復雜環境下矩型頂管設計全過程關鍵技術總結

馬建慧，姚顯貴

（中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300308）

隨著軌道交通建設的發展，越來越多的城市開始將矩型頂管工法運用于工程建設，關于矩型頂管方面的研究也隨之變多。彭立敏等[1]、馬鵬等[2]對矩型頂管通道國內外研究現狀和發展趨勢進行了分析探討；徐宏等[3]、韓占波等[4]對淺覆土頂管掘進參數控制與地面變形進行了研究；甄亮等[5]、豆小天等[6]對頂進時產生的背土效應原因進行分析，并給出處理措施；魏綱等[7]、陳聰等[8]對頂管施工過程中部分環節進行了數值模擬分析；林越翔等[9]對管壁摩阻力理論進行了分析探討；王樂等[10]對復雜條件下頂管注漿減阻技術進行了研究。目前對于矩型頂管全過程設計方面的研究與總結相對較少。

1 項目概述

1.1 工程概況

長風街站為太原地鐵2 號線一期第12 座車站，位于長風街與長治路路口南側，沿長治路呈南北走向。本站地鐵過街通道下穿長風街，連接車站站廳層北端與3 號活塞風道，通道全長91.9 m。

長風街站地鐵過街通道位于長風商業中心，周邊建設環境相當復雜。橫跨通道地下管線有13 根，平行通道近距離管線3 根，其中含有多根主干管：DN800/1000 雨水管、DN1000 給水管、3 800 mm×1 400 mm 雨水箱涵和2 300mm×1 300mm 電力箱涵110 kV。過街通道下穿長風街高架橋，正下方為與其近距離并行的長-王盾構區間隧道，如圖1 所示。

圖1 長風街地鐵站方案圖

1.2 水文與地質

工程區地貌單元為太原盆地汾河沖積平原區，長風街站位于汾河東岸一級階地區。過街通道覆土約4.5 m，土層從上至下分別為：雜填土、素填土、粉質黏土，洞身穿越素填土、粉質黏土層。

工程區內河流為黃河流域的汾河水系，場地位于汾河東岸約1.5km 處，地下水受汾河水側向徑流補給影響。地下常水位埋深平均約2.5m，抗浮設計水位地面以下1m。

1.3 工法選擇

通常修建過街通道可采用的工法有：明挖法、淺埋暗挖法、頂管法。若采用明挖法，本工程管線遷改費用高且對商業中心的交通影響持續時間長，造成的間接經濟損失大。若采用淺埋暗挖法，雖然能夠避開交通疏解與管線遷改的問題，但在富水填土層中開挖風險極高，稍有不慎可能會引發冒頂及涌水險情。尤其在城市商業中心，若發生事故造成的影響是不能承受的。

通過MIDAS GTS NX 數值模擬分析，比較淺埋暗挖法與機械頂管法施工時，土體產生塑性區的范圍。若出現塑性區標明該點土體已經達到了抗剪強度，結果如圖2所示。

圖2 土體塑性區范圍示意圖

通過對比頂管法施工產生的塑性區要少于淺埋暗挖法，因此頂管法施工更為安全。綜合比較，太原地鐵2 號線長風街站地鐵過街通道設計采用頂管法最為合適。

2 矩型頂管通道設計

2.1 平縱方案設計

長風街站矩型頂管過街通道下穿長風街高架橋，與長-王盾構區間并行，利用長風街北側3 號風道預留井始發，在長風街地鐵站內接收，全長91.9 m，采用7‰縱坡，如圖3 所示。

圖3 相對位置關系圖

2.2 工作井設計

考慮減小頂進施工對地鐵車站主體的影響，頂管過街通道一般采用站外始發、站內接收的方式。通常情況下，始發井內凈空可按以下考慮。

始發井長度：頂鐵厚度+液壓缸長度+后靠背+max{頂管機長度，2.5 倍管節長度}+0.7 m。

始發井寬度：管節外邊寬+2×（0.8～1.5）m。

始發井深度：管底埋深+max{后澆環梁+預埋鋼環空間，0.5 m}。

通常情況下，接收井的最小凈長度和凈寬度應滿足頂管機在井內拆除和吊出的要求。

本工程頂管機采用六刀盤土壓平衡頂管機，外形尺寸為6 920 mm×4 920 mm×7 800 mm，主機分前盾、中盾、盾尾3 部分。理論上始發井尺寸12 m×9 m（長×寬），接收井尺寸6 m×9 m（長×寬）即可。

