復雜工況條件下大斷面矩形頂管接收施工技術*

梅 君，何 凡

(上海隧道工程有限公司，上海 200030)

0 引言

地下空間的開發利用在緩解城市發展空間短缺和提高城市復原力方面發揮著重要作用。城市軌道交通具有運量大、速度快、時間準、乘坐體驗好等優勢，可以連接城市不同地區。隨著城市軌道交通的不斷發展和延伸，新建地鐵線路周邊工況愈加復雜多變，施工空間進一步壓縮，施工難度大。因此在車站附屬結構過街通道施工過程中，為避免管線搬遷、道路翻交及建(構)筑物搬遷所產生的大量費用和工期損失，非開挖工藝特別是大斷面矩形頂管施工工藝得到越來越多的應用[1-2]。

在頂管施工過程中，最關鍵的是始發出洞和接收進洞環節，頂管進出洞環節在很大程度上將決定頂管施工的成敗[3-4]。特別在富水軟土地層條件下，頂管始發接收階段極易發生滲漏風險，引發周邊敏感構筑物變形破壞。南京S8線南延工程大橋站1號出入口通道大斷面矩形頂管工程，接收加固區環境復雜，受制于施工場地條件，有效加固長度僅2m，通過風險分析，綜合采取棄置機殼配合結構現澆[5]，輔以加固區止水補強、增設應急降水井、頂管機增設注漿孔等技術措施，保障了頂管接收安全，同時地表及地面建(構)筑物沉降控制在允許范圍內[6]。

1 工程概況

1.1 頂管通道概況

南京S8線南延工程大橋站主體位于江北新區浦珠北路與大橋北路快速路交叉口，車站為地下2層結構，南北向布置。附屬1號出入口位于車站東側，橫穿大橋北路快速路高路基及輔道的連接通道采用矩形頂管法施工(見圖1)。1號出入口頂管段包含2段，分別為1A—1B出入口頂管段和1A—車站主體站廳層頂管段，本文介紹1A—車站主體頂管段的接收施工技術。

圖1 大橋站附屬1號出入口頂管通道平面(單位：m)

1A—車站主體頂管段通道長約77m，共51節管節，節段長度1.5m，由1A出入口始發，車站主體站廳層接收。通道斷面尺寸為4.9m×6.9m，采用1臺新制的6 920mm×4 920mm×5 327mm多刀盤土壓平衡頂管機進行施工。

1.2 工程地質條件

項目地處江北長江漫灘區域，主要為富水軟土地層。矩形頂管頂部覆土厚度約3.937～6.453m，區間通道掘進地層主要為淤泥質粉質黏土及粉土夾粉質黏土(局部區域下部位于粉砂夾粉土層)，主體接收段位于②2b4層淤泥質粉質黏土。

1.3 周邊環境概況

該段頂管通道周邊環境復雜，區間先后穿越大橋北路快速路高路基及工字堡護坡，在主體站廳層接收井實現接收，如圖2所示。主體接收井部位緊鄰南京市重點保護文物——南京長江大橋北引橋及工字堡護坡，平面距離最近僅為10.42m，既有構筑物修建于20世紀60年代，為薄筏板基礎，上部為砌體結構，整體性差，對沉降變形敏感、保護要求高，施工過程中沉降變形需控制在10mm以內。

圖2 工字堡與頂管剖面(單位：m)

2 頂管接收風險分析

2.1 接收井加固設計

接收工作井位于車站主體站廳層，接收洞門斷面尺寸為7.3m×5.3m，為了保證頂管順利接收，對應部位結構中板施工下沉2m施工臨時接收平臺板，待附屬1號出入口頂管施工完成后鑿除恢復中板。考慮施工場地條件，接收井地基加固設計方案采用1排φ2 000@1 200 MJS工法樁+樁間三重管φ850@1 200高壓旋噴樁，加固區沿洞圈范圍兩側各延伸3m，深度為12m。

2.2 風險分析

2.2.1接收洞門滲漏風險

主體車站已完成軌道工程施工，安裝與裝修工程已基本完成，頂管接收過程若發生洞門滲漏將嚴重影響車站正常施工和周邊重要構筑物的結構安全。洞門滲漏風險主要體現在以下方面。

1)頂管接收區域處于淤泥質粉質黏土層，下伏為粉土夾粉質黏土層及②3d2-3粉砂夾粉土層，其中②3d2-3粉砂夾粉土層為承壓含水層，經驗算承壓水突涌安全系數為1.05，存在承壓水突涌風險，且工程地處長江漫灘地層，各土層間含砂率及含水量高，與長江存在一定的水力聯系。考慮本區間頂管通道掘進土層涉及②3d2-3粉砂夾粉土層，頂管頂進施工過程中造成地層擾動，極易引起水土流失，甚至引發洞門滲漏。

2)接收加固區施工受工字堡護坡影響，既有主體基坑圍護地下連續墻與護坡擋墻間距離僅1.4m，設計進洞加固采用單排φ2 000@1 200 MJS工法樁+樁間三重管φ850@1 200高壓旋噴樁，加固區有效寬度僅為2m，如圖3所示。

