了分析總結(jié)，采取了有效的施工控制措施。

南京地鐵，矩形頂管，近距離下穿，大斷面排水箱涵

矩形頂管施工方法已被廣泛運用于地鐵車站出入口結(jié)構(gòu)施工中，在矩形頂管施工過程中，需要橫向穿越諸多市政管線，對管線的安全運營帶來極大威脅。尤其是穿越一些斷面較大的區(qū)域性排水箱涵時，控制周邊土體變形，對管線進(jìn)行及時的監(jiān)測，是解決此問題的關(guān)鍵。研究矩形頂管安全下穿大斷面排水箱涵，特別是困難條件下的此類施工，具有較高的推廣價值。

1 工程概況

南京地鐵4號線某站點設(shè)4個地面出入口，其中，車站4號出口位于車站主體結(jié)構(gòu)東側(cè)，中間橫跨一主干道，需建設(shè)地下通道連接。該主干道為中部高架橋+兩側(cè)地面道路，不具備開挖施工條件，因此地下通道采用3 m×5 m的矩形頂管法施工。

矩形頂管地下通道長62.4 m，自東往西推進(jìn)，覆土厚度約為5.9 m，坡度+3‰。掘進(jìn)設(shè)備采用4 m×6 m偏心多軸土壓平衡式矩形頂管機(jī)，C50鋼筋混凝土預(yù)制管節(jié)共計41節(jié)，斷面尺寸統(tǒng)一為4 m×6 m，單節(jié)長度1.5 m，壁厚0.5 m，接口采用“F”型承插式。

矩形頂管施工需下穿城市主干道及沿線諸多管線，其中保護(hù)難度最高的管線為靠近該主干道南側(cè)機(jī)動車道下的大斷面排水箱涵。箱涵斷面尺寸為13.4 m寬、2.7 m高，內(nèi)部設(shè)有中隔墻分隔成兩孔，箱涵底與矩形頂管通道頂部凈距為1.6 m。矩形頂管主要位于③1和③3土層中，表1給出了工程場地各土層的物理力學(xué)指標(biāo)。

表1 地層物理力學(xué)指標(biāo)

2 矩形頂管下穿大斷面排水箱涵數(shù)值模擬分析

2.1計算模型

建立包括頂管隧道、排水箱涵在內(nèi)的三維計算模型，模型的總尺寸為40 m×55 m×30 m，共計70 686個單元，76 024個節(jié)點。邊界條件為底部固定，兩邊軸向約束，上部自由。計算模型頂管與箱涵位置關(guān)系如圖1所示。

2.2計算結(jié)果

計算時，土壓力系數(shù)取為0.7。

開挖面距離外墻體2 m，磚墻及排水箱涵頂?shù)装宄两翟茍D如圖2,圖3所示。當(dāng)開挖面距離外墻約2 m時，前方距離最近墻體開始發(fā)生沉降，沉降量約1.2 mm。頂管隧道距離排水箱涵垂直距離很小，僅為1.6 m，且排水箱涵底板較寬，約為13.4 m，因此通道限制了由隧道開挖引起的周圍土體的沉降，排水箱涵底板幾乎不發(fā)生沉降，而頂板由于上方及左右土體變形引發(fā)了一定的沉降，當(dāng)開挖面距離外墻約2 m時，頂板最大沉降約1.1 mm，頂板的最大沉降量同與之相連的墻體的最大沉降量幾乎相同。開挖面前方墻體發(fā)生的水平位移僅約0.3 mm，非常微小。

頂管穿越中隔墻，開挖面位于中隔墻與第二外墻之間。磚墻及排水箱涵頂?shù)装宄两翟茍D如圖4,圖5所示。開挖面位于中隔墻與第二外墻之間，外墻沉降量繼續(xù)增加，最大約為6.7 mm。

開挖面離開外墻2 m，磚墻及排水箱涵頂?shù)装宄两翟茍D如圖6,圖7所示。排水箱涵最大沉降約為8 mm。頂管穿越前后，混凝土板受到的最大拉應(yīng)力約為40 kPa，磚墻主要受壓，與混凝土板連接點可能會出現(xiàn)最大約10 kPa的拉應(yīng)力。

3 矩形頂管下穿大斷面排水箱涵施工技術(shù)

3.1穿越技術(shù)措施

1)合理確定各頂進(jìn)控制參數(shù)取值，嚴(yán)格控制穿越大斷面排水箱涵頂進(jìn)時的糾偏量，最大程度減少頂管對排水箱涵的不利影響。

2)正常頂進(jìn)施工時，其頂進(jìn)速度宜控制在20 mm/min左右，在加固區(qū)及排水箱涵影響范圍內(nèi)頂進(jìn)速度控制在10 mm/min。

3)頂進(jìn)過程應(yīng)當(dāng)通過預(yù)制管節(jié)各注漿孔不間斷壓漿，一方面在管節(jié)外側(cè)形成完整的泥漿膜，起到減小摩擦力的作用；另一方面，漿液可以及時填充管節(jié)與土體之間的空隙，保持土體穩(wěn)定。

