利用多條極小間距矩形頂管建造大型地下商業空間的設計與施工技術

李現森

（中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300133）

利用多條極小間距矩形頂管建造大型地下商業空間的設計與施工技術

李現森

（中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300133）

為解決在無明挖條件下下穿大直徑管線的施工需要，佛山市越秀星匯云錦地下空間開發項目首次通過4條頂管極小間距并行的方式設計建造了一個互通的地下空間，如此小間距的大斷面頂管此前尚無先例。針對這一特殊的結構形式，介紹工程實施過程中遇到的一些特殊問題，如特殊工作井設計、為滿足開洞需要采取的超長管節設計、管節穿錨索防側移設計、復雜地質條件下的凍結開洞及頂管內部進行地基加固等，并介紹工程完成的良好效果，證明了近距離大斷面機械頂管的可行性，提出了該方法存在的一些不足。

地下空間；極小間距；矩形頂管；凍結法

0 引言

隨著城市的發展及工程建設對環境影響控制要求的提高，普通的明挖、礦山法工法已經無法滿足特殊環境敏感地區的建設要求，大斷面矩形頂管法施工地下過街通道已經在國內多個城市成功應用［1－2］。但受施工技術水平、設計水平及經濟條件限制，頂管法依然只是較多應用于下穿復雜建（構）筑物及城市道路等特殊位置。

在理論方面，針對頂管法施工過程中產生的頂推力計算、應力場以及位移場，相關文獻已進行過研究，也結合實際工程的實測數據進行了對比。文獻［3］推導了頂管法管壁摩阻力的理論計算公式，涵蓋了圓形和矩形頂管；文獻［4］對相鄰平行頂管推進引起的附加應力結合彈性力學Kindlily理論進行了分析；文獻［5］通過實測手段分析了頂管引起的地面變形。在設計和施工方面，文獻［6］對頂管法在軌道交通工程中的設計應用從多個方面進行了總結。

目前，國內已知的工程中采用近距離平行頂管的工程尚不多，而且多以小直徑的圓管為主。佛山市南海區越秀星匯云錦開發項目成功完成了下穿南海大道的一個地下空間施工，該項目先平行頂進4條大斷面矩形頂管，然后在頂管間開洞實現互通，從而在非開挖的情況下實現了地下商業和過街通道的目的，為地下空間的開發利用提供了一種新的形式。本文通過介紹該工程設計施工過程遇到的一些問題及解決措施，以期為頂管法的技術提高和應用推廣起到一定的推動作用。

1 工程概況

1.1 項目總體介紹

佛山越秀星匯云錦項目共包括A，B，C 3個地塊，其中A，B地塊分別位于佛山市南海大道的東西兩側，各有4層地下室作為商場和地下車庫，C地塊位于南海大道下，連接A，B地塊地下室，設計功能定位為商業、行車通道以及行人通道，單層。C地塊東西向總長85.0 m，其中下穿道路段長59.0 m，南北寬29.2 m。C地塊上方有1條4.0 m×2.5 m（外徑4.9 m×3.1 m）的排水渠箱，埋深2.0 m，下方有規劃佛山三號線的3條隧道，C地塊結構先于A，B地塊地下室實施。地塊C總平面如圖1所示。

圖1 地塊C總平面圖（單位：m）Fig.1 Plan of the project（m）

鑒于南海大道為佛山市主干道，施工期間不能中斷道路，C地塊需要采用一種既不影響地面交通，又能實現地下較大互通空間的施工方法。

1.2 工程地質

項目地質屬珠江三角洲沖積平原的腹部，原始地貌屬三角洲海陸交互相沉積階地，場地平整。場地內巖土層從上至下依次為填土、淤泥及淤泥質土、粉砂、淤泥、粉質黏土、粉土、粉砂、中砂、殘積土、全風化泥巖或砂巖。C地塊結構所處地層主要是粉砂、淤泥、粉質黏土地層，地基承載力較差，地層標貫擊數為6～12，且含水量豐富，多個鉆孔揭示部分砂層存在中等至嚴重液化特性。地層主要參數如表1所示，地質縱剖面如圖2所示。

