? 复杂工程条件下浅埋矩形大断面顶管关键技术与应用研究金 华1，马西峰1，赵立锋1，孙广臣2，3 (1.南京地铁建设有限责任公司，南京 210000; 2.中南大学土木工程学院， 长沙 410075;3.中南林业科技大学土木工程与力学学院，长沙 410007) 摘 要：南京地铁3号线新庄站3号出入口通道采用大断面矩形顶管施工技术，在复杂地质及环境条件下施工难度大。顶管施工区段主要处于淤泥质黏土、粉土及冲积-洪积粉细砂地层，地下水丰富且承压水头高，在掘进中易产生排土不畅或造成砂层固结以及顶管进出洞施工风险较高等问题，对周边建(构)筑物及管线保护要求高，交通疏解难度大且管线迁改工期长。通过周密的现场调查研究，在顶管机选型、顶进参数与姿态控制、渣土改良、环境监测等方面采取一系列科学有效的关键技术措施，逐一攻克各个工程技术难点，确保工程的如期贯通。 关键词：地铁；浅埋；富水软土地层；大断面矩形顶管；工程难点；技术措施 1 概述目前城市轨道交通车站越来越多地采用出入口通道，下穿主干道路在道路两侧分别设置出入口，传统的施工出入口方法有明挖法、暗挖法，明挖法施工工艺成熟，工程成本小，但是需要对道路交通进行封闭，影响地面道路，同时如果通道距周边房屋过近易引起房屋变形或开裂，暗挖法可以避免交通疏解但是在开挖过程中如果地质条件不好(流砂富水)地层时易发生塌方，而采用顶管法对地面无任何影响，施工控制精度高，对周边环境影响小，具有明显优势。南京地铁3号线新庄站位于龙蟠路与新庄立交东侧方向，大致成南北走向。拟建的3号出入口位于车站西南端，横跨龙蟠路，上部有高架桥。由于工程所处周边地段交通繁忙，因而采用顶管法施工。结合南京地铁3号线新庄站项目中的3号出入口(矩形盾构)中的大断面矩形顶管施工，探讨了施工中存在的技术难点及采用的解决措施，以期为今后类似顶管工程设计与施工提供借鉴和参考。 2 工程概况及方案选择南京地铁3号线新庄站3号出入口横跨龙蟠路且上部有高架，采用大断面矩形顶管法施工，两端各设1处工作井，其中始发工作井临近南京国际会展中心旗杆位置，紧邻新庄广场南公交站台西侧；接收工作井部分位于在建的新庄站施工场地内，部分位于龙蟠路车行道上，南林大厦北侧(图1)。 本工程矩形顶管下穿龙蟠路，上部有高架桥，管顶平均覆土深度3.6 m，顶管外包截面尺寸4.9 m×6.9 m，内净空尺寸4 m×6 m，矩形，壁厚0.45 m，管节长度1.5 m；顶管管节采用C50预制混凝土管节，混凝土防水等级为P8；顶管结构全部采用预制矩形钢筋混凝土管节，管节接口采用“F”形承插式，接缝防水装置采用锯齿形止水圈和双组分聚硫密封膏，采用六刀盘土压平衡式矩形顶管机进行掘进施工。顶管工程主要工程量为：管节顶进59.2 m，共38个标准管节。  图1 新庄站3号通道平面位置示意 2.1 工程地质、水文地质及周边管线情况条件2.1.1 工程地质条件 顶管过程所处地层范围内从上至下依次包含有：杂填土层①-1、素填土层①-2b3、粉质黏土②-1b2、粉土②-2c3、(淤泥质)粉质黏土②-2b4、粉质黏土②-3b2、粉质黏土③-1b1-2、粉质黏土③-2b2、粉土③-2c2、含碎石粉质黏土③-3e1、粉质黏土③-3b1-2，其中顶管通道主要位于粉质黏土、粉土地层中。顶管所处地层地质剖面，如图2所示。  图2 新庄站3号出入口及顶管段地质剖面示意 2.1.2 水文地质条件 工程所在场地地下水主要为孔隙潜水和孔隙承压水。工程范围地处阶地～秦淮河漫滩，地下水埋藏浅，勘察期间孔隙潜水水位埋深0.60～1.80 m，年变幅1.5 m(最高水位埋深按0.5 m考虑)。孔隙潜水主要分布于3层土体中，基坑开挖时，坑壁易渗水，不利于基坑稳定；场区内软土、砂土发育，厚度大，水量较丰富，对开挖施工和抗浮不利。微承压水水头较高，测得S10Z12孔3-3el层微承压水水位埋深2.00 m(高程10.56 m，吴淞高程)。场地地下水和水位以上土层对混凝土及钢筋均有微腐蚀性。 