4)頂管結(jié)束后，首先在通道前后各三節(jié)頂管注漿孔內(nèi)注入雙液漿，過24 h后及時打開管節(jié)上的注漿孔，壓入水泥漿液置換管道外的觸變泥漿。根據(jù)排水箱涵的沉降情況，在其正下方的前后各10 m范圍內(nèi)，適當(dāng)超壓水泥漿，起到固化周邊土體，減少后期沉降的目的。

3.2施工監(jiān)測

3.2.1監(jiān)測點布設(shè)

圖8給出矩形頂管穿越大斷面排水箱涵處孔隙水壓力、測斜以及直接監(jiān)測點的布設(shè)示意。

3.2.2監(jiān)測結(jié)果分析

1)孔隙水壓力監(jiān)測結(jié)果及分析。

孔隙水壓力共布置4個測點，通過箱涵前2.7 m設(shè)置一排，通過箱涵后5 m設(shè)置一排，每排2個測點，測點間距10 m，均距離頂進(jìn)軸線5 m。圖9是超靜孔隙水壓力隨頂管機(jī)通過測點過程中的變化曲線。其中測點KY4點被破壞，數(shù)據(jù)未能采集。

當(dāng)頂管機(jī)頭到達(dá)孔隙水壓力測點前6 m左右時，孔壓開始上升，在頂管機(jī)切口通過測點1 m時， KY1的孔壓增加最大值為10 kPa，KY2孔壓增加最大值約20 kPa，KY3孔壓增加最大值約30 kPa，孔壓達(dá)到最大值。機(jī)身通過測點的過程中，孔壓下降很快。機(jī)尾通過測點后(頂管機(jī)切口過孔壓計5 m后)，孔壓緩慢消散，孔壓經(jīng)5 d基本全部消散。說明超孔隙水壓力變幅大小反映了土體受擾動的程度。

2)測斜監(jiān)測結(jié)果及分析。

測斜共布置2個測點，通過箱涵前2.0 m設(shè)置一排共2個測點，測點間距8 m，均距離頂進(jìn)軸線4 m。圖10，圖11是測斜隨頂管機(jī)通過測點過程中變化曲線。X方向為平行于頂管推進(jìn)方向，Y方向為垂直于頂管推進(jìn)方向。選取CX1測點進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

水平和垂直方向的水平位移主要發(fā)生在深度2 m～12 m范圍內(nèi)，基本和頂管出現(xiàn)的位置對應(yīng)。平行頂管施工方向的水平位移在頂管到達(dá)前基本表現(xiàn)為向頂管推進(jìn)方向的位移，最大偏移量達(dá)到27 mm，在頂管機(jī)切口通過該點后，由于摩擦力的作用，逐步恢復(fù)到初始狀態(tài)。垂直頂管方向規(guī)律相似，最大變形達(dá)到10 mm，頂管頂進(jìn)過后，垂直頂管方向水平位移有一定量的恢復(fù)變形。

3)直接點沉降監(jiān)測。

直接點布置9個測點，按照頂進(jìn)里程，共分為3排，分別位于箱涵的前中后段，測點間距10 m。圖12是直接點隨頂管機(jī)通過測點過程中變化曲線。

直接沉降點沉降趨勢均為切口達(dá)到前開始有隆起的趨勢，在切口達(dá)到測點正下方前后達(dá)到峰值(最大峰值9 mm)，在切口通過測點后逐步恢復(fù)，與頂管機(jī)操作參數(shù)相匹配。

4 結(jié)語

在穿越大斷面排水箱涵前，在調(diào)查、搜集相關(guān)資料的基礎(chǔ)上建立了有限元模型，模擬分析了矩形頂管施工對箱涵的影響，有針對性的采取了有效的施工控制技術(shù)措施。對頂管施工全過程實施了監(jiān)測，特別是對頂管機(jī)穿越排水箱涵處的布點監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果反映頂管施工參數(shù)選取合理，施工控制措施有效。

[1] 余彬泉.頂管施工技術(shù)[M].北京:人民交通出版社,2002.

[2] 劉建航,侯學(xué)淵.基坑工程手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1997.

[3] 林宗元.巖土工程治理手冊[M].北京:中國建筑出版社,2005.

[4] 黃紹銘,高大釗.軟土地基與地下工程[M].第2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.

Theconstructiontechnologyofrectangularpipe-jackingtopassthroughlargesectiondrainageboxculvertatcloserange

ZhangYe1,2

(1.NanjingMunicipalProjectManagementOffice,Nanjing210017,China; 2.NanjingMunicipalEngineeringQualityandSafetySupervisionStation,Nanjing210017,China)

The large section rectangular pipe-jacking method is used in the underpass of a station on Metro Line 4 in Nanjing. The dimension of rectangular pipe jacking is 4 m×6 m, and the rectangular pipe jacking construction needs to pass through the 13.4 m wide brick concrete structure drainage box at short distance. This paper introduces the geological conditions and surrounding environment of the engineering, and simulates and analyzes the deformation of the drainage culvert during the construction of the rectangular pipe-jacking by using the finite element method. Furthermore, the paper arranges the monitoring points and analyzes the monitoring results of the drainage box culvert, and takes effective control measures.

Nanjing metro, rectangular pipe-jacking, close down wear, large section drainage box culvert

1009-6825(2017)30-0083-03

2017-08-14

張 燁(1974- )，女，高級工程師

TU990.3

A