1.3 水文地質條件

第四系松散土層孔隙水含水層主要有〈3〉，〈7〉層粉砂層及〈8〉層中粗砂層；淤泥、淤泥質土層上部中賦存有上層滯水，含水層厚度大，屬弱－中等透水，水量較豐富，其上覆土層多為極微透水性的淤泥、淤泥質土層及少量的粉質黏土、粉土層，其具有相對隔水作用，故本場地地下水具承壓性。地下水埋深為1.20～1.50 m。

2 工法選擇及設計難點分析

2.1 工法選擇

佛山南海大道作為城市的主干道，不允許長期或臨時中斷交通，排除明挖法及蓋挖法。根據此處工程地質條件，采用傳統的暗挖法施工風險較高，且地表沉降不易控制，若輔以大范圍的凍結則造價較高且凍脹融沉引起的地表變形較大。

表1 各土層主要物理力學參數表Table 1 Main physical and mechanical parameters of different strata

圖2 地塊C地質縱剖面（單位：mm）Fig.2 Longitudinal profile of geological conditions（mm）

大斷面矩形機械式頂管工法具有地層適應性好、地層變形控制較好及施工速度快的特點，目前在上海、武漢、廣州、佛山等地都有成功應用實例，能夠滿足本工程的需要。綜合比較，本工程過南海大道段選用頂管法施工，選用土壓平衡頂管機［7］。

2.2 工程難點

1）地下互通大空間的實現。要實現地下互通的大空間，就必須首先開辟出大的空間，本工程選用了4條矩形頂管并行的形式，最大限度利用了用地紅線內的地下空間。為充分利用地下空間并方便使用，各條頂管通道之間的間距宜越小越好，但近距離頂管施工在國內尚無先例，設計施工存在較多技術難題。頂管間實現互通需要在頂管通道上開洞以形成連接通道。在本工程之前用于地鐵出入口通道或地下行人通道的矩形頂管的外徑尺寸都在6 m×4 m左右，管節長度多選用1.5～2.0 m的標準長度，管節之間采用企口型及其他柔性接頭。如果采用原有的管節形式，則連接通道的洞門將無法避開管節的接頭位置，將無法保證結構防水效果，為使用期留下滲水隱患。

2）較差的地質條件。頂管段所處地層為粉砂、淤泥及粉質黏土層，富水，地基承載力較差，且存在中等－嚴重液化特性，需要考慮施工期和使用期地基承載力的要求并對液化砂層進行處理。

3）復雜的周邊環境。頂管段所處交通繁忙的南海大道下，并下穿一條大斷面混凝土排水渠箱，頂管與渠箱底最小凈距為0.5 m，頂管施工期間對地層變形的控制要求較高。頂管段下有規劃的佛山三號線區間隧道，其中聯絡線區間隧道頂距離頂管底最小凈距約2.1 m，頂管結構需要考慮后期地鐵施工的影響，對頂管縱向剛度進行加強，以減小后續沉降導致頂管結構變形引發接頭滲水的風險。

4）多次極小間距施工。本工程施工過程中存在多次極小間距施工工況，給頂管吊裝、始發和接收洞門構造設計以及極小間距施工對相鄰頂管的影響分析等方面都帶來較多難題。

結合以上工程難點及特點，為保證極小間距施工中結構的安全和大型地下空間的連通性，必須從管節結構優化、縱向剛度加強及針對性地基處理等方面進行設計優化。

3 主要設計方案

3.1 頂管段功能布置

4條頂管通道從北向南功能定位依次為商鋪、人行通道、商鋪和車行道，如圖3和圖4所示。人行通道和商鋪之間通過6個3 m×3 m和1個5 m×3 m的門洞相連通。最北側通道預留一個5 m×3 m的開洞條件，提供未來與佛山三號線桂城地鐵站之間連接的可能。為縮短通道方便行人，減小開洞的施工風險，并且預留足夠的施工安全距離，同時滿足始發接收端頭預埋鋼環板的空間要求，相鄰頂管之間的設計間距采用0.5 m。