2.1.3 出入口周边管线及建筑物情况 3号出入口横穿龙蟠路，本工程段顶管长度59 m，覆土埋深约3.7 m，结构施工范围内管线主要有DN600自来水管、DN500燃气管埋深1.6 m，混凝土雨水管管径1 200 mm，埋深1.2 m，网通24孔(塑)，周边主要建筑物有110 kV高压塔，龙蟠路立交桥(顶管斜穿龙蟠路及其高架，平剖面最近距离分别为2.34 m和1.2 m)。 3 施工方案的确定(表1)表1 出入口过街通道方案比较  方案优点缺点经济指标对比工期明挖法施工风险小、造价低对交通影响大,需要封闭该段交通,需要对管线进行改迁及保护围护100万元,管线改迁21万元,道路破除及恢复21万元,主体160万元,总造价302万元3～5个月暗挖法对交通基本无影响,无需进行管线改迁造价高,需要占用部分既有道路,施工过程中易产生坍塌初支200万元,主体160万元,总造价360万元4～5个月顶管法对交通无影响,无需进行管线改迁,施工风险小通道断面较大顶管472万元,主体170万元,总造价642万元1.5～2个月 综合考虑交通疏解、管线改迁(保护)、经济造价等，确定南京地铁3号线新庄站过街通道施工优先采用顶管法。 4 顶管施工工艺流程及主要技术措施4.1 顶管施工主要工艺流程(图3)  图3 顶管施工工艺流程 4.2 管节设计及内力分析4.2.1 管节结构形式及尺寸 本项目顶管工程全长59 m，设计采用外形尺寸6 900 mm×4 900 mm的矩形钢筋混凝土预制管节，C50防水混凝土(抗渗等级P8)，每环管节为一整体，管节厚450 mm，长1 500 mm，管节总用量为38节。 4.2.2 管节内力分析 管节顶部覆土厚度3.7 m，不考虑地下水位的影响，土体容重20 kN/m3，静止土压力系数取0.5，土摩擦系数取0.4，对管节考虑2种工况进行分析计算：(1)内衬尚未施工，管节起围护作用；(2)管节承受最大顶力作用。结构计算采用荷载-结构模型。 对2种工况[8]进行了钢管节的应力和应变分析，应力分析结果表明：管节最大竖向变形为4 mm，满足规范要求，施工监测的数据显示顶管法引起的地表最终沉降小于规范要求的地表沉降值30 mm。 5 顶管施工关键技术措施及效果分析5.1 工作井施工方法及端头加固 顶管工作井采用明挖法施工，起重始发井最大开挖深度为11.45 m，接收井最大开挖深度为9.3 m，围护结构采用φ800 mm，间距1 000 mm的钻孔灌注桩加内支撑围护体系，围护桩及坑底采用直径800 mm的双管旋喷桩，始发井端头采用6排φ800 mm，间距600 mm的双管旋喷桩加固，加固长度为3.865 m，宽度为13 m，深度11.9 m，接收井端头采用5排φ800 mm，间距600 mm的双管旋喷桩加固，加固长度为3.265 m，宽度为13 m，深度约10.06 m。 5.2 工作井下准备工作5.2.1 洞门止水装置安装 由于洞圈与管节之间存在15 cm的建筑空隙，在始发及正常顶进过程中容易发生涌水、涌沙，施工前在洞门圈上安装帘布橡胶板，橡胶板采用12 mm厚钢板做压板，保证帘布板的密封性能。 5.2.2 基座及顶进后靠、机架的安装 基座必须稳固，在顶进过程中承受各种负载不变形、不位移，基座上两根轨道保持平行、等高。轨道与顶进轴线平行，导轨高程偏差不超过3 mm，导轨中心水平位移不超过3 mm，导轨采用43 kg/m钢轨，机头不直接放置在轨道上，而是放置在机架上，机架与钢后靠连接在轨道上，机架与钢后靠的总质量约8 t，同样在接收井内也需要安装一个机架，下铺设钢轨，随着顶进的进行，轨道沿顶进方向延伸，机架与钢后靠留在工作井内。为保证力的均匀传递，钢后靠根据实际顶进轴线放样安装时，在钢后靠与始发井内衬墙间预留一定空隙(空隙大小为10 cm)，现浇钢筋混凝土填充此缝隙，这样顶管顶进中产生的反顶力能均匀分布在内衬墙上，钢后靠的高程安装偏差不超过5 mm，水平偏差不超过7 mm。 