較大縱坡淺覆土大斷面矩形頂管頂進控制技術(shù)

朱立華，張傳安，陳 雷

(1.杭州市地鐵集團有限責(zé)任公司,浙江 杭州 310017;2.中鐵十四局集團大盾構(gòu)工程有限公司,江蘇 南京 210000; 3.杭州市建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站,浙江 杭州 310005)

0 引言

頂管技術(shù)是一種非開挖掘進式管道鋪設(shè)施工技術(shù),其具有不易破壞既有干線和構(gòu)筑物、對周邊環(huán)境影響小的特點,因此廣泛應(yīng)用于市政工程建設(shè)中。在地鐵興建過程中,出入口有時需要過街或者與其他出入口相連,以達到互聯(lián)互通的目的,由于頂管的優(yōu)點,逐漸應(yīng)用于地鐵出入口施工中。近年來,地鐵出入口頂管施工方面的研究主要有:陳聰?shù)萚1]對武漢首例矩形頂管地鐵出入口施工監(jiān)測及數(shù)值模擬分析,得到武漢長江Ⅰ級階地區(qū)地下通道采用偏心多軸多刀盤土壓平衡式矩形頂管技術(shù)施工的一般規(guī)律;郭建鵬[2]開展了頂管法在地鐵車站出入口下穿通道中的應(yīng)用與設(shè)計研究,降低了下穿道路或管線等構(gòu)筑物的地鐵出入口通道施工風(fēng)險;王凱等[3]分析了富水環(huán)境地鐵站出入口矩形頂管施工加固方案,并采用數(shù)值模擬手段,得到了地表沉降隨頂管掘進深度的變化規(guī)律;申文明等[4]基于寧波土層特性,對頂管工作井的設(shè)計展開了研究分析,詳細(xì)介紹了頂管施工工藝、施工重難點及控制處理措施;彭剛[5]對地鐵出入口矩形頂管近距下穿市政管線進行了研究,認(rèn)為該技術(shù)能很好地適應(yīng)淺埋地層出入口施工,較好地保護地下管線,且具有經(jīng)濟效益可觀、推廣性強的特點;鐘小春等[6]模擬大口徑矩形頂管掘進施工過程,探究其在不同覆土厚度、開挖面頂進壓力、摩擦阻力下引起的地表隆起規(guī)律,并與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析。綜上所述可知,目前頂管在地鐵出入口應(yīng)用主要是出入口修建,對于采用頂管施工兩個不同出入口的連接通道方面,實際案例和研究均較少,因此,探究頂管法施工的出入口連接通道施工方法對于今后軌道交通建設(shè)具有十分重要的意義。

本文以杭州地鐵3號線支線留下站A1-A2出入口連接通道為背景,結(jié)合工程地質(zhì)情況,介紹了始發(fā)井及接收井端頭加固、較大縱坡及覆土較淺頂進控制等施工技術(shù),對頂管變形和地表沉降監(jiān)測結(jié)果進行了詳細(xì)分析,闡述了頂管施工引起的周邊土體變形特征。

1 工程概況

杭州地鐵3號線支線留下站位于天目山路與留和路交叉口、沿留和路布置,車站總凈長161.2 m,站臺寬度14 m,標(biāo)準(zhǔn)段總凈寬21.7 m,共設(shè)有6個出入口和2組風(fēng)亭。結(jié)構(gòu)形式為單層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。附屬結(jié)構(gòu)采用明挖順作法施工,A1,A2出入口為單層單跨框架結(jié)構(gòu),基坑圍護結(jié)構(gòu)為厚度600 mm地下連續(xù)墻,一道混凝土支撐+兩道鋼支撐。

A1與A2出入口采用連接通道相連,通道下穿西溪路,總長度65.8 m、凈寬6.4 m、凈高3.9 m,采用頂管法施工。如圖1所示,A1出入口設(shè)置始發(fā)井,A2出入口設(shè)置接收井,上坡頂進,頂進坡度3.83%。頂管管節(jié)覆土約3.0 m～5.1 m。采用C50預(yù)制自防水混凝土管節(jié),單根管節(jié)寬度為1.5 m,抗?jié)B等級P10,“F”型承插口設(shè)計,管節(jié)厚度500 mm。頂管所在區(qū)域土層自上而下分別為①1-1碎石填土、①2雜填土、④1-1碎石淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、⑨4圓礫等,頂管主要在淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土中。

2 關(guān)鍵施工技術(shù)

2.1 始發(fā)井、接收井端頭加固

頂管始發(fā)井、接收井主要位于④1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土中,頂管出發(fā)和到達前需要對始發(fā)端頭、后背墻、接收井采用高壓旋噴樁進行加固處理。始發(fā)井加固范圍(如圖2所示)為沿頂管頂進軸線方向7.4 m,頂管兩側(cè)各3.5 m,深度自地面至頂管底以下3 m。接收井加固范圍(如圖3所示)為沿頂進軸線方向7.4 m,頂管兩側(cè)各2.1 m,深度自地面至頂管底以下3 m。

高壓旋噴樁參數(shù)為φ800@600 mm,采用三重管工藝,樁身采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥,水灰質(zhì)量比0.8,三重管空氣壓力0.7 MPa,漿液壓力3 MPa,水壓25 MPa,提升速度10 cm/min,旋轉(zhuǎn)速度10 r/min,分段提升噴射搭接長度10 cm ～15 cm,水泥用量不小于20%,超噴攪高度50 cm以上。

