超大矩形頂管近距離側(cè)穿軟土地區(qū)軌交隧道的風險分析及防控措施

王紅星

上海建科工程咨詢有限公司，中國·上海 200000

1 引言

隨著城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高速發(fā)展，地下建（構(gòu)）筑物也越來越多，對充分利用地下空間，進一步高效化的開發(fā)，難度也隨之提高。矩形頂管以其斷面利用率高，不破壞地面建（構(gòu)）筑物、不干擾道路交通、不需遷改地下管線、施工機械化程度高、施工場地小，噪聲小等諸多優(yōu)點，而被廣泛應(yīng)用。然而，頂管頂進施工，也會給地表和周邊建（構(gòu)）筑物帶來不利影響。本工程中矩形頂管其正面附加推力、掘進機和后續(xù)管節(jié)與土體之間的摩擦力，在鄰近軌交隧道上引起的附加荷載是產(chǎn)生不利影響的主要原因。所以，頂管近距離側(cè)穿軌交隧道施工，需進一步提高施工控制措施。

2 工程概況

淞滬路～三門路下立交工程位于上海市楊浦區(qū)淞滬路與閘殷路交叉口，南起政學路北至閘殷路民府路，為“Y”型雙層結(jié)構(gòu)。下層匝道穿越三門路段采用超大斷面類矩形頂管法施工。本工程包含兩條地下車行通道，長度都約為163m，呈南北走向，下穿三門路，通道坡度為3‰，頂部埋深11.6～12m，通道平面線型為直線段。

類矩形通道頂管機首先出洞于始發(fā)井東側(cè)，進洞于接收井東側(cè)；然后返回始發(fā)井，于始發(fā)井西側(cè)出洞，再進洞于接收井西側(cè)（先東側(cè)后西側(cè)可減少對通道東側(cè)軌道10號線隧道的二次影響，所以論文僅對頂管東側(cè)推進對軌道10號線隧道的影響進行分析）。

類矩形通道頂管機主要穿越土層為②3-1砂質(zhì)粉土、④淤泥質(zhì)粘土。全程側(cè)穿軌道交通10號線三門路站～江灣體育場站區(qū)間隧道，最小水平凈距約12.5m。

通道頂管管節(jié)為預制鋼筋混凝土管節(jié)，混凝土強度等級為C50，抗?jié)B等級為P10；管節(jié)外尺寸9.8×6.3m，壁厚0.7m，單節(jié)厚1.5m，重量約63t。管節(jié)兩端分別預埋鋼套環(huán)和鋼環(huán)，管節(jié)內(nèi)還預留壓漿孔、起吊孔及翻身孔。管節(jié)接口采用“F”型承插式，接縫防水裝置采用楔形橡膠圈和密封膏，能充分防止管節(jié)結(jié)合部的滲漏水。

上海軌道交通10號線，三門路站～江灣體育場站區(qū)間盾構(gòu)隧道貫通時間為2007年。線路由直線段構(gòu)成，左右線長均為724.24m，結(jié)構(gòu)斷面園型，內(nèi)徑為6m。在本工程頂管段隧道頂埋深約11m。

頂管工程與軌交10號線的平面關(guān)系如圖1、圖2所示。

圖1 頂管工程與軌交10號線的平面關(guān)系

圖2 頂管工程與軌交10號線的平面位置關(guān)系

頂管工程與軌交10號線的橫剖面關(guān)系如圖3所示。

圖3頂管工程與軌交10號線的橫剖面關(guān)系

3 頂管頂進影響分析

3.1 影響分析評價標準

為確保軌交10號線隧道結(jié)構(gòu)的安全，在征詢相關(guān)部門意見后，本次影響分析的評價標準為：軌交10號線隧道的最大附加水平收斂值和最大附加豎向位移均不大于10mm。

3.2 地質(zhì)條件

根據(jù)地勘報告，擬建場地分布有厚度較大的②3-1砂質(zhì)粉土、④淤泥質(zhì)粘土。為上海地區(qū)典型軟土層，呈流塑狀，具有壓縮性高、強度低、滲透性小和靈敏度高等特性。頂管穿越土層土力學參數(shù)見表1。

表1 頂管穿越土層土力學參數(shù)表

3.3 頂管頂進引起的變形原因分析

頂管頂進引起地表及周邊建（構(gòu)）筑物變形的原因有三個方面：

①頂管機與管節(jié)的空隙引起的土層損失；

②頂管機正面推力與水土壓力的不平衡；

③管節(jié)與土體相對運動產(chǎn)生的摩擦力。頂管施工對土體擾動效應(yīng)如圖4所示。

圖4 頂管施工對土體擾動效應(yīng)

超大頂管頂進過程中正面推力控制稍有波動，不平衡力即對頂管機頭前方土體產(chǎn)生較大擾動，致使地表可能產(chǎn)生一定的沉降或隆起，土體內(nèi)附加應(yīng)力影響到的構(gòu)筑物，如隧道、地下室等可能產(chǎn)生變形。

此外，超大斷面頂管機相對小斷面頂管機會產(chǎn)生更大的摩擦力，更容易對周邊土體產(chǎn)生較大的附加荷載，引起周邊土體變形，繼而對臨近軌交隧道產(chǎn)生較大的附加荷載，而附加荷載則會引起軌交隧道的側(cè)向彎曲，水平收斂和豎向沉降。

