某城市大截面矩形頂管設計

王 吉 翀

(大連理工大學土木建筑設計研究院有限公司，遼寧 大連 116024)

1 工程概況

隨著城市化進程加快，地下空間建造技術的不斷提高和發展，地下工程中頂管施工技術的運用越來越多，其中矩形頂管技術憑借諸多優勢被廣泛采用，矩形頂管比圓形頂管截面利用率高、覆土淺、施工成本低[1]，在地下結構及管線較多的城市中施工時可以減少對其他結構及管線的影響，增大地下空間利用率。

目前國內矩形頂管掘進形式主要以土壓平衡式為主，土壓平衡式頂管利用頂管機最前端的全斷面切削刀盤，將正面土體切削進入刀盤后的貯留密封艙內，使艙內有適當壓力與開挖面水土壓力平衡，以減少頂管推進對地層土體的擾動。國內矩形頂管尺寸最大寬度已達10 m以上，6 m～7 m寬矩形頂管也有很多實際工程應用，矩形頂管頂進長度一般在70 m以內。

深圳市華潤B通道項目位于海德三道下方，為南北走向，長約85 m。通道連接華潤深圳灣綜合發展項目地下室及深圳灣體育中心。連接通道周邊情況：通道下穿海德三道，北側有已經開工的地鐵暗挖隧道；通道下方有地鐵盾構隧道穿越；西側后海站基坑采用連續墻+內支撐聯合支護，深約25 m；南側為華潤深圳灣綜合發展項目大基坑深約26 m，通道上方斜交有5 m×2.5 m的雨水箱涵及燃氣管道、電力管道、污水管道等。本工程位于深圳市后海灣填海區，所在位置原始地貌為濱海灘涂，后進行了人工填海造地，上覆地層主要海陸交互相淤泥、淤泥質粘土、含有機質砂，上更新統沖洪積粘土、淤泥質粘土、砂層組成，表層為較厚的人工填土，人工填土層厚超過5 m，部分地段厚度超過10 m，填筑材料主要為碎石、塊石、粘性土及砂礫。

2 地下連接通道方案對比

2.1 矩形頂管法與明挖法施工方案對比

2.1.1明挖法施工的優點

1)主體土建造價相對較低、施工快捷；

2)適合多種不同地質條件，可以有效的減少線路的埋深；

3)施工工藝簡單、技術成熟、施工安全、工期短、施工質量易保證；

4)防水方法簡單、質量可靠。

2.1.2明挖法施工的缺點

1)需要封閉交通，交通無法完全封閉時需要進行分段施工，會增加施工工期、成本；

2)需要改遷相關地下管線，需要和多個權屬單位進行溝通，增加工程費用及施工工期；

3)明挖法施工為露天施工，施工現場發生的揚塵及噪聲對環境的影響較大；

4)明挖法開挖量較大，對既有地下結構特別是隧道結構進行了較大的卸荷及重新加載的過程且卸荷時間較長，引起了原結構受力狀態的改變，不利于原結構的安全。

2.1.3矩形頂管法的優點

1)施工不需開挖路面，避免了城區道路反復多次開挖的難題，大大降低了對城區交通、環境的影響；

2)施工速度較快，矩形斷面頂管法施工速度可達3 m/d；

3)工程施工占地少，幾乎不受地形地貌變化的限制，不用對地面上的各種市政設施等管道進行改遷、重裝，節省了很大的工程拆遷費用；

4)操作方便，只需在敞開的工作坑內指揮吊裝管段和裝拆延長的管線，不需進入渠道內作業，不僅確保了安全生產而且節約了安全設施費用；

5)土壓平衡頂管施工，對地面及底部土體擾動小，施工安全高，對周邊其他結構影響較小；

6)地下施工，施工期間無噪聲。

2.1.4矩形頂管法的缺點

1)主體結構造價相對較高；

2)矩形頂管法施工適用于軟基地區，頂管機頭對地質條件要求較高，要求線路中不能存在機頭無法切割的障礙物，施工中遇到較大孤石及其他障礙物則需要局部開井的方式去除后才能繼續頂進；

3)結構防水要求高，防水方法相對復雜。

地下通道平面布置見圖1。

2.2 項目特點及方案選擇

本工程位于深圳后海海德三道之下，地面交通繁忙；通道上方雨水箱涵改遷難度較大；本工程位于地鐵11號線紅樹灣站—后海站區間隧道上方，距離地鐵保護區較近，對施工安全性要求較高；隧道范圍內支護結構無法進行樁基施工且為軟基地區，支護結構設計難度較大，施工過程風險較高。

