大斷面矩形頂管下穿立交道口關鍵技術

王軍輝

中鐵開發投資集團有限公司 云南 昆明 650118

一、引言

由于頂管施工工藝具有不開挖地面、不破壞地面建筑物，不受氣候和環境影響以及省時、高效、綜合造價低等優點，使得它在我國城市軌道交通、綜合管廊、過街通道等工程中有著越來越重要的地位和作用。但針對城市復雜的周邊環境，如何有效的控制頂管下穿立交道口時對既有橋梁和道路的不利影響，已成為類似工程施工亟需解決的問題。本文以工程實例為背景，介紹了當前大斷面矩形頂管下穿立交道口的關鍵技術措施。

二、工程概況

德平路綜合管廊工程下穿武漢市主干路和平大道立交道口，穿越地質主要為富水粉細砂層，施工期地下常水位為-7m。該段管廊長81m，位于武漢市二環線高架橋10#-11#墩之間，管廊外墻與10#墩橋樁最小距離為3.46m。

初步設計為明挖基坑法施工，涉及交通疏解、管線遷改、綠化遷移等大量前期準備工作，經估算需耗資3600萬元，耗時15個月。為減少施工對交通的影響、節約投資、加快工期，后經方案比選，確定采用矩形頂管法施工，設備類型為土壓平衡式頂管機，最大頂力6000t，頂管覆土厚度約6m，截面外尺寸9.8m×5.2m，全長81m，縱坡為+0.25%。

三、大斷面矩形頂管下穿橋梁風險分析

大斷面矩形頂管頂進施工引起地層的位移會降低既有結構基礎的承載力，同時引起附加變形、差異沉降以及側向位移。臨近橋梁樁基施工時，可能引發橋樁損壞、橋梁傾覆，造成巨大的經濟損失和嚴重的安全事故。

為確保橋梁結構的安全性，施工過程中采取了MJS隔離樁主動防護和頂進過程控制兩種技術措施，降低頂管施工對橋樁造成的不利影響。

四、技術措施原理

4.1 MJS旋噴樁主動防護原理

在矩形頂管與既有橋梁橋樁之間，主動設置單排MJS旋噴樁，一方面能起到擋土和隔斷作用，限制土體及橋樁的水平側向變形；另一方面能承擔沉降傳遞過來的摩擦力，將樁內外的豎向沉降隔斷，降低差異沉降的影響。

4.2 頂進過程控制原理

以監測數據為依據，通過調控頂管正面土壓力、頂進速度、注漿量、軸線糾偏等參數，降低頂管施工對橋梁附近土體的擾動影響。

五、施工技術措施

5.1 MJS旋噴樁主動防護

5.1.1 隔離樁設計

在頂進施工前，利用三維數據模擬分析判定頂管施工對既有橋樁影響的大小，作為MJS旋噴樁施工范圍、樁徑、間距等設計的依據。在本工程中，MJS旋噴樁直徑1500mm，間距1200mm，搭接寬度300mm，樁身伸入頂管底以下1倍頂管高度(約5.2m)，防護范圍為沿頂管線路方向超出橋梁承臺1倍水平間距長度（約3.46m）的兩平行線區域。為盡量減小隔離樁施工對橋樁的影響，MJS旋噴樁與既有橋樁始終保持不小于1m的安全間距。

5.1.2 MJS旋噴樁施工步驟

MJS旋噴樁施工前，選擇作業范圍兩側邊緣位置進行試樁，確定工藝中的各項技術參數。本工程MJS旋噴樁工藝參數見下表：

施工時由技術人員放樣定出樁位，完成引孔機設備對位，引孔時立軸與樁位對正且垂直度誤差小于1%，引孔深度至隔離樁設計樁底以下1m。引孔完成后，MJS旋噴樁設備下放鉆桿至設計樁底，向上提升、旋轉噴射水泥漿作業。

