穿越既有地鐵線路頂管施工關鍵技術

劉吉貞

（中鐵十八局集團第二工程有限公司河北唐山063000）

隨著我國交通工程的迅速發展，市政工程近接既有軌道交通越來越頻繁。如何保證軌道交通的正常運營及結構安全，是目前正在研究的課題。頂管施工具有對軌道交通線路影響小、安全可靠的優點，已被廣泛應用于鐵路、公路等[1-5]。喻軍、龔曉南[6]以地面沉降控制為目標，通過數值分析方法研究了地面沉降與頂管阻力、機頭壓力、土體抗力之間的關系，并進行了施工參數優化。劉波、章定文、劉松玉等[7]以某地下通道穿越既有地鐵線路為研究對象，通過數值模擬及現場試驗的方法分析了頂管對既有地鐵隧道的影響，并提出了針對性的控制措施。郝唯[8]以林哈達灣工程項目為研究背景，分析了頂管下穿鐵路引起地層變化規律，并針對各種工況進行了模擬。鐘宇宏[9]以武漢市某供水管道需穿越既有4股道鐵道路基為研究背景，簡要介紹了土壓平衡頂管施工技術、工法選擇、頂力計算等，并對施工經驗進行了總結。顧威、曹坤、鄒恒等[10]以某尾水排海工程為例，通過經驗公式法和數值模擬，分析了平行雙頂管施工對海堤地表沉降的影響。以武漢市某綜合管廊穿越下覆既有軌道交通線路為工程背景，對現場施工技術進行了研究及總結，闡述了頂管過程中關鍵技術和控制措施。

1 工程概況

1.1 管廊設計概況

長江新城新區大道工程位于武漢市，解放大道-游湖三路（K0+000～K0+772）綜合管廊上跨穿越地鐵21號線盾構區間，長約656 m，其中明挖段約456 m，頂管區間（含工作井）全長約200 m。明挖管廊標準斷面為現澆單層雙艙箱涵形式，采用頂管法施工，管廊設計概況見表1。

表1 綜合管廊設計概況

管廊標準斷面凈尺寸為6.4 m×3.2 m，分左右兩個艙室，其中綜合艙1尺寸為2.6 m×3.2 m，綜合艙2尺寸為3.5 m×3.2 m。管廊內納入管線包括給水、電力、通信和能源管線，綜合艙1容納電

1.2 相對位置關系

管廊頂管施工段斜向穿越下覆地鐵21號線盾構區間，頂管底與地鐵21號線盾構頂之間豎向間距約5 m。始發井和接收井深度分別為11.2 m、10.7 m，距離現狀地鐵21號線盾構區間約14～17 m，頂管與地鐵位置關系見圖1。

圖1 頂管與地鐵位置關系示意圖

2 總體方案

總體施工方案按如下步驟：（1）進場后首先進行管線改遷、場地平整等工作，確認無誤后方可進行施工放樣；（2）施工前先填筑圍堰，采用高壓旋噴樁對基坑周邊土體進行加固，基坑采用分層分區開挖控制措施，基坑外圍采用三軸攪拌樁施作止水帷幕；（3）工作井開挖完成后，澆筑主體結構，待達到設計強度后方可進行頂進作業；（4）施工后背墻，通過螺栓與后背墻連接，為頂管頂進提供反力面；（5）頂進前進行軌道交通線路周邊土體注漿加固，以減小對既有軌道線的影響；（6）井下安裝頂進設備，用螺栓和法蘭固定刀盤在驅動主軸上并進行頂管機的調試；（7）頂管機頭在井內管床就位，調試完畢后準備進洞，頂管出洞前做好出洞止水，頂進完成后施作后續附屬工程。

3 頂力計算

3.1 總頂力計算

依據湖北省《頂管法管道穿越工程技術規范》（DB42/T 1343-2018），頂進過程中，管道的總頂力可按公式（1）計算。

式中：F1—總頂進阻力（kN）；

D0—管道外徑（m），取3.6 m；

L—管道頂進設計長度（m）；

fk—摩阻系數，即管道外壁與隧道內壁的單位面積摩阻力（kN/m2）；

NF—頂管機迎面的阻力，可按公式（2）計算。

式中：Dg—頂管機外徑（m），取3.6 m；

γ—土的重力密度；

Hs—覆蓋層厚度。

參照各參數取值，由公式（1）和公式（2）計算可得：

3.2 管節允許頂力計算

混凝土頂管受力面允許的最大頂力可按公式（3）計算：

式中，dsF—管道允許頂力設計值（kN）；sf—混凝土受壓強度設計值，取23.1 MPa；1φ—受壓強度折減系數，取0.9；2φ—偏心受壓強度調整系數，取0.5；3φ—材料脆性系數，取0.85；4φ—混凝土強度標準調整系數，取0.79；Qγ—分項系數，取1.3；PA—管道有效傳力面積。

