復雜環境下大截面矩形頂管施工管線保護技術

施文捷

（上海申通地鐵集團有限公司，上海200031）

1 工程概況

軌道交通2號線東延伸段張江高科站位于浦東新區科苑路、松濤路之間，車站主體位于祖沖之路下，為地下二層島式站臺車站，車站共設有5個出入口。其中1號出入口為矩形頂管出入口，位于車站主體北側，與祖沖之路“十”字相交，采用“地下暗埋箱涵拉頂結合技術”施工，矩形通道總長23.0 m，矩形管節外包尺寸為4 000 mm×6 000 mm，通道結構采用預制鋼筋混凝土管節，管節凈空為3 000 mm×5 000 mm，壁厚500 mm，管節長度為1.50 m，管節之間采用“F”型承插式接口，管節混凝土標號C50，抗滲等級P8，管節內預先放置預埋件，以將管節通過鋼拉索相連。管節頂部覆土約7.20 m。

矩形頂管穿越的祖沖之路下有很多市政管線，由北向南沿祖沖之路走向的有22萬V電力排管、18孔電信排管、φ500上水管、φ300煤氣管、φ2400雨水管等。其中22萬V電力排管、φ2400雨水管為重大市政管線，且分別處于矩形頂管出洞口及進洞口區域，22萬V電力排管邊緣距離南側始發井出洞口SMW工法圍護樁僅1.0 m，φ2400雨水管距離接收井圍護灌注樁僅0.70 m，且基座距離矩形頂管通道頂部距離僅95 cm。始發井北側有中科院上海藥物研究所的危險品倉庫，距離始發井基坑圍護樁最近處僅2.0 m。

工程位置、周圍環境及管線分布見圖1所示。

2 工程地質條件

該工程施工場地平坦，屬濱海平原地貌類型，場地地面標高3.74 m～4.03 m，矩形頂管通道頂標高-3.315 m，底標高-7.315 m。各土層主要物理力學指標見表1所列。

從地質資料來看，矩形頂管主要穿越第③淤泥質粉質粘土層、第④淤泥質粘土層。該兩層土具流變觸變性，擾動后強度迅速降低，矩形頂管施工時，軟粘性土易粘著機頭，造成堵塞；同時，矩形頂管上方存在著③T灰色粘質粉土，該層土極易產生坍塌、流砂、涌水等不良現象，對于矩形頂管進出洞過程中管線保護極其不利。

3 始發井、接收井進出洞土體加固及管線風險分析

3.1 始發井、接收井進出洞土體加固

一般來說，始發井出洞口土體加固至少為6排三軸攪拌樁，但該工程中出洞口上方存在著22萬V電力排管，距離始發井南側圍護樁距離極近，而電力部門規定僅能在電力排管1.0 m外施工。因此，受電力排管位置所限，僅能利用出洞口1排內插700×300的SMW工法圍護樁與后面一排三軸攪拌樁做出洞加固。

受φ2400雨水管及接收井圍護灌注樁的位置的限制，接收井進洞口土體加固僅能采用一排三軸攪拌樁。

3.2 管線風險分析

頂管出洞時，由于正面土壓力還處于摸索階段，因此，很難保證正面土壓力能夠達到實際狀態時的數值，出洞口上方土體不可避免地出現過度隆起或地面沉陷，而22萬V電力管廊正好處于頂管出洞區，極易產生過大沉降而斷裂。

在正常頂進過程中，頂管分別穿越φ500上水、φ300煤氣，該兩條管線一旦沉降過大出現事故，造成的后果極其嚴重，社會影響較大。

頂管機頭進洞區域，φ2400雨水管底部墊層距離頂管頂部約95 cm，接收井圍護形式為鉆孔灌注樁，機頭進洞前需人工破除機頭范圍內的鉆孔灌注樁，且進洞加固僅有一排三軸攪拌樁，頂管上方約2.0 m處為③T層粘質粉土，極易產生流砂，從而造成頂管通道上方水土流失，輕者導致雨水管斷裂滲水、漏水，重者導致整個車站區間被水淹沒。

表1 地層特性表

4 矩形頂管頂進施工管線保護措施

4.1 地下暗埋箱涵拉頂結合施工技術

由于矩形頂管施工過程中機頭不可避免地會產生偏差，因此，一般是通過在機頭中間設置糾偏油缸糾偏，但在糾偏過程中機頭正面土體不可避免地要被擾動，從而造成地面沉降加大，頂管上覆土體及管線沉降變形難以控制。

地下暗埋箱涵拉頂結合施工技術的施工過程基本等同于頂管施工技術，但是與頂管施工采用糾偏油缸糾偏不同，是采用導向拉索控制機頭偏斜，通過頂力與拉力的共同作用使管節前進。在施工過程中通過導向拉索的導向作用，控制機頭沿著預定的方向前進，保證機頭不偏斜，過程中不糾偏，施工對地面沉降影響較小。