4 施工控制措施

頂管頂進施工，勢必會對軌交10號線隧道靠近頂管機一側(cè)土體有一定的擾動，繼而可能引起軌交隧道的側(cè)向彎曲、水平收斂和豎向沉降。

正在運行的上海市軌交10號線是生命線工程，對沉降和變形控制要求非常高，所以頂管的施工控制就極為關(guān)鍵。為此，針對超大頂管近距離側(cè)穿軌交隧道，提出以下多項控制措施。

4.1 隔離樁保護措施

為減少頂管頂進中附加應(yīng)力對軌交隧道的影響，本工程在頂管與軌交隧道之間，沿頂管全長施打一排MJS旋噴隔離樁。MJS旋噴隔離樁直徑2.4m，中心間距1m，距頂管管節(jié)外側(cè)1m，如圖5所示。

圖5 頂管與軌交隧道間隔離樁剖面圖

4.2 頂進過程中的控制措施

①盡可能減少土體損失。頂管機機殼與管節(jié)的空隙要求≤25mm，地層損失率≤ 1.32%。

②做到同步壓漿。頂進過程中迅速填充管道外周的空隙，形成完整泥漿套，及時進行二次壓漿、補漿。該工程采用多點對稱壓注，使泥漿均勻填充空隙，每節(jié)管節(jié)上下、左右共對稱布置9組（18個）注漿孔。根據(jù)地表、軌交隧道的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對沉降過大及形變敏感區(qū)域進行定點壓漿。

③動態(tài)控制頂推力，保持開挖面穩(wěn)定。嚴格控制推進速度、總頂力、實際土壓力與設(shè)定土壓力波動的差值等施工參數(shù)。出土量控制為理論出土量的100%。

④因地制宜配置泥漿。良好的觸變泥漿套可減小由摩擦引起的頂管背土效應(yīng)，降低對周邊土體的擾動。該工程在常規(guī)的鈉基膨潤土泥漿基礎(chǔ)上，摻入一定比例的高分子材料，增加泥漿稠度，提高了淤泥質(zhì)黏土層的承載力。

⑤加強對軌交隧道的監(jiān)測。頂進中加強對軌交隧道的監(jiān)測，關(guān)鍵區(qū)域加密測點和頻率，及時預警。本工程軌交隧道監(jiān)測采用人工監(jiān)測與精密自動化監(jiān)測相結(jié)合相對照的監(jiān)測方法。

⑥微調(diào)頂進縱軸線。頂管始發(fā)前微調(diào)頂進上行姿態(tài)，往上調(diào)0.1%～ 0.2%，并將前3～5節(jié)管節(jié)增設(shè)牛腿與機頭連接形成整體，以避免頂管機在軟弱土層中出現(xiàn)“磕頭”沉降。

⑦增加防水措施。考慮到上海地區(qū)地下水豐富，埋深淺，在頂管始發(fā)洞圈密封裝置上增加兩道鋼絲刷，管節(jié)環(huán)止水措施設(shè)兩道橡膠嵌條，并將原管節(jié)間的膠合板襯墊改成丁晴軟木橡膠襯墊。

5 施工監(jiān)測結(jié)果分析

上海市軌道交通10號線在本工程區(qū)段內(nèi)全程平行走向，向南行進下行線隧道靠近頂管工程，所以論文僅對下行線隧道監(jiān)測結(jié)果進行分析，上行線監(jiān)測結(jié)果暫不考慮。

本次軌交10號線監(jiān)測，采用精密自動化監(jiān)測與人工監(jiān)測同步進行，相互印正。下行線隧道精密自動化管徑收斂與隧道沉降變化量監(jiān)測點，在頂管區(qū)域段布置點位分別為ZXL117～ZXL091、ZXJ142～ZXJ112（由北向南方向）。監(jiān)測頻率為每兩小時一次，每天一次報告。每天夜間在地鐵停運時人工監(jiān)測一次對自動化結(jié)果驗證復核。

在頂管推進施工周期內(nèi)，自動監(jiān)測約170次。從170次的數(shù)據(jù)結(jié)果分析，單日沉降最大變形值為：-0.91mm，+0.78mm（沉降量正表示測點上抬，負表示下沉）；單日收斂最大變形值為：+2.00mm，-2.00mm（實測斷面位置為水平直徑處，變化量正表示向外伸張，負表示向內(nèi)壓縮）。在此，因10號線已運行多年，原累計的變形量已很大，所以累計沉降量和累計收斂量不作此次的分析指標。

監(jiān)測數(shù)據(jù)變化沿“零”軸上下波動，且均在彈性范圍內(nèi)，今天為正，明天可能為負。頂管施工全周期內(nèi)累計變化值不大于某次的單日最大監(jiān)測值。由此說明在頂管頂推期間，當采取了上述措施后，本超大矩形頂管近距離側(cè)穿軟土地區(qū)對軌交10號隧道無影響，收到了滿意的工程效果。

6 結(jié)語

本工程中，在超大矩形頂管近距離側(cè)穿軟土地區(qū)上海市軌道交通10號線隧道時，附加應(yīng)力很大，土體和周圍建（構(gòu)）筑物極易產(chǎn)生變形。特別是考慮到對軌交隧道的運行安全，采用以下措施：

①隔離樁保護措施。

②減小頂管機殼與管節(jié)的空隙，盡可能減少土體損失。

③做到同步壓漿、補漿。

④動態(tài)控制頂推力，保持開挖面穩(wěn)定，出土量控制在理論出土量的100%。

⑤配置良好的泥漿，減少摩阻力。

⑥微上調(diào)頂進姿態(tài)。

⑦增加防水措施。

工程實踐證明，通過這些措施收到了很好的效果，保證了頂管推進時對軌道交通10號線隧道未產(chǎn)生影響。