2.3 反力墻設計

頂管工程設計中至關重要的一步就是頂推力的估算與反力墻后背土體極限承載力驗算[11-12]。先通過計算估得工程中所需最大頂推力，然后驗算在最大頂推力工況下反力墻后背土體承載力能否滿足。若不滿足應對背后一定范圍內的土體進行加固預處理，否則會導致反力墻體開裂、后背土體剪切破壞。

2.3.1 頂推力估算

根據頂管施工原理，理論上矩形頂管總頂力不應小于頂管機迎面阻力與管節周圍土體摩阻力之和。

規程上給出矩型土壓平衡、泥水平衡式頂管機的迎面阻力計算公式如下

式中：γ 為土的重度；H0為管頂至原狀土地面覆土層厚度；Ka為主動土壓力系數；S為管節外輪廓似矩型面積。

從實際工程考慮該公式偏冒進，頂管頂進時主要依靠刀盤對土體的切削釋放土體應力。理想狀態頂力恰好與土體應力平衡，土壓力為主動土壓。施工過程中千斤頂推動管節前行，難免有時頂力偏大，此時機頭擠壓土體產生被動土壓。綜合考慮，采用靜止土壓力系數計算頂管機迎面阻力較為合適。

頂管頂進最大摩阻力計算公式如下

式中：B為管節外邊長度；H為管節外邊高度；L為頂管頂進長度；f為管節與土體的摩阻力。

管節在土體中頂進，在周圍土體壓力作用下，會對管節產生較大的摩擦阻力。施工過程中為降低摩阻力，通過在管節內部預留的注漿孔注入觸變泥漿（主要起潤滑作用），來降低摩擦系數。采用觸變泥漿減阻后的摩阻力可見表1。

如遇突發情況，長時間停止頂進時，摩阻力可按表1中取值放大1.5～3 倍。

2.3.2 反力墻背后土體驗算

反力墻設計是頂管工程設計中的關鍵環節，主頂油缸將頂推力通過反力墻傳遞至背后土體。反力墻一般分為整體式和裝配式2 類，在地鐵工程中，通常利用其附屬結構作為始發井，這種屬于整體式反力墻。

整體式反力墻在頂推反力、后背土體抗力、井壁摩阻力共同作用下，維持受力平衡狀態。初始頂推力較小，頂推反力與背后土體靜止土壓力平衡。隨著頂推力增加，頂推反力與背后土壓、井壁摩阻力平衡。當頂推力很大時，井體開始變形，產生與頂進反向的位移趨勢，僅需微小位移就可使始發井前壁土體達到主動土壓力。當位移足夠大時，后背土體達到被動土壓力，此時為受力臨界狀態，若頂推力繼續增加，后背土體將發生破壞，進而墻體開裂。始發井臨界狀態受力示意圖如圖4 所示。

圖4 始發井臨界狀態受力示意圖

臨界時刻，反力墻最大允許頂力計算公式如下

式中：Epk為反力墻后背被動土壓力合力標準值；Eak為始發井前壁主動土壓力合力標準值；ξ 為合力作用點不一致折減系數；h為總頂力合力點距工作井底板距離；hp為被動土壓力合力至工作井底板距離。

太原地鐵2 號線長風街站矩型頂管過街通道頂進長度91.9 m，穿越第四系全新統，土層主要為素填土、黏質粉土、粉質黏土。最大頂力估算為13 700 kN，反力墻最大允許頂推反力估算為21 100 kN，反力墻背后土體無須加固。

2.4 管節結構設計

本工程頂管管節外輪廓6.9 m×4.9 m，壁厚0.45 m，標準節長1.5 m，混凝土采用C50，抗滲等級P10。

預制管節環向設置了3 排注漿孔，分別為DN50壓漿孔（用于頂進完成置換注漿），DN25 壓漿孔（用于頂進時減阻注漿）和DN12.7 壓漿孔（用于頂進完接縫止水壓漿）。混凝土管節設計圖如圖5 所示。

圖5 混凝土管節設計圖

2.5 通道防水設計

本工程結構防水等級為一級。由于管節采用的混凝土抗滲等級較高，且采用工廠預制，管節自身的質量容易得到保證，管節自身的防水通常不會出現問題。因此防水設計的關鍵是保證管節與管節接縫處、首尾環管節與工作井接縫處不漏水。

