矩形頂管技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展*

王 虎，李 棟，陳雪華，汪 旭

(1.珠海市規(guī)劃設(shè)計研究院，廣東 珠海 519000；2.廣州金土巖土工程技術(shù)有限公司，廣東 廣州 510610)

0 引言

地下空間的開發(fā)利用是解決土地資源緊張、交通擁堵、拓展城市空間和緩解環(huán)境惡化的有效途徑[1]。隨著城市化進程的日益加快，在“十四五”時期，我國的地下空間開發(fā)利用將進一步加強。與此同時，地下空間非開挖技術(shù)中的頂管法能做到對地面的小開挖、少開挖，能最大程度降低對周邊環(huán)境的影響，具有經(jīng)濟、高效和環(huán)保等諸多優(yōu)點[2]，在地下空間開發(fā)和城市更新中應(yīng)用日趨普遍，特別是在人口密集、交通繁忙、地面建筑物多、地下管道錯綜復(fù)雜的環(huán)境中，該方法已成為首選方案。

同時由于地下人行通道、車行道等用途的多樣化需求[3]，常規(guī)圓形斷面頂管已無法滿足工程要求，頂管技術(shù)正朝著矩(異)形大斷面、小凈距、淺覆土方向發(fā)展[4]。矩形頂管能充分利用結(jié)構(gòu)斷面，提高斷面利用率，相較于圓形頂管斷面，能節(jié)省約20%的空間，同時矩形頂管相比圓形頂管有更好的淺覆土適應(yīng)能力，從而可以大大降低下穿各類構(gòu)筑物的坡度和深度[5]。近年來，地下空間開發(fā)和城市更新中的矩形頂管隧道項目不斷增多[6-9]，矩形頂管隧道的規(guī)模、用途方面都經(jīng)歷了跨越式發(fā)展，也出現(xiàn)了一些新的技術(shù)特征。

本文通過對近年來矩形頂管隧道項目斷面尺寸、用途、上覆土厚度和穿越地層類型等方面的統(tǒng)計分析，從矩形頂管的選型和背土效應(yīng)控制、不同地層的針對性措施、斷面和用途的發(fā)展以及新技術(shù)應(yīng)用等多方面總結(jié)分析矩形頂管現(xiàn)階段的應(yīng)用與發(fā)展特點，并結(jié)合興業(yè)快線下穿梅華東路矩形頂管項目介紹了頂管機的模塊化利用和穿越上軟下硬土層的技術(shù)方案。

1 矩形頂管技術(shù)的選型與背土效應(yīng)控制

1.1 開挖面支護方式與渣土改良

開挖面的穩(wěn)定性控制是非開挖技術(shù)中的關(guān)鍵，對減小地層擾動起著決定性作用，在盾構(gòu)選型中所形成的三角理論就是以開挖面穩(wěn)定為中心設(shè)置的，并考慮了土體粒徑級配、滲透性、地下水等因素[10]。與盾構(gòu)技術(shù)類似，矩形頂管技術(shù)開挖面支護技術(shù)主要有土壓平衡支護式和泥水平衡支護式，即通過土壓力和泥水壓力來平衡開挖面壓力，但其選型并沒有定量化。如盾構(gòu)技術(shù)中認為渣土含有30%左右的細微顆粒可以確保其塑性流動性，以及根據(jù)地層粒徑級配和滲透性定量化選擇開挖面支護方式[10]，矩形頂管的選型在定量化方面還需進一步發(fā)展。在統(tǒng)計的57個案例中，只有2例使用了泥水平衡頂管，其他均為土壓平衡頂管，現(xiàn)有工程應(yīng)用表明矩形頂管開挖面支護方式多為土壓平衡式[8]。

1.2 上覆土厚度與背土效應(yīng)

矩形頂管由設(shè)置于始發(fā)豎井中的液壓油缸頂推，頂管管節(jié)與頂管機同時向前移動，這個頂推力需要同時克服開挖面壓力和管節(jié)與巖土體摩擦力才能推動頂管機前進。