根據上述情況經分析得知，本工程主要結構采用矩形頂管施工法在結構設計及施工過程中更為安全可靠，考慮管線改遷、交通管制等費用后經濟成本更低，同時還可以最大限度減小噪聲及揚塵污染等環境問題。但在進行頂管施工之前需要探明各種管道位置，根據實際位置進行結構設計，提前清除頂進線路中存在的障礙物。

3 大截面矩形頂管的設計

大截面矩形頂管的設計分為工作井結構設計及頂管結構設計。除了結構自身達到設計強度之外，還要考慮圍護結構及頂管結構自身的防水設計。在平面及縱斷線形上需要優化設計以滿足通道線路自身的功能性，同時避開各種管道線路，并不侵犯地鐵保護區。

3.1 矩形頂管工作井設計

工作井的位置需根據現場條件合理選取，根據連接的主體結構預留口、管線位置、已有地下建筑等條件確定。工作井形狀一般有矩形、圓形、腰圓形、多邊形等幾種，其中矩形工作井最為常見，圓形井多用于不同方向頂進及深坑作業。工作井內凈寬度應滿足頂管總寬度+人工操作寬度，人工操作寬度一般至少預留1.2 m以上。工作井的深度應考慮墊層、頂進設備導軌厚度、管道外邊緣至導軌之間的高度。本工程始發井的設計采用矩形鋼筋混凝土箱型體系，內墻凈距為8.9 m×10 m，內設3層φ609 mm鋼管內支撐，支撐預加軸力600 kN，圍護結構采用φ1.2 m@1.5 m鉆孔灌注樁，樁間采用φ0.8 m雙管旋噴樁止水。接收井下方為地鐵及隧道線路，無法進行樁基施工，接收井采用肋板式鋼筋混凝土擋墻結構，內墻凈距6.4 m×10.5 m。本工程始發井采用北側墻體有原狀土，在進行了4排φ600雙管旋噴樁加固后可以作為后座墻使用；始發井南側采用6排φ600雙管旋噴樁加固并注漿以加強止水作用(見圖2，圖3)。

3.2 矩形頂管結構設計

管節截面寬度及高度根據建筑界限要求考慮使用功能、裝修裝飾等多種因素確定，本工程矩形頂管截面尺寸為6.9 m×4.9 m，壁厚0.45 m，為目前全國較大斷面矩形頂管，標準管節長度1.5 m，共31節管節，管節采用C50預制混凝土管片，混凝土抗滲等級為P10，頂進長度為47.1 m。

3.2.1頂管管身受力分析

矩形頂管的受力分析可取1 m或單個管節長度的框架單元分析，設計荷載主要為結構自重、地層壓力、靜水壓力及浮力、地面車輛荷載、人群荷載、施工荷載。在計算時不考慮土卸荷拱作用。頂管在施工過程中自身受千斤頂頂力的抗壓承載力設計一般不控制截面尺寸(見圖4)。

3.2.2頂管設計中的其他問題

1)頂管管片接口采用“F”承插式，接縫防水裝置采用鋸齒形水圈和雙組分聚硫密封嵌縫。

2)由于頂管管片吊裝及拼裝止退需要，每環管片環向設置預留孔洞，每邊設置兩個。

3)為了管片頂進過程中減摩注漿及頂進施工完畢后置換雙液漿需要，每環管片沿環向布置注漿孔。

在開挖施工難以進行或根本不允許進行的情況下，頂管工程可以順利解決明挖法施工難以完成的任務，深圳市地鐵項目繁多，本工程采用矩形頂管施工可以減少對地鐵線路的擾動。

4 本工程在設計及施工中的關鍵問題

1)圍護結構始發井的設計施工難度大，距離市政雨水箱涵較近，對樁基施工精度要求高；實測管涵位置與原圖位置不符，與施工單位溝通后對圍護結構進行了調整,縮小了頂管施工的操作空間。

2)頂管距離上方雨水管涵(1.16 m)及下方地鐵隧道(3.76 m)最近距離較小，在頂進過程中需要根據頂管的設計要求實現實時的調向、糾偏，對頂進系統要求較高。雖然矩形頂管相比圓形頂管較難發生扭轉，但矩形頂管刀盤轉動方式與圓形頂管不同，一旦發生扭轉更難糾正，在頂管始發階段，采取加焊弧形鋼板，限制頂管機身兩側空間，從而使頂管機不能發生扭轉。在頂進階段，可以通過機身兩側抗扭翼板限制機身的扭轉。

3)接收井側現有圍護樁上非可拆卸預應力錨索的拆除難度大，對施工精度要求高。本工程錨索拆除采用了跟管鉆進套取法，將錨索套進空心鉆桿內，通過鉆機沿