圖3 接收井洞門加固平面示意

主體基坑地下連續墻外側設計有五軸攪拌樁槽壁加固，導致MJS工法樁及樁間高壓旋噴樁加固止水受既有五軸攪拌樁槽壁加固影響，施工質量難以保證。同時經歷了主體基坑開挖及結構回筑工況，既有五軸攪拌樁槽壁加固與地下連續墻間的接縫可能會拉開，為承壓水提供了滲漏通道，在洞門破除及頂管接收過程存在滲漏及承壓水突涌風險，如圖4所示。

圖4 接收井洞門加固剖面(單位：m)

2.2.2敏感構筑物沉降過大風險

本區間頂管接收段連續穿越東工字堡護坡、大橋北路快速路及西工字堡護坡后到達主體結構接收井。尤其是護坡區域為大塊拋石砌筑而成，頂管上部覆土發生變化，頂進推力、正面土壓力及刀盤電流等參數突變，若頂進參數調整不及時，極易引起地面重要構筑物發生較大沉降，影響工字堡及北引橋結構安全。

3 頂管接收關鍵技術

3.1 頂管機配置

頂管機是由4個小刀盤和1個大刀盤組成的大斷面土壓平衡頂管機，滿足全斷面切削要求。頂管機前部預留5個土壓感應器，實時掌握全斷面土體壓力。主頂系統由12個300t油缸組成，總推力達36 000kN，最大頂進速度約為40mm/min。大刀盤輸出轉速為1.44r/min，轉矩為1 475kN·m；小刀盤輸出轉速為5.5r/min，轉矩為325kN·m。

3.2 加固區止水補強措施

接收加固區為五軸攪拌樁與單排MJS工法樁相結合，有效寬度僅為2m，考慮攪拌樁施工完畢后先后經歷基坑開挖及結構回筑等工況，導致圍護結構與攪拌樁加固體間存在滲水路徑。為了進一步封堵洞圈周邊圍護結構與加固土體之間間隙，在接收井下部洞圈外側(內襯結構上)打設1圈注漿孔進行水平注漿，開展加固區止水補強施工，如圖5所示。

圖5 洞圈注漿孔位

外圈注漿孔距離洞圈50cm，垂直內襯結構打設，水平間距0.8m，打設深度2.25m，打穿攪拌樁加固體。注漿漿液采用單液漿，由洞圈底部逐步向上壓注，單孔由里而外進行注漿。在進行洞圈注漿時，在不堵管的前提下，選用水灰比0.5～0.6的P42.5級水泥漿液，增大水泥用量，起到封堵洞圈周邊加固土體間隙的作用，穩定注漿壓力0.5MPa，總壓力≤0.8MPa。同時在洞門范圍內提前開設水平探孔，查看注漿效果。

3.3 頂管機棄殼接收

主體段接收井周邊工況復雜，構筑物對沉降變形敏感，保護要求高。為降低頂管接收風險，采用棄置頂管機外殼方式進行接收。即當頂管機前部殼體頂進至洞圈一定行程后，利用頂管機外殼與鋼洞圈形成洞門封閉，管節不脫離頂管機，拆除刀盤、驅動及胸板等構件，保留殼體后進行現澆結構的接收方式，接收工藝流程如圖6所示。

圖6 頂管棄殼接收工藝流程

3.3.1接收洞門止水裝置

由于接收井洞圈尺寸和頂管尺寸存在200mm的間隙，為了防止頂管機接收施工期間土體從該間隙中流失，在接收井洞圈周圍1圈安裝2道彈簧鋼板，內部填充海綿。

3.3.2洞門拆除及頂管頂進施工

1)洞門地下連續墻拆除

洞門拆除應提前打設水平探孔，查看加固區滲水情況，同時安裝上部鋼洞圈范圍內止水裝置。當頂管機刀盤鼻尖靠上地下連續墻時，進行洞門拆除。在接收平臺上搭設腳手架，然后鑿除洞門混凝土，整體上分3次自上而下進行。①第1步 鑿除內層混凝土保護層，鑿除厚度為100mm，切割暴露出的內排鋼筋；②第2步 鑿除厚度為600mm，保留外排鋼筋；③第3步 切除地下連續墻外排主筋及地下連續墻接頭H型鋼外翼板，鑿除角部混凝土，剩余外側保護層及分布筋保留，直接由頂管機頂進破除。