4.2 掘進機頭（見表2）

為有效地減小前段殼體的長度，控制掘進機頭掘進過程中的翻轉，根據矩形頂管通道所穿越的地層地質情況，將掘進機頭刀盤系統采用6個刀盤布置在同一平面上。刀盤組合進行正反轉，可有效地控制掘進機頭的側轉，保證頂拉進姿態。為進洞時保證φ2400雨水管的安全，減小刀盤切削時對土體的擾動和保證迎土面土體穩定，在掘進機前端設置長度500 mm的帽檐。

表2 JS4060矩形頂拉掘進機主要技術參數表

4.3 管線保護措施

根據地下管線資料，自始發井至接收井沿頂管通道軸線方向主要有22萬V電力管廊、18孔電信管線、φ500上水、φ300煤氣，φ2400雨水管等管線。其中22萬V電力電纜處在出洞加固影響范圍，易受到出洞階段頂進不均勻帶來的影響；接收井北側的φ2 400雨水管底部埋深達到約6.5 m，與頂管凈距僅為95 cm，在頂進過程中同樣易受到土體擾動的影響，管線隆沉控制難度大。對于該工程來講，位于始發井外的21孔電力電纜及接收井外的φ2400雨水管是該工程的重點保護管線。

頂進前管線主要保護措施：

（1）對21孔電力電纜采取懸吊保護。管線懸吊應結合現場場地要求設置，考慮如下方案：在頂管中心線處電力埋管上方，設置雙層700×300型鋼疊合吊梁對電力埋管進行吊管，然后通過d24鋼絲繩抱箍（鋼絲繩最小破斷拉力281 kN）將電纜箱涵進行懸吊。懸吊前電纜箱涵的基礎四角設∠140×140×12保護角鋼；型鋼疊合梁吊梁搭設在兩側的型鋼外伸梁上，兩者通過焊接連接；在暴露的管線上設置直接監測點，頂管頂進過程中進行時時監測，如果管線發生沉降可通過調節花籃螺絲的松緊來使管線不隨地層沉降產生更大變形，從而有效地控制管線沉降。

（2）對φ2 400雨水管進行內部鋼套環加固。單根鋼環由三節構成，節與節連接采用螺紋連接，鋼環采用10 mm鋼板制成，每節鋼環寬度為600 mm。保護范圍是人行通道的正上方的雨水管道部分，約10 m寬，共需5套鋼內套環。φ2 400雨水管保護措施見圖1所示。

圖1 φ2400雨水管內部接頭加固圖

（3）挖除φ500上水、φ300煤氣管上部土體，在其上部架設φ300鋼管，將φ12鋼筋從φ500上水、φ300煤氣管下部穿越，上部與φ300鋼管焊接，焊接固定前先利用手搖千斤頂將φ500上水、φ300煤氣管拉緊。

（4）在進洞口區域布設降水井。

為降低頂管進洞時的風險，考慮采用降水井降低其水位，控制③T層的水壓力，使之無法形成流砂，確保頂管進洞安全。

參考工程地質手冊，計算流土的臨界水力梯度。

式中：Jcr——臨界水力梯度；

γ′——土的有效重度，kN/m3；

γw——水的重度，kN/m3。

根據勘察報告取值，計算得出臨界水力Jcr為1.86。

取計算安全系數Fs為2.0，則允許水力梯度為：J允=Jcr/Fs=0.93。

根據現場實測，取③T層水位埋深為2.0 m，則其至層底間最大水頭為4.50 m。取③T層平均厚度為2.00 m，則它的最大水力梯度J=2.25。

為了確保安全，需要降低其最大水位為：H=2.64 m。

根據以上計算，結合現場的條件，該項目降水擬布設4口噴射井點，2口降水管井。其中，在接收井與φ2400雨水管間布設2口噴射井點，噴射井點外側4 m位置各布設1口管井。另在φ2400北側布設2口噴射井點。降水井的深度均為12.00 m。原接收井施工期間水位觀測孔G1（深度8.00 m）可作為該工程水位觀測孔。

降水井平面見圖2所示，其結構見圖3所示。

圖2 降水井平面示意圖（單位：mm）

圖3 降水井結構示意圖

根據前期降水預測，在頂管進洞時，應提前2 d開啟噴射井點P1、P2進行降水，控制其水位降深達到2.00 m，即觀測井G1水位埋深4.00 m；然后提前1 d開啟管井Y1、Y2降水，控制其水位降深達到3.00 m，即觀測井G1水位埋深5.00 m。其降水運行工況見表3所列。

表3 降水運行工況表

在頂管進洞前，鑿除灌注樁過程中，機頭上部土體無滲水現象，土體自立性好，無管涌、流砂現象出現，有效地保證了頂管機頭進洞安全。

5 結語

該工程地處交通繁忙地帶，周邊環境復雜，且地下管線眾多，重要管線分別處于頂管進出洞區域，通過科學地制訂管線保護措施，精心地組織施工，全過程地信息化施工，完全可以成功實施。

在矩形頂管施工過程中，由于采用了拉頂結合施工技術，過程中不對機頭進行糾偏。因此，管線沉降均控制在5 mm以內，完全滿足設計要求。

在地下工程施工過程中，無論環境多么復雜，只要采取的技術措施得當，控制地面及管線變形在設計要求以內是完全可以做到的。

城市越來越擁擠，環境越來越復雜，在該工程中采取的管線保護措施，可為同行提供借鑒。

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