為保證既有橋樁安全，MJS設備噴漿期間須由技術人員密切監測地內壓力，調整排漿量大小使地內壓力始終維持在0.1Mpa～0.3Mpa的合理區間內。

5.2 頂進過程控制

5.2.1 土倉壓力控制

根據頂管覆土厚度、土體性質、地下水埋深等因素計算確定土倉內理論壓力，理論土倉壓力取值介于頂管頂部側面土壓力與底部側面土壓力之間，計算公式見：

式中：

P上—通道頂管頂部的側面土壓力；

P下—通道頂管底部的側面土壓力；

K0 —側面系數，K0=1-sinΦ，K0=1-sin28°；

Φ—土的有效內摩擦角，富水粉細砂層取值28°；

γ—土的容重，取值18.5kN/m3；

Z—覆土深度，Z上為6.9m，Z下為12.12m。

P上=18.5×（1-sin28°）×6.9=0.126Mpa

P下=18.5×（1-sin28°）×12.12=0.222Mpa

矩形頂管進入橋梁區段前，土倉內壓力最初設定值略高于理論土壓力值，取值0.13Mpa～0.23Mpa之間。

5.2.2 頂進速度控制

開頂時，先啟動刀盤轉動，再啟動油缸推進；停頂時，先停止油缸推進，再停止刀盤轉動。穿越橋梁區段前，做好設備檢修、管片存儲工作，頂管穿越時確保均衡連續作業，頂進速度控制在15mm/min左右。

5.2.3 注漿量控制

頂進過程中，在管道外壁同步壓注觸變泥漿形成一圈泥漿套，減小管道與土體間的摩阻力，可以減小頂管對于土體的位移。穿越既有橋梁時，通過采取增大同步注漿壓力，使管節與土體間的建筑間隙得到充分填充，確保潤滑效果。

壓漿時堅持“隨頂隨壓、逐孔壓漿、全線補漿、漿量均勻”的原則。穿越橋梁之前,減摩注漿壓力控制在0.5Mpa,穿越橋梁范圍時控制在0.6Mpa，根據武漢市地區粉砂土層的地質情況，注漿量取理論計算值的3～5倍。

每延米注漿量公式：

式中：V—每延米注漿量；

k—擴撒系數，武漢地區地質取值3～5；

A、B—頂管機截面長度、寬度；

a、b—頂管管節截面長度、寬度；

本工程頂管單延米注漿量:

5.2.4 軸線糾偏

在正常頂進過程中，密切注意對頂進軸線的控制，在每節管節頂進結束后，必須進行機頭的姿態測量，做到隨偏隨糾。實際上，頂管的糾偏過程必然會對周圍的土體產生擾動，糾偏次數越頻繁、糾偏值越大，對周圍的土體擾動也就越大。

為減少糾偏對橋樁周圍土體的影響，在穿越橋梁前，提前完成頂管機姿態的調整；穿越橋梁范圍時，適當增大糾偏警戒值，增加姿態復測頻率（每半環），做到盡量不糾偏、必要時盡量小糾偏。

5.2.5 優化頂進參數

頂進期間，根據實際的監測數據對頂管頂進速度、出渣量、土倉內壓力等參數進行實時優化調整，以有效控制橋樁及土體變形量。

六、結束語

本工程的矩形頂管經過嚴格的技術措施控制，取得了較好的成果，第一、安全可靠：高架橋在頂進前后未有可觀測到的位移及沉降；地面沒有明顯下沉及隆起，經觀測沉降量為-8mm～+6mm；管線安全得以保證，頂管上方12處管線均無破裂及損壞；管節以高精度頂進貫通，誤差為左右3mm，上下4mm。第二、不擾民，對地方交通無影響：整個施工過程全部在道路下方，且對道路無限載限速要求。第三、節約投資：經估算，采用頂管法比明挖法節約了投資1600萬元。第四、加快工期：采用頂管法比明挖法節約了工期8個月。

大斷面矩形頂管有效空間利用率高、淺覆土適應能力好，在城市軌道交通、綜合管廊、過街通道等地下空間利用項目中逐漸被廣泛應用，但目前國內缺乏針對臨近建（構）筑物施工的頂管施工技術標準，本工程主要通過借鑒盾構施工技術及現場實踐摸索，確定了一套行之有效的下穿立交道口頂管施工技術，能夠為類似工程施工提供借鑒。