4 頂管下穿關鍵施工工藝

4.1 工作井施工

4.1.1地基填塘處理

本工程頂管始發井位于湖塘內，施工前需填筑圍堰，采用臨時黏土圍堰，堰頂寬5 m，圍堰邊坡坡率為1:1.75。待水抽干后，進行湖塘底部清淤處理后，回填黏土至水面高程以上50 cm，最后回填至始發井頂部標高。

湖塘嚴格按設計要求進行回填，回填時應控制填料標高，分層碾壓。施工中嚴格控制填料的含水量，每層攤鋪厚度在20 cm~50 cm。

4.1.2高壓旋噴樁施工

高壓旋噴樁施工主要包含始發井、接收井、明挖管廊段。始發井、接收井三軸攪拌樁與鉆孔灌注樁間引孔高壓旋噴注漿深度分別為17.5 m、16.5 m；接收井采用Φ800@500高壓旋噴加固，樁間搭接300 mm，沿井壁3 m范圍內，加固深度3 m；接收井與明挖管廊段鋼板樁連接處止水為18Φ800@500高壓旋噴樁，樁長度22 m。

4.1.3鉆孔灌注樁施工

工作井外圍支護采用Φ800@1200鉆孔灌注樁，樁長為22 m。施工時，施工工藝參數需根據試樁結果進行適當調整。

灌注樁施工前，先對區域進行場地平整并夯實，按要求進行測量放線確定樁位并埋設護筒，其中心應與樁位重合，護筒應高出地面300 mm以上。

鉆機就位后，先進行現場檢查，鉆孔開始前需要設置好泥漿箱（20m3）和泥漿循環管路，安裝好泥漿循環泵。泥漿的飽和重度為1.05～1.10、黏度18～28 Pa·s、含砂率≤4%。

鉆孔完成后進行清孔及沉渣外排，成孔結束后吊裝鋼筋籠并進行灌注混凝土施工。

4.1.4基坑開挖及主體結構施工

土方開挖嚴格遵循空間效應原理，采用“分層、對稱、及時加撐”的方法開挖（見圖2）。基坑分三層開挖，第一、二層開挖至支撐定位線以下0.5 m，第三層開挖至坑底。

圖2 基坑分區開挖示意圖

主要工藝流程：清理表土→施工第一道支撐→開挖第一層→施工第二道支撐→開挖第二層→施工第三道支撐→開挖第三層。

基坑開挖完成后進行主體結構施工，工作井及接收井均為矩形斷面，始發井尺寸為10 m×14 m，底板厚1000 mm，井壁厚900 mm，井高9.35 m。接收井尺寸為9 m×14 m，底板厚1000 mm，井壁厚900 mm，井高8.7 m。模板采用滿堂腳手架支撐，泵送澆筑混凝土。

4.2 頂管施工

4.2.1后背墻澆筑

后背墻選用混凝土后背墻，采用C30混凝土澆筑，與井壁通過Ф20@150鋼筋連接，形成一個整體，為頂管提供反力面，后靠鋼板面積5 m×5 m，通過螺栓與后背墻連接，實現均勻受力。

4.2.2頂管機安裝與調試

TPD3000頂管機頭自重約50噸，用千斤頂驅動頂管機向洞口移動，直至刀盤接觸洞口內墻，頂管機井下安裝示意見圖3。

圖3 頂管機井下安裝示意圖

管節為C50預制，混凝土由拖車運至施工工作面，管節長2.5 m，內徑3 m，外徑3.54 m，每節重量約為19 t，管節吊裝采用150 t汽車吊作為主調，配備一臺25 t汽車吊輔助作業。

4.2.3頂進施工

頂管機頭在井內安裝就位，調試完畢后，鑿除頂管洞圈處鉆孔灌注樁，頂管機進入止水環后，開始頂進施工。如遇地下水豐富時，需要采取一定的止水措施。為防止頂管機在出洞時產生“扎頭”現象，需要在洞口處加墊枕木。

管節接縫插口混凝土表面應平整密實，如存在少量缺陷，必須磨平或采用增強砂漿修補平整。頂管管節接頭采用兩道楔形密封橡膠圈止水密封，密封橡膠圈材料為氯丁橡膠。

頂管出洞前應做好出洞止水，可采用簾布橡膠止水，簾布橡膠止水長度596 mm，厚度20 m，簾布止水由壓板、折葉壓板加雙頭螺栓固定在洞口四周，鋼壓板預留Φ24@300的預留孔。

5 結語

為減小對既有軌道線的影響，采用頂管法施工，頂進設備的選擇和總頂力的計算至關重要，頂進過程中管節允許頂力須滿足要求。

本工程以武漢市解放大道-游湖三路綜合管廊穿越下覆既有軌道交通線路為背景，介紹了土壓平衡頂管機的工作原理，并重點闡述了施工過程中的工藝流程及關鍵技術，有效解決了現場施工問題，既有軌道交通線路基本無影響。此項技術為管廊頂進施工提供了保障，積累了豐富的工程經驗，具有較高的工程價值。