矩形頂管一般寬度大、埋深較淺，很難形成卸荷拱效應(yīng)，上覆土直接坍塌覆于頂管上表面[5,11]，因管節(jié)與土體產(chǎn)生相對移動，在推進過程中容易出現(xiàn)背土效應(yīng)。使用矩形頂管建設(shè)地下空間是為了減小環(huán)境影響，保持施工上方的正常活動，因此上覆土層的穩(wěn)定性和背土效應(yīng)的控制一直是工程關(guān)注的重點，觸變泥漿減阻技術(shù)的使用在減小了頂推力[12-13]的同時，也可減弱背土效應(yīng)。

T/CECS 716—2020《矩形頂管工程技術(shù)規(guī)程》在頂管機類型選擇時推薦矩形土壓平衡式頂管管頂覆土≥3m，矩形泥水平衡式頂管管頂覆土不小于1倍管節(jié)高度且≥4m，本規(guī)定來自工程經(jīng)驗的總結(jié)，并沒有相關(guān)的理論支撐。而在盾構(gòu)法中相關(guān)規(guī)范規(guī)定地鐵區(qū)間隧道覆土厚度宜≥1D(D為隧道結(jié)構(gòu)外徑)，道路隧道洞口處覆土厚度宜≥0.65D，區(qū)間段覆土厚度宜≥0.85D，其覆土厚度從施工掘進階段上覆土的穩(wěn)定性，使用階段管片的上浮控制都有全面的考慮。

統(tǒng)計案例中矩形土壓平衡式頂管覆土厚度區(qū)間為3～8m，少數(shù)矩形頂管項目中局部覆土厚度超過10m。淺覆土厚度小于3m的唯一案例為南昌大橋西雙孔矩形頂管，覆土厚度僅為1.5m。為了保持上覆地層穩(wěn)定和頂管的安全施工，在南昌大橋西超淺覆土雙孔矩形頂管的頂部及兩側(cè)采用了管幕施工加固，管幕支護結(jié)構(gòu)形式呈倒“山”形(見圖1)，工程上為突破頂管上覆土的最小厚度，在其他措施方面增加了不少投入。

圖1 倒“山”形管幕支護加固示意Fig.1 Reinforcement of inverted “山”shaped pipe curtain support

現(xiàn)有研究表明地層變形與上覆土厚度及力學(xué)性質(zhì)、機(管)土摩擦、開挖面附加應(yīng)力等關(guān)系密切[14-16]，背土效應(yīng)最終表現(xiàn)為土體的隆沉，因此也與這些因素息息相關(guān)。

高毅等[11]、豆小天等[17]和甄亮等[18]以淺覆土矩形頂管正上方土體的整體破壞現(xiàn)象為基礎(chǔ)，研究了“整體背土效應(yīng)”的判斷理論。這種“整體背土效應(yīng)”引入了朗肯被動土壓力理論和莫爾-庫倫強度破壞準則，顯然假設(shè)已經(jīng)達到了破壞階段，變形不可控，這是在工程中所不允許的，也不符合現(xiàn)代應(yīng)用矩形頂管的初衷。

因此有必要基于上覆土厚度及力學(xué)性質(zhì)、機(管)土摩擦等因素研究頂進時上覆土層的變形，并結(jié)合上覆土層變形控制措施，從變形控制的角度提出臨界背土效應(yīng)的判斷理論，為設(shè)計和施工階段提供頂管上覆土厚度的控制標準。