3.2 工作井及地基處理

3.2.1 工作井布置

根據本工程地質條件及周邊環境控制要求，工作井圍護結構采用地下連續墻加內支撐的支護形式，工作井尺寸及支撐布置需最大限度滿足頂管機及管節吊裝要求。由于各條頂管通道之間的間距只有0.5 m，支撐無法完全避開吊裝位置，中間2條通道在頂管機及管節吊裝過程中需要少許平移才能與通道中線對齊。頂管始發井平面布置如圖5所示。

圖3 地塊C頂管通道平面布置圖（單位：mm）Fig.3 Plan layout of underground space formed by pipe jacking（mm）

圖4 地塊C頂管通道橫剖面圖（單位：mm）Fig.4 Profile of underground space formed by pipe jacking（mm）

圖5 頂管始發井平面布置圖（單位：mm）Fig.5 Plan layout of pipe jacking launching shaft（mm）

3.2.2 后靠背地層加固設計

單條頂管頂進的推力一般認為由2部分組成，即頂管機端部阻力和側摩阻力。

單位長度矩形頂管側阻力［3，8－9］

式中：γ為管節所處地層的重力密度，kN/m3；D為管節邊長（文中以等邊矩形為計算對象），m；H為頂管頂部上覆土層的厚度，m；K1為管節周圍土體主動土壓力系數，即tg2（45－φ/2）；ω為管節單位長度的自重，kN/m；f為頂進時，管節表面與周圍土體之間的摩擦系數，選取值參考文獻［9］。

文獻［3］以等邊矩形為計算對象，根據其推導原理，對不等邊矩形可得出單位縱向長度的摩阻力

式中：D1為頂管水平向邊長；D2為豎向邊長；其余符號意義同式（1）。

端部阻力與掌子面中心的靜止土壓力以及頂推的附加應力（刀盤推力與靜止土壓力之差）有關。

對封閉式頂管，文獻［9］給出圓形頂管端部迎面阻力的經驗算式為

式中：Ds為頂管機外徑，m；N為土的標準貫入指數。

對于不等邊的矩形頂管應用式（3）可能有出入，故采用比較直觀的掌子面靜止土壓力，并考慮20%的附加應力。即ps＝1.2λγ（H＋D2/2）D1D2，其中λ為掌子面所處地層的靜止側壓力系數，其余符號意義同式（2）。

由此可得總推力

式中：L為頂管計算頂進長度，m。

根據頂管及周邊地層的參數計算，單條頂管的側阻力最大值約為32 104 kN，端阻力值約為2 529 kN，總推力值為34 633 kN。

根據頂管的最大推力和頂管背后的土工參數計算確定，后靠背采用φ500＠400×400水泥土攪拌樁進行加固，縱向加固寬度為5.0 m。按頂管傳力范圍確定攪拌樁豎向加固范圍為從地面至頂管底以下4.2 m。

3.2.3 始發和接收端頭加固及地層處理

工程所處地層以松散的粉細砂層為主，承載力低，且地下水豐富，此處地質情況非常復雜，鄰近的廣佛線桂城地鐵站在明挖基坑施工過程中曾4次出現涌水涌砂事故，故頂管始發和接收是本次頂管工程的關鍵工序。

為滿足頂管始發止水及洞門連續墻破除階段的強度要求，端頭加固采用了φ600 mm雙管旋噴樁，始發井端頭加固寬度為3.65 m，接收井端頭加固寬度為3.2 m。剖面布置如圖2所示。

3.2.4 地基處理

地勘資料顯示頂管及工作井結構下方都存在較厚的液化砂層。根據抗震規范要求，需要對其進行改良處理，故對工作井基底采用φ500 mm攪拌樁點陣式加固，對頂管通道下部分，受作業高度限制采用通道內注漿方案，管節預制時在底板預留注漿孔，通道貫通后對下部液化砂層注水泥漿，并進行封孔處理。注漿加固范圍如圖2所示。

3.3 頂管管節設計

根據使用功能要求，充分考慮裝修及各設備管線的布設空間，頂管內凈空尺寸確定為6.0 m×4.0 m（寬×高），管節厚度為0.45 m。為方便預制、運輸和吊裝，標準管節長度選擇1.5 m。標準管節立面及剖面如圖6所示。