2.5.1 管節接縫防水

目前頂管隧道管節接縫形式主要有承插式、企口式、平口連接[13]。綜合考慮接頭強度、密封性、耐久性和施工便捷等因素，本工程設計采用了F 型承插式接縫，如圖6 所示。

圖6 管節接縫防水設計圖

該接縫處防水采用了3 道防水體系，第一道防水為管節外側的承口鋼套環+彈性密封止水圈；第二道防水為接縫中部的橡膠密封墊；第三道防水為預留防水體系，采用聚硫密封膠嵌縫+接水盒。

2.5.2 工作井接口防水

管節與工作井接口處的防水設計需要結合首尾管節的設置方式（最后一環管節切割、預留鋼筋接駁器或預埋鋼板）。綜合考慮施工風險及防水效果，本工程設計采用預制特殊管節（預埋鋼板）的方式，如圖7 所示。

圖7 工作井接口防水設計圖

該接口處采用了2 道防水體系，第一道防水為后澆環梁與管節、工作井結合處分別設置2 道遇水膨脹止水條；第二道防水為后澆環梁內預埋注漿管注漿+C35 細石混凝土填充。

2.5.3 始發與接收洞門防水

在施工過程中，始發與接收時洞門防水效果好壞直接關系到現場施工安全。實質上洞門的防水主要依靠對端頭土體加固，降低土的滲透系數來隔斷地下水滲流。其次在工作井內部洞門預埋鋼環上設置簾布橡膠板來進一步阻隔頂進過程中的泥水。當覆土超過10 m 應采用雙層簾布止水橡膠板，覆土超過15 m 還應增加鋼絲刷止水裝置[14]。本工程由于埋深較淺，水壓不大，在洞門處設置了一圈簾布橡膠板。

2.6 監控量測設計

頂管始發前，對長風街站的周邊情況進行詳細的調查，并按照設計和規范要求[15]進行地表、管線、建構筑物進行監測點布置。本工程監測等級為一級，測點布置如圖8所示，主要監測內容見表2。

表2 施工監測內容

圖8 施工測點橫斷面圖

在頂進過程中，根據實時監測數據及時調整頂進參數、出土量、注漿壓力，確保地表沉降控制在設計和規范的要求范圍內。

3 重要技術措施

3.1 沉降控制措施

3.1.1 渣土改良與出土

優良的渣土改良效果有利于出渣量的精確控制，保持土艙壓力的穩定、連續，掌子面的穩定[16]。渣土改良一般通過將改良劑（水、泡沫劑、膨潤土）加注到刀盤前方，來降低土的內摩擦角，增加土體的流動性和塑性，使出土更容易，更均勻，一定程度上減少沉降。頂進時應控制實際出土量與理論出土量偏差不大于2%。

3.1.2 頂進姿態與速率

頂管掘進過程中，遵循“勤測量、勤糾偏、微糾偏”的原則，控制矩形頂管機前進方向和姿態。掘進施工過程中應對頂管水平軸線、高程、偏轉和機姿態等進行測量，并對測量控制基準點進行復核，發生偏差時及時通過糾偏油缸糾正。此外進入接收井前應提前再次進行矩形頂管機位置和姿態測量，并根據進口位置提前進行調整。

始發和接收時，頂進速度應稍放緩，控制在5～10mm/min 為宜。正常頂進階段，速度宜為10～20 mm/min；頂進時應不斷調整掘進速度，優化頂進速度、土倉壓力與出土量的最佳值。

3.1.3 同步注漿與二次注漿

同步注漿即在頂管頂進施工的同時持續注入觸變泥漿，使管節與周圍土體之間形成一層約2 cm 厚的泥漿套。泥漿套一方面起到潤滑減阻的作用，使得管節頂進更順暢；另一方面，完整的泥漿套可以有效減弱頂管頂部的背土效應[9]，降低對土層擾動，減少頂進過程中的地面沉降。

二次注漿即在頂進完成后，通過管節預留注漿孔，注入水泥砂漿來置換觸變泥漿，同時永久填充管節與土體之間的縫隙，降低工后地面沉降。

3.2 管節止退措施

頂進初期，管節進入土體的長度較短，摩阻力較小。通常在添加管節主頂油缸回縮時，由于摩阻力不足以抵消掌子面被動土壓力，管節會出現輕微的回退。這會導致管節接縫不嚴密，進而增加后期滲漏水風險。工程中采用止退支架（與平臺固定），在主頂油缸消力回縮前，將止退銷插入管節側面的手孔內，來達到管節止退的目的。止退支架圖如圖9 所示。