2 矩形頂管技術(shù)應(yīng)用分析

2.1 矩形頂管竣工情況分析

從1999年上海地鐵2號線陸家嘴站5號出入口人行地道成功應(yīng)用矩形頂管，2012年佛山市南海區(qū)桂城街道地下空間項目采用四孔小間距并行頂進，到2018年川大停車場下穿人民南路人行通道項目國內(nèi)首次在砂卵石地層中采用矩形土壓平衡式頂管機，以及2021年上海軌道交通14號線地鐵車站靜安寺站首次采用矩形頂管建造，矩形頂管技術(shù)在城市密集建設(shè)區(qū)、地下空間開發(fā)受限區(qū)以及城市繁忙區(qū)域得到了廣泛應(yīng)用。基于文獻、新聞網(wǎng)站和工程施工案例調(diào)查，對近年(截至2021年底)完工的矩形頂管隧道進行了不完全統(tǒng)計分析(見圖2)，可以看出采用矩形頂管技術(shù)施工的完工項目逐年增加，且矩形頂管采用的斷面面積有不斷增大的趨勢，其斷面面積從最開始的14.44m2增長到了140m2(2020年貫通的嘉興市區(qū)快速路下穿南湖大道頂管隧道)。

圖2 近年竣工的矩形頂管項目統(tǒng)計Fig.2 Statistics of rectangular pipe jacking projects completed in recent years

2.2 矩形頂管使用場合

矩形頂管技術(shù)作為一種非開挖手段，能最大程度降低對周圍環(huán)境的影響，復(fù)雜環(huán)境下越來越傾向于使用該技術(shù)。通過對近十年施工完成的57個案例研究表明，采用矩形頂管施工的工程主要用于下穿城市道路、下穿高速、下穿河道、上跨隧道、下穿隧道和下穿高架橋六方面(見圖3)，對施工區(qū)域上方的商業(yè)活動或車輛通行基本可以做到無影響，避免了對道路的反復(fù)開挖以及情況復(fù)雜的交叉作業(yè)。

圖3 矩形頂管使用場合Fig.3 Application of rectangular pipe jacking

2.3 矩形頂管地層適用性及針對性措施

1)無水砂卵石地層

川大停車場下穿人民南路人行通道項目[7,20](2015年)為國內(nèi)首次在砂卵石地層中采用矩形土壓平衡式頂管機，針對頂部細砂層的穩(wěn)定性控制，一方面采用了在設(shè)備頂部注入稠度較大的膨潤土，使其滲透到拱頂和前方砂礫層中形成泥膜隔離層，泥漿的壓力作用在泥膜上，以支撐拱頂?shù)[層；另一方面預(yù)留超前注漿孔，在設(shè)備掘進前，提前進行注漿加固。

2)富水砂卵石地層

在蘇州城北路綜合管廊矩形頂管工程(2017年)[21]中針對穿越的富水砂層，為降低頂管機始發(fā)及接收時涌水涌砂的風險，對始發(fā)及接收洞門進行加固，以提高土體強度和自穩(wěn)性，同時設(shè)降水井降水減壓；頂進過程中通過注入濃泥漿液、泡沫劑、增稠劑等，改善土倉內(nèi)土體和易性、塑性和止水性能，平衡土壓力，以保持流砂層開挖面的穩(wěn)定。

3)軟土層

廣州地鐵北京路站出入口矩形頂管工程(2018年)成功穿越淤泥質(zhì)土層，項目針對淤泥軟土層對頂管全程進行全斷面注漿預(yù)加固，端頭進行了土體加固，防止機頭始發(fā)時出現(xiàn)“磕頭”，在頂進過程中適當提高頂進速度，使正面土壓力稍大于理論計算值，以減少對正面土體的擾動并防止出現(xiàn)地面沉降。

臺州綜合管廊過永寧河矩形頂管工程(2019年)通過注漿改良土體，改善不良土體的流塑性，嚴控出土量，保證了開挖面的土體穩(wěn)定，成功穿越了永寧河河床底的淤泥層。針對過河段淺覆土頂管施工過程中可能發(fā)生管節(jié)上浮及頂管完成后管節(jié)不均勻沉降的現(xiàn)象，頂管完成后采用了注水泥漿置換觸變泥漿來固結(jié)通道，同時采用槽鋼對管廊管節(jié)進行剛性連接。