5.3 顶管机吊装及组装定位 顶管机吊装时分前后、上下4部分吊装，前后端尺寸分别为3.6 m×6.9 m×4.9 m和1.8 m×6.9 m×4.9 m，前段上下质量分别为40 t和43 t，后段上下质量均约为32 t，顶管机吊装下井后统一组装，为保证顶管始发轴线控制精度，需要对顶管机进行精确定位，尽量使顶管机轴线与设计轴线相符，顶管机准确定位后，必须反复进行调试，在确定顶管机正常运转后，方可进行始发和正常顶进工作。 5.4 大断面矩形顶管在浅埋富水软土地层中顶进施工关键技术 5.4.1 粉质黏土中掘进施工控制措施 (1)为了防止“砂层流塑性差”现象的发生，在刀盘面板上设置了6个添加剂注入孔，配置了添加剂注入系统，根据需要向开挖面添加膨润土和添加剂，改善碴土的流动性、止水性。 (2)在刀盘转臂及搅拌棒的搅拌作用下能使碴土与添加材料充分搅拌混合，使碴土具有很好的流塑性，利于出土。 (3)掘进中注意土仓中土压力控制，防止由于土压力的失稳从而引起螺旋机喷发和开挖面失稳，引起地面沉降。 (4)为了能更好地改善砂层流塑性和止水性，通过加泥系统向开挖面注入添加剂或发泡剂。由于添加剂对黏土层、砂层及含少量砂砾的地层具有很好的效果，可以有效地改善砂层的流塑性和止水性。 5.4.2 控制地面不均匀沉降的措施 (1)施工过程中根据地质资料，预先分析将穿越地层，了解各层土的物理力学特性，掘进时再比较出土实样，及时调整掘进机姿态，加强施工控制。 (2)顶管结束后，选用1∶1水泥浆液，通过注浆孔置换管道外壁浆液，根据不同的水土压力确定注浆压力，加固通道外土体，消除对通道今后使用过程中产生不均匀沉降的影响。 (3)顶进时按设计轴线、坡度进行，施工中针对实际情况采取“勤测勤纠”、 “小角度纠偏”等纠偏措施。此外，纠偏过程中不能大起大落，如发现在某处产生了较大偏差，也要保持通道以适当的曲率半径逐步返回到轴线上来，尽量避免猛纠造成相邻两段形成大的夹角。 (4)如何形成较好的土压平衡效果而稳定开挖面，防止“喷涌”，控制地表沉降，关键在于渣土改良技术的控制。施工时，根据类似地层的大断面矩形顶管施工经验，确定了适合本工程渣土改良的配合比，使之形成良好流塑性和较低的透水性的牙膏状土体，如图4所示。  图4 渣土改良后形成的牙膏状渣土 (5)加强渣土管理，严格控制出土量，形成正常的土压平衡，螺旋输送机采用双闸门，控制喷涌和出土量。 (6)加强对周边环境的监测，根据监测反馈数据不断的优化顶进施工参数，减少地表沉降量及不均匀沉降，使地面周边环境始终处于可控状态。 通过采取以上技术措施，取得了较好的顶进施工控制效果。 5.5 繁华城区顶管施工环境监测关键技术 在浅埋大断面矩形顶管近接穿越繁杂城区施工时，针对整个施工区域地下管线众多，与建(构)筑物及管线保护要求高的特点，主要采取了以下应对措施。 (1)提前对周边构筑物及管线进行调查和布设监测点，加强与管理单位沟通；同时加强对周边环境的监测及巡视，编制相应的应急方案，并根据建(构)筑物监测反馈情况进行数据分析，防止围护桩施工、基坑开挖或顶管施工造成地面沉降过大甚至塌陷而影响建筑物及管线的安全。 (2)在顶管施工过程中调整好姿态，加强出土量和轴线的控制，尽量减小顶管纠偏量以减小对周围土体的扰动，确保地面周边环境始终处于可控状态。 (3)在掘进过程中严格进行同步注浆，充分填充机尾后通道外建筑空隙，以减少周围土体的水平及垂直位移而引起的地表沉降。 (4)加强对地表的变形、沉降的监测，如发现有较大变位，及时采取措施，防止变形加大，带来不利的后果。顶管顶进完成后，仍需监测，直到沉降变形基本稳定为止。 (5)保证管片拼装质量，防止通道渗漏；保持良好的顶进姿态；在顶管通道顶进完成后，及时对通道周边的土体进行置换注浆加固。 (6)顶管施工保持均衡顶进施工，避免长时间停机，防止顶管机下沉。 (7)针对交通疏解占道及管线迁改，积极主动配合业主进行前期征迁事宜，并提前对场地范围内所有的管线及地下不明建构筑物进行排查。 