圖9 止退支架圖

3.3 端頭加固措施

矩型頂管通道穿越地質主要為填土和粉質黏土，土層可塑較軟，地下水位高，始發與接收涌水、土體塌方的風險較大。此種情況下對端頭土體進行加固處理，可降低土的滲透系數并且提高其抗壓強度，可以有效降低始發和接收時的工程風險。由于場地范圍內地下管線多且復雜，地面加固條件不理想，本工程采用洞內深孔注漿加固，加固范圍長度方向6 m，環向3 m。同時在加固范圍內，頂管通道兩側打設了2 口應急降水井，確保在如此復雜的環境中施工，安全順利。

4 工程影響分析

4.1 社會環境影響

本工程位于太原市商業中心長風商務區，長風街為市內主干路，交通流量巨大。過街通道采用非敞開式施工，最大限度保留了商業中心主干路的原狀交通、對正常出行效率幾乎沒有造成任何影響。由于采用了頂管機機械施工，該過街通道洞通僅用了1.5 個月，做到了持續時間最短，對社會影響最低。

4.2 工程安全性

本工程場地地下水位高，洞身穿越素填土、粉質黏土層，地層敏感易擾動變形。選取通道正上方距離始發井5 m、40 m處測點，地表沉降與頂進距離關系曲線如圖10 所示。

圖10 地表累計沉降與頂進距離關系圖

頂進過程中測點1（加固區）與測點2（非加固區）的地表沉降趨勢是相似的：頂管機剛經過時，地表開始出現隆起變形，大致通過時隆起變形最大，這是由于頂進過程中彌補頂管機殼引起的地層損失，保持一個稍大的土倉壓力來控制地面沉降，從而導致地表隆起趨勢；隨頂進距離增加機頭后方土體逐漸出現沉降趨勢，這是由于管節與土體間隙中填充觸變泥漿，觸變泥漿失水及管節頂板背土效應引起地表沉降。由于始發接收端頭土體進行了加固，使得該處土層黏聚力與內摩擦角增大，有效降低了土層沉降變形。

作為太原地區首個矩型斷面頂管過街通道工程，施工中實時監測、動態調整頂進參數，通過一系列信息化施工使得地面沉降保持在安全范圍。

4.3 經濟效益

本工程采用頂管法并成功實施，給社會帶來了很大的經濟效益。其一，工期較短且非敞開式施工，對周邊商業幾乎沒有造成影響。其二，采用頂管施工避免了通道上方DN800/1000 雨水管、DN1000 給水管、3800 mm×1 400 mm 雨水箱涵、2 300 mm×1 300 mm 電力箱涵110 kV 等管線的遷改，較傳統明挖法施工節省管線遷改費用近2 500 萬元。其三，地鐵車站通過本過街通道與2 個大型商業綜合體結建，給其商業帶來了極大的流量。

5 結論與建議

1）隨著城市建設的發展，軌道交通周邊建設環境也愈加復雜。越來越多的工程需要面對難以進行交通疏解與管線遷改的巨大壓力。在這種環境下，非敞開式的機械施工方法成為一種必要選擇。如何從設計與施工的各個環節把控好工程質量安全與進度，成為工程設計重點思考的內容。

2）在矩型頂管工程設計時，總頂力估算和反力墻驗算是理論計算的關鍵環節。由于總頂力估算中摩阻力系數取值有一定的經驗性，且結合現場施工存在加大頂力的操作及考慮中途停機等突發狀況，摩阻力計算應保守考慮，同時端面土壓力宜按靜止土壓力計算。反力墻背后土體驗算建議按整體式反力墻考慮。

3）在矩型頂管現場施工過程中，管節減阻注漿和適時調整頂進參數是關鍵措施。完整的觸變泥漿套，可以有效降低頂進阻力，減少背土效應，降低地面沉降。做好渣土改良的同時，通過適時調整頂進參數，控制出土量，實時糾偏來保證頂進施工質量。

4）太原地鐵2 號線長風街站地鐵過街通道工程是太原地區大斷面矩型頂管工法的首次應用。在非常復雜的環境下，成功將地表沉降控制在規范和設計要求的范圍內，同時帶來很大的社會經濟和環境效益。這在本地區對矩型頂管工法具有極大的推廣意義，也為后續頂管工程提供經驗和參考。