4)上軟下硬地層

矩形頂管在穿越上軟下硬地層時，為保護刀盤降低掘進速度，但由于上部土層易坍塌，掘進速度過低對上部土層穩(wěn)定性不利，螺旋出土口可能出現(xiàn)涌水涌砂，同時黏土礦物的存在，導(dǎo)致易結(jié)泥餅[22]，借鑒盾構(gòu)穿越上軟下硬復(fù)合地層的技術(shù)解決方法，矩形頂管為穿越上軟下硬地層可以從地層置換、刀盤改進和渣土改良等方面出發(fā)提出技術(shù)解決方案。

如長沙地鐵6號線韶光站3號出入口在矩形頂管頂進前，對下部的中風化泥砂層進行了鉆孔預(yù)處理，并在鉆孔內(nèi)充填膨潤土；頂進時壓注泥漿和增稠劑，使中風化泥巖與泥漿充分攪拌均勻[23]，順利穿越該地層。

天妃1號為首臺超大斷面硬巖復(fù)合地層矩形頂管機，在設(shè)計中采用了2層三前四后的七刀盤組合，形成了強大的破巖能力和掘進效能。

興業(yè)快線下穿梅華東路矩形頂管在頂進約64m時發(fā)現(xiàn)掌子面下方存在風化巖和孤石，通過水平鉆確定風化巖和孤石分布范圍，采用φ795微型硬巖頂管機對風化巖和孤石進行置換處理(見圖4)。為防止地層損失造成地面及頂管機沉降，選用黏土+改良劑+水配置濃膠泥進行置換，壓泥量設(shè)計為開挖量的1.5倍。

圖4 微型硬巖頂管機Fig.4 Micro pipe jacking machine for hard rock

結(jié)合地層改良、渣土改良和刀盤改進等針對性技術(shù)措施，矩形頂管成功穿越了包括砂卵石層、軟土地層和上軟下硬地層等在內(nèi)的復(fù)雜地層，展現(xiàn)了廣泛的地層適用性，為復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中的應(yīng)用提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

3 矩形頂管斷面和用途發(fā)展分析

3.1 矩形頂管斷面形式

當前矩形頂管斷面的設(shè)計有兩種思路：矩形和類矩形斷面形式，如圖5所示。矩形斷面四邊為平面，四角進行倒角設(shè)計；而類矩形斷面則有利于結(jié)構(gòu)的整體受力，如采用矩形的上部起拱[24]、四邊都起拱[25]等模式。矩形斷面的上部或四邊起拱，是為了改善結(jié)構(gòu)受力，而起拱對于頂管推進的環(huán)境影響，以及后注漿的模式會影響地層變形特性，需要進一步研究。矩形頂管斷面不斷加大，與此同時斷面還是采用結(jié)構(gòu)-荷載法設(shè)計思路，但頂進過程中管片的受力特征和永久工況下的結(jié)構(gòu)受力目前缺少系統(tǒng)研究，管片設(shè)計與結(jié)構(gòu)優(yōu)化缺少理論基礎(chǔ)。

圖5 矩形頂管斷面形式Fig.5 Schematic diagram of rectangular pipe jacking section

3.2 矩形頂管斷面跨高比

以矩形頂管斷面寬度為B，高度為H，定義跨高比為B/H，所得跨高比使用頻次的統(tǒng)計結(jié)果如圖6所示。目前已施工完成的矩形頂管案例跨高比處在1～2.1，其中B/H=1的案例是上海地鐵2號線陸家嘴站5號出入口人行地道頂管工程，為國內(nèi)第1次矩形頂管技術(shù)的應(yīng)用(1999年)；B/H=2.1的案例是深圳梅觀高速綜合管廊采用的矩形頂管斷面(2021年)，同時也是國內(nèi)最大的綜合管廊尺寸斷面。大量的施工案例表明矩形頂管斷面的跨高比集中在區(qū)間1.4～1.7，并以B/H=1.4使用頻次最高，可供設(shè)計施工參考。