為滿足通道間開洞需要，本工程在開洞位置設計了加長管節，3 m寬開洞位置管節長度為4.53 m，5 m寬開洞位置管節長度為7.56 m（如圖7所示）。其中4.53 m長管節在施工現場地面預制，吊裝下井；7.56 m長管節采用工作井內現場預制，平移頂進。加長管節的接頭止水措施與標準管節相同。

3.4 頂管開洞

頂管通道貫通后的連接通道施工是本工程的另一個重要風險點。由于開洞本身為礦山法施工，在開洞之前需要對洞門周圍的土體進行加固，以避免地下水和粉細砂涌入通道，造成地面塌陷。最終確定的開洞加固方案是凍結法，凍結孔布置如圖8所示。對于5 m寬的大洞，分2次開洞，過程中對開洞管節用型鋼臨時支頂（如圖9所示），以減小施工風險。

圖6 標準管節立面及剖面布置圖（單位：mm）Fig.6 Profile and cross-section of standard jacking pipe（mm）

3.5 縱向剛度加強措施

頂管通道下方有規劃的3條地鐵隧道，為減小后期隧道開挖過程中對頂管通道造成變形的影響，降低頂管通道運營過程中由于縱向變形導致接頭漏水的風險，除了在頂管下方、隧道上方進行預注漿處理外，對頂管通道采用縱向穿錨索的方式加強縱向剛度。錨索孔在管節預制時預留，管節間預留陰陽榫頭以保證施工時錨索孔道在一條直線上。設計頂板共6束、底板10束5φs15.2鋼絞線。錨索孔剖面布置如圖6和圖7所示。錨索抗拉強度標準值fpk＝1 860 MPa，張拉控制應力為1 395 MPa。

3.6 相鄰頂管施工對已完成頂管的影響分析

文獻［8］提供了一種針對平行圓形頂管之間頂推力相互影響的解析計算方法，參考其圓形截面，按D＝6 m、L＝0.1D、h＝1.5D、μ＝0.3進行簡化，后施工頂管掌子面推力引起的側向峰值附加荷載估算約為70 kN/m（縱向）。不計管節側向與土體的摩阻力，將相鄰通道管節另一側的土體簡化為水平彈簧進行計算（水平基床系數為18 MPa/m），在峰值附加荷載作用下不考慮相鄰管節的縱向約束作用和摩擦力，相鄰通道的管節最大側向位移約為3.9 mm，變形在允許范圍內。

圖7 5 m開洞大管節立面及底板平面布置圖（單位：mm）Fig.7 Profile of large jacking pipe with 5 m opening and planlayout of floor of the jacking pipe（mm）

圖8 頂管開洞周圍凍結管布置現場Fig.8 Layout of freezing pipes around opening

影響相鄰通道管節側向位移的其他因素還包括：管節頂底板與地層間的摩阻力雖有減摩注漿但仍不可忽略；管節縱向嵌套形成抗剪約束不可忽略；錨索的縱向加強作用更增加了相鄰通道的側向剛度；頂管機頂推時的端部壓力是變化的；文獻［4］中采用的Mindlin解析解假設條件為半無限彈性土體，而本工程如此近距離頂推時，中間夾土區域可能已經超過彈性受力范圍，可能與理論解存在出入。

綜合分析，估算后施工頂管對已施工頂管通道的影響不會很大，但由于影響因素復雜需要在施工過程中加強頂推控制，需根據相鄰通道變形情況對頂推參數進行實時調整。

圖9 頂管開洞過程照片Fig.9 Process of opening operation of jacking pipe

4 施工效果

1）由于相鄰通道距離較近，為減小相鄰頂管通道施工的相互影響，4條通道采用間隔施工，從北向南按1—3—2—4的順序頂進，第2，4條頂管施工時（以及1，3條下穿箱涵段）要求控制頂推的平衡土壓。根據施工監測數據，第2，4條施工時，先施工的第1，3條通道側向變形最大位移為5.28 mm，比前面計算的理論解稍大。圖10為實測第2條頂管頂進過程中相鄰2條頂管的側移曲線。從圖10可以看出：第1，3條頂管的側移基本對稱，最大位移為5.26，5.28 mm；從第2條頂管始發開始相鄰的2條頂管（多個測點）整體都在向外移動，似乎與理論計算不符，可能與相鄰2條頂管已經施工了縱向錨索有關。