5.6 繁忙道路超浅覆土过街顶进施工关键技术 由于龙蟠路、新庄高架桥顶管期间不封道，地下管线众多且与顶管间距较近，故对于顶进过程中的地层沉降控制要求较高。针对以上特点，在顶进施工中主要采取了如下关键技术措施。 5.6.1 超浅覆土顶进技术措施 (1)穿越前对全套机械设备进行彻底检查，保证顶进时具有良好的性能。 (2)严格控制顶管的施工参数，防止超挖、欠挖。 (3)严格控制顶进的纠偏量，尽量减少对正面土体的扰动。 (4)施工顶进速度不宜过快，一般控制在15 mm/min左右，尽量做到均衡施工，避免在途中有较长时间的耽搁。 (5)在穿越过程中，必须保持持续、均匀压浆，使出现的建筑空隙被迅速充填，保证通道上部土体的稳定。 (6)克服“背土”现象，利用在机头壳体顶部安装的压浆管和开设的压浆压注减摩泥浆，使土体和壳体上平面之间形成一泥浆膜，以减少土体与壳体的摩擦力，防止背土现象的发生。 (7)注意克服顶管机机头旋转现象，除压浆纠转技术措施外，可利用该顶管机2套独立的刀盘驱动系统分别驱动2个刀盘进行相对或相反方向运转，以达到顶管机总体的力矩平衡。 5.6.2 周边环境沉降监测 选择具有甲级资质的测量单位进行工程全过程监测，以准确、及时地了解路面、管线的沉降情况，并在顶进施工中根据反馈数据及时调整各类施工参数，保证道路和管线的安全。另外，制定周密的顶管穿越道路、管线的施工监控方案及监控计划，并严格执行。 5.6.3 其它施工控制关键技术措施 本工程对于道路、管线的沉降量严格控制在规范要求内(+10～-30 mm)，一旦超标，必须采取补救措施控制沉降量。 (1)调整顶进参数 ①减少正面出土量，提高正面土压力； ②在顶管内超量压注润滑泥浆，提高管节周围土体的应力。 (2)尽可能在路面预留注浆孔备用，每条通道上设置2排注浆管，排距为3 m，轴向注浆管间距为5 m，一旦路面出现严重沉降，及时进行双液注浆。跟踪注浆采用两种不同配比的双液浆，配比分别如表2、表3所示。 表2 缓凝双液浆配比 kg/m3  水泥膨润土水水玻璃2356067557 (3)顶管结束后，及时打开管节上的注浆孔，压入水泥-水玻璃双液浆置换管道外的触变泥浆，防止触变泥浆泌水后引起地层沉降。 表3 速凝双液浆配比 kg/m3  水泥膨润土水水玻璃23560619103 5.7 施工效果 新庄站3号出入口顶管从2014年11月1日始发进行顶进施工，至2014年11月15日贯通，历时15 d，平均日进尺约4 m。顶进施工期间进展顺利，较好地实现了既定的质量和工期目标。 顶进期间，在顶进区域内共布置施工监测点约39个。根据顶管顶进实际情况，每天对顶管顶进范围内陆面沉降、高架桥沉降点等进行了监测。监测结果显示，各项监测数据均在允许范围内： (1)基坑周边地表下沉点累计值≤0.12%H(H为基坑深度)，即20 mm下沉速率2 mm/d，地表下沉点最大下沉为2.68 mm，累计沉降量在规范允许范围内(图5)； (2)周边建筑物沉降量(图6)、倾斜度变化小，均在设计允许范围内。  图5 顶进范围内监测点的每周沉降量(单位：mm) 6 结语在南京地铁3号线新庄站3号出入口通道工程施工中，通过选用大断面六刀盘土压平衡式矩形顶管掘进机、精心施工组织、加强关键技术攻关以及采取科学合理的工程技术措施，解决了矩形大断面顶管在富水软弱复杂地层中顶进施工、近接穿越繁华城区繁杂建(构)筑物及管线密布地段以及繁忙道路不封道浅覆土过街顶进施工等特殊情况下的一系列工程技术难题，确保了顶管工程的安全施工和如期贯通，取得了良好的社会和经济效益。该矩形大断面顶管工程施工中所积累的一系列成功经验，可为类似顶管工程的设计和施工提供较好的借鉴和参考。  图6 顶进期间新庄立交桥的沉降情况(单位：mm)
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