圖6 矩形頂管斷面跨高比統(tǒng)計分析Fig.6 Statistical analysis of span height ratio of rectangular pipe jacking section

3.3 尺寸與使用用途的關(guān)系

矩形頂管施工完成后在地下形成條形空間，根據(jù)矩形頂管施工案例的統(tǒng)計分析，矩形頂管使用階段的用途集中于六大類(見圖7)，分別為：地鐵站出入口，地下人行通道(聯(lián)絡(luò)通道)，地下車行通道，綜合管廊，地鐵區(qū)間隧道和地鐵車站，符合矩形頂管施工所形成的條形空間常見用途。

圖7 矩形頂管建造出的矩形空間用途Fig.7 Usage analysis of rectangular space constructed by rectangular pipe jacking

已建成的地鐵站出入口矩形頂管寬度B為6.0～6.9m，高度H為4.0～4.9m，最為常見的尺寸為6.0m×4.3m和6.9m×4.2m，矩形頂管在作為地鐵站出入口時的斷面尺寸相當穩(wěn)定。

作為地下人行通道(聯(lián)絡(luò)通道)的矩形頂管斷面尺寸寬度和高度變化幅度較大，其最大斷面達到了10.42m×7.57m，應(yīng)注意到6.0m×4.3m，7.0m×5.0m和7.7m×4.3m等斷面也多次出現(xiàn)。

矩形頂管隧道用作主干路和次干路的地下車行道，以兩車道為主，在2020年11月份貫通的嘉興市區(qū)快速路下穿南湖大道頂管隧道開創(chuàng)了三車道矩形頂管的先河，也是目前已貫通的最大矩形頂管隧道(14.82m×9.446m)。兩車道的矩形頂管隧道其斷面尺寸寬度最小為10.1m，高度為5.9～7.5m。

綜合管廊的矩形頂管斷面尺寸五花八門，但其中也出現(xiàn)了與作為地鐵站出入口和地下人行通道(聯(lián)絡(luò)通道)使用的頂管隧道相同斷面尺寸，如6.0m×4.3m和6.9m×4.2m。

在建的興業(yè)快線下穿梅華東路矩形頂管尺寸為10.4m×7.5m，四邊起拱，項目以深圳市華為坂田基地與地鐵10號線華為站連接通道所用頂管機(尺寸為10.2m×6.6m)為基礎(chǔ)，通過新作頂管機殼體，改造電氣控制系統(tǒng)、頂鐵等少量部件，重復(fù)利用刀盤、油缸、螺旋出土器和電機等部件，達到了對頂管機模塊的重復(fù)利用，起到了節(jié)約投資、綠色低碳的效果。

矩形頂管隧道發(fā)展到現(xiàn)階段其用途明確，同時地鐵站出入口、綜合管廊斷面尺寸和地下人行通道斷面尺寸出現(xiàn)了交叉使用，而作為地下車行道的斷面以兩車道為主，在一定情況下可以做到頂管機外殼通用。因為斷面尺寸的重復(fù)，矩形頂管具備有發(fā)展出類似于地鐵區(qū)間隧道常見盾構(gòu)直徑的技術(shù)基礎(chǔ)，以常見的斷面尺寸開發(fā)頂管機，可達到頂管機設(shè)計、生產(chǎn)的模塊化和重復(fù)利用。

4 矩形頂管中新技術(shù)的應(yīng)用

4.1 變截面管片

矩形頂管跨度與斷面愈來愈大，管片結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化尤為重要，嵇中[25]基于珠海市興業(yè)快線下穿梅華東路隧道工程研究了變截面頂管結(jié)構(gòu)，通過變截面設(shè)計增加內(nèi)部建筑空間，使原頂管機的建筑限界從僅滿足時速60km以下，提高至滿足時速≥60km的城市地下道路限界需求，研究結(jié)果表明變截面結(jié)構(gòu)受力更為合理，且能減少配筋量和混凝土用量。