2）第1，3條頂管在始發和接收過程中洞門都出現了不同程度的涌水，但經過對端頭加固體與連續墻接縫位置進行補充注漿后不再涌水；第2，4條頂管始發和接收時均未出現涌水，旋噴樁在此富水粉細砂地層中的施工效果有待進一步驗證。

3）4條通道施工完成后，實測最大的頂推力約為16 500 kN，與理論計算值34 633 kN相差較大，說明在不斷改進的減摩注漿技術影響下，長距離大斷面頂管將會有更好的適用性。

4）施工過程中地表最大隆起為4.15 mm，最大沉降為26.58 mm，均在設計及規范允許范圍內。排水渠箱最大監測隆起為1.67 mm，最大沉降為4.43 mm，施工過程中排水渠箱結構安全。

圖10 第2條頂管頂進過程中第1，3條頂管的側向位移曲線（2012年）Fig.10 Curves of lateral displacement of No.1 and No.3 jacking pipes when No.2 pipe is jacked in 2012

5）凍結施工過程前后，由于實際凍結土體體積較小（主要是欲開洞門周邊0.5 m厚的土體），凍脹融沉引起的地表變形微小，頂管通道也沒有明顯的側向變形。

6）施工完成后的頂管通道結構外觀較好，無較大的變形、裂縫和滲漏情況，施工控制較好。完成后的通道如圖11所示。

圖11 頂管通道完成照片Fig.11 Effect of jacked pipes

5 結論與建議

1）本文結合以往頂管法的研究成果和設計經驗，介紹了越秀星匯云錦C地塊地下頂管通道工程，該工程采用了4條近距離平行大斷面矩形頂管通道組合形成地下空間的形式，為國內首例。在設計施工過程中針對復雜的周邊環境和地質條件，采用加長管節、井下預制平移頂進、管節中穿加強錨索及凍結開洞等多種措施保障結構的整體性及施工安全，從施工完成效果來看，較為理想。極小間距矩形頂管施工加凍結施工連接通道的總體方案是可行的。

2）盡管多年來已有不少研究成果，但頂管工程離散的結構形式及獨特的施工方式，仍有不少問題值得深入研究。頂推力的計算在采用減摩注漿措施的情況下，既有的計算公式計算結果偏大，目前也有不少工程人員采用經驗摩阻系數進行計算，但這些經驗系數在不同地區、不同地層均存在差異，故對減摩注漿后摩阻系數還需要進一步深化研究。鑒于管節結構之間的非連續性，外部荷載對頂管結構的作用，尤其縱向作用較難評估，文獻［10］曾對頂管管節之間的接頭受力進行過研究，但計算過程較為復雜，對矩形大斷面頂管不易實現，故有待于更進一步研究。

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Design and Construction of Underground Space Formed by Jacking Multiple Adjacent Rectangular Pipes

LI Xiansen
（China Railway Tunnel Survey＆Design Institute Co.，Ltd.，Tianjin 300133，China）

Yuexiuxinghuiyunjin underground commercial space is formed by pipe jacking method.In the paper，the special design of the project，including the special design of the working shafts，the design of the super-long pipes，the design of the anchoring cables to prevent the lateral displacement of the pipes，the design of the freezing and opening operation under complex geological conditions，and the design of the foundation reinforcement from inside the jacked pipes，are presented.In the end，good construction effect has been achieved，which demonstrates that the pipe jacking method adopted is feasible.

underground space；extremely-small spacing；rectangular pipe；freezing method

10.3973/j.issn.1672－741X.2014.04.007

U 45

A

1672－741X（2014）04－0331－08

2013－09－17；

2014－02－08

李現森（1979—），男，河南沈丘人，2008年畢業于石家莊鐵道學院，橋梁與隧道專業，碩士，工程師，主要從事地下工程設計工作。