2)接收段頂進施工 ①當靠近接收洞門前10m范圍內，重新復核測量控制點、頂管里程、姿態等數據。在進加固區前，調整最優的頂管姿態。②頂管機第45節管節頂進完畢時，頂管機刀盤鼻尖靠上加固區。逐漸降低切口壓力，推進速度控制在3mm/min。若總推力過高可適當降低土壓力及推進速度，每次土壓調整幅度為0.01MPa，每節出土量控制在51m3左右。③頂管機第47節管節頂進1 050mm時，頂管機刀盤鼻尖靠上地下連續墻。此時加強對刀盤正前方加固土體改良，使加固土體以流塑狀排出，盡量排空土倉內的渣土，逐步降低土壓力，同時前3節管節進行剛性連接。④當頂管機刀盤靠上地下連續墻后，進行洞門鑿除施工，迅速清理洞門內殘余鋼筋，保證接收時無障礙物。⑤洞門鑿除完畢后，在洞圈底部兩側設置軌枕，保證頂管機姿態。頂管機繼續快速向前頂進432mm，此時第48節管節頂進到位，頂管機前殼體出鋼洞圈20cm，設備停機，現場具備洞門封堵條件。

3)洞門封堵及漿液置換

頂管機頂進行程到位，設備停機后，接收井洞門采用10mm厚鋼板快速將鋼洞圈與頂管機前殼體進行焊接，始發井洞門利用最后一節管節背覆鋼板與鋼洞圈實現焊接，同時用雙快水泥封堵縫隙。在鋼板上預設6個注漿孔，封堵結束后通過注漿孔進行洞門注漿，注漿采用雙液漿。

區間始發、接收洞門封堵完畢后，及時進行漿液置換, 選用1∶1的水泥漿液，通過管節上的注漿孔向管道外壁壓注水泥漿，加固通道外土體，消除對通道使用過程中產生不均勻沉降的影響。

4)結構現澆施工

區間洞門封堵完畢后，及時拆除頂管機刀盤、驅動、帽檐及胸板等構件，殼體內部加強勁板的割除應保留 4～5cm剩余高度，減少殼體的受壓變形量。殼體內設備拆解完成后，在機殼四壁內搭設雙層鋼筋網片，并使用七字筋將雙層網片與殼體焊接固定。鋼筋工程完成后，模板安裝按從下往上、由內向外的順序進行安裝固定，側墻及頂板采用盤扣式滿堂支架搭設。棄殼段現澆結構整體分3次澆筑，依次澆筑結構底板及側墻，再進行剩余側墻及頂板澆筑，如圖7所示。

圖7 頂管棄殼段施工

3.4 其他關鍵措施

3.4.1應急降水井

主體接收井洞門下部為粉土夾粉質黏土及粉砂夾粉土層，滲透系數大。考慮到接收加固區范圍有限且存在冷縫，為避免洞門鑿除過程發生滲漏及承壓水突涌的風險，在接收井加固區兩側設置2口應急降壓井，深度為26m。

根據前期現場降水試驗狀況，承壓水初始水位為+0.120m，接收洞門底往上2.0m，開啟J1，同步觀測J2穩定水位為-2.120m(接收洞門底部)。

因此在洞門地下連續墻第2層鑿除完畢后，開啟2口應急降水井，同時頂管機快速頂進到位，洞門封堵完畢后及時關閉，降水井累積開啟時間12h，有效降低了降水對周邊地表及工字堡護坡的影響。

3.4.2應急注漿孔

1)為了保證接收洞口止水效果，在洞門口采取預埋注漿管的措施，當頂管機進入彈簧鋼板后，若出現滲漏現象，利用洞門四周預埋注漿管向洞門壓注聚氨酯，同時快速進行鋼板封堵。

2)頂管機前、后殼體1圈各設置1寸應急注漿孔(共36個)，滿足頂管隧道內快速壓注聚氨酯滲漏處理需求。

4 沉降監測

本區間接收井周邊環境復雜，保護要求高。根據監測方案要求，頂管施工過程中針對1.5倍埋深范圍內的地表及構筑物進行監測。該區間頂管工程已順利施工完畢，施工過程對地表、工字堡及周邊護坡范圍測點進行持續沉降觀測，沉降監測數據如表1所示。

表1 施工期間周邊沉降觀測 mm

由表1可知，頂管施工期間，地表最大沉降值控制在5.39mm、工字堡及護坡周邊最大沉降值控制在3.80mm，均滿足設計±10mm控制指標，工字堡及護坡結構安全可控。其中地表及周邊構筑物沉降變形最大斷面分布在接收加固區與原狀土交界部位。

5 結語

當前頂管區間已經施工完畢，頂管接收期間未發生滲漏、地面塌陷等險情，周邊建(構)筑物沉降變形滿足設計要求，取得了預期效果。本文針對頂管接收的施工技術措施及實施效果進行分析，結論如下。

1)在緊鄰敏感建(構)筑物大斷面矩形頂管工程接收采用棄置機殼+結構現澆的方式能夠極大降低接收風險，保障結構及周邊環境安全。

2)在富水地層中要尤其注意接收加固區的止水效果，必要時進行加固區補強，同時配合輔助降水降低洞門拆除過程的滲漏風險。

3)控制降水井開啟時間，可以有效降低降水對周邊地表及建(構)筑物的影響。

4)頂管接收過程要嚴格控制施工參數，及時進行漿液充填，做好各工序銜接，可以有效控制沉降變形。