2.2 較大縱坡頂進技術(shù)

頂管通道縱坡較大(見圖4),坡度達到3.83%,應(yīng)做好軸線放樣測量工作,始發(fā)端的始發(fā)架應(yīng)采取一定縱坡,讓頂管機在始發(fā)時具備上坡姿態(tài),切實做好始發(fā)端管節(jié)止退架,及時止退,避免管節(jié)脫出。頂進過程中結(jié)合軸線監(jiān)測結(jié)果應(yīng)及時通過在頂管底板和側(cè)墻等處壓注濃泥漿、調(diào)整刀盤轉(zhuǎn)向等來保持頂管姿態(tài)。此外,由于縱坡較大,應(yīng)改進注漿管路,采用多主管布置或分段注漿等措施,確保大縱坡條件下漿液壓注。

2.3 覆土較淺頂進控制技術(shù)

留下站A1-A2過街通道頂管始發(fā)埋深5.0 m,3.83%的上坡坡度,接收段埋深3.0 m,掘進范圍橫穿西溪路。掘進范圍全部屬于淺覆土,掘進中主要采取以下措施保證頂進過程不出現(xiàn)大幅度的沉降。

1)控制掘進速度:初始、接收頂進速度不宜過快,一般控制在10 mm/min～15 mm/min左右,根據(jù)偏差和旋轉(zhuǎn)情況進行調(diào)整。正常掘進速度控制在10 mm/min～20 mm/min。

2)控制土艙壓力:控制開挖面穩(wěn)定的關(guān)鍵是控制作用在開挖面內(nèi)的土壓力,從而控制地表隆起和沉降。通過理論的壓力換算公式綜合頂管工程實際情況,初始土壓力設(shè)定為P始=67.5 kPa,P接=49.5 kPa,過程中根據(jù)地表監(jiān)測情況,通過設(shè)備系統(tǒng)自動調(diào)壓及實時監(jiān)測周圍土體擾動情況,調(diào)整掘進速度,協(xié)調(diào)掘土量與出土量的關(guān)系,保證土艙壓力的穩(wěn)定。

3)控制出渣量:根據(jù)本工程實際土質(zhì)情況,考慮出渣的松散系數(shù)為1.1倍,根據(jù)渣斗尺寸控制每環(huán)的渣土控制量。

4)控制頂進姿態(tài):頂管頂進過程中,需對頂進姿態(tài)進行調(diào)整和控制,若頂管頂進軸線偏差過大,發(fā)生超挖或者欠挖,則會造成管外周地層的損失或土壓變化。因此,本工程頂管頂進過程中,需對頂進姿態(tài)進行實時監(jiān)測與控制,并及時糾偏。

3 現(xiàn)場監(jiān)測分析

3.1 現(xiàn)場監(jiān)測布置

頂管施工過程中除對頂管結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測外,需監(jiān)測地表沉降、建筑物豎向位移及傾斜、管線豎向位移。頂管測點布置如圖5所示,監(jiān)測頂管拱頂下沉、周邊收斂情況。頂管上方的地表沉降監(jiān)測布置如圖6所示,監(jiān)測頂管施工過程中地表沉降變化情況。

3.2 監(jiān)測結(jié)果分析

頂管底部和頂部豎向位移隨時間變化情況如圖7所示。最大底部和頂部豎向位移分別為1.71 mm和4.63 mm,頂部位移大于底部位移,且位移自2022年4月下旬開始變形已趨于穩(wěn)定。

頂管豎向收斂和凈空收斂隨時間變化情況如圖8所示。最大豎向收斂和凈空收斂分別為2.0 mm和3.0 mm,凈空收斂大于豎向收斂,且收斂自2022年4月下旬開始變形已趨于穩(wěn)定。

頂管施工時地表沉降監(jiān)測結(jié)果如圖9所示。42個地表沉降測點中,沉降最大值為-45.73 mm,日變化率為-0.78 mm/d,頂管施工時引起的地表沉降明顯變化,是現(xiàn)場監(jiān)測重點。由圖9(a)可知,地表沉降變化經(jīng)歷快速變化和穩(wěn)定變化兩個階段,頂管施工至測點下方時,地表沉降迅速增大,當(dāng)頂管遠離至測點一段距離后,地表沉降趨于穩(wěn)定。由圖9(b)可知,地表沉降在頂管橫截面方向上分布具有“中間大,兩側(cè)小”的特征,且隨著頂管向前推進,該測點地表沉降曲線特征更加明顯,最后趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)語

以杭州地鐵3號線支線留下站A1-A2出入口連接通道為工程背景,對較大縱坡淺覆土大斷面矩形頂管頂進施工技術(shù)進行了研究與分析,結(jié)論如下:

1)出入口連接通道頂管施工的成功實踐,表明較大縱坡及淺覆土條件下采用提出的端頭加固、頂進控制等施工技術(shù)進行出入口連接通道施工是可行的。

2)由于頂管所處地層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,地質(zhì)條件較差,頂管施工時自身變形在控制范圍內(nèi),但地表沉降部分位置超過了控制值,地表沉降尤其是頂管中部上方的地表沉降是現(xiàn)場監(jiān)測的關(guān)鍵。