4.2 地層變形控制技術(shù)

矩形頂管中地層變形是一個很重要的控制因素[26-27]，本來運用矩形頂管的目的就是為了減少對周邊環(huán)境的影響，維持周邊環(huán)境已有功能，為了增強對地層變形的控制效果，現(xiàn)有工程采用了管幕、斷面注漿等新技術(shù)。

南昌大橋西岸段治堵頂管工程中上覆土層厚度僅1.5m，頂管頂部及兩側(cè)采用了φ299×12鋼管管幕施工加固，以達到控制路面變形的目的。頂管下穿南斯友好路時需鑿除兩側(cè)擋土墻，由于墻后為回填砂層，為防止鑿除混凝土擋土墻后臺背回填砂層坍塌影響路面交通，需對頂管范圍砂層進行全斷面注漿加固施工。

廣州地鐵北京路站出入口矩形頂管工程，全斷面位于淤泥軟土不良地層，地下水豐富，針對頂進施工時易發(fā)生坍塌影響路面交通，對頂管全程進行了全斷面注漿預(yù)加固。借鑒于盾構(gòu)技術(shù)中的盾構(gòu)壁后注漿，頂管施工完成后注入水泥漿置換觸變泥漿來固結(jié)通道，用于減小工后沉降，同時兼具一定的防水效果。

5 結(jié)語

1)現(xiàn)有工程矩形頂管的開挖面支護方式以土壓平衡為主，偶有泥水平衡方式，建立考慮上覆土厚度、土體粒徑級配、滲透性、地下水等因素的頂管選型理論已勢在必行。通過研究上覆土厚度及力學(xué)性質(zhì)、機(管)土摩擦等因素對頂進時上覆土層的變形影響，從變形控制的角度提出臨界背土效應(yīng)的判斷理論，可為設(shè)計和施工階段提供頂管上覆土厚度的控制標準。

2)矩形頂管斷面面積不斷增大，最大斷面面積目前已達到140m2，已完工的斷面跨高比區(qū)間為1.0～2.1，常見跨高比集中于1.4～1.7，可用于設(shè)計施工參考。矩形頂管斷面不斷加大的同時，其計算理論還是采用荷載-結(jié)構(gòu)法，對超大斷面頂管頂進過程的管片受力、永久工況下的結(jié)構(gòu)受力目前缺少相關(guān)研究，管片設(shè)計與結(jié)構(gòu)優(yōu)化缺少理論基礎(chǔ)。

3)矩形頂管用于下穿城市道路、下穿高速、下穿河道、上跨隧道、下穿隧道和下穿高架橋的地下空間開發(fā)受限區(qū)和復(fù)雜環(huán)境的項目不斷增多，結(jié)合針對性技術(shù)措施成功穿越的地層包括砂卵石地層、軟土地層和上軟下硬地層等，展現(xiàn)了良好的地層適用性。

4)矩形頂管建造出的條形地下空間有地鐵站出入口、地下人行通道(聯(lián)絡(luò)通道)、地下車行通道、地下綜合管廊、地鐵區(qū)間隧道和地鐵車站六大使用用途。同時地鐵站出入口、綜合管廊和地下人行通道斷面尺寸交叉重復(fù)使用，斷面尺寸較為集中，矩形頂管機的設(shè)計制造有模塊化和可重復(fù)利用的基礎(chǔ)。

5)從地層改善、渣土改良出發(fā)的新技術(shù)運用為矩形頂管的順利推進和控制地層變形或工后變形提供了技術(shù)手段，有效推動了矩形頂管在更為復(fù)雜地層環(huán)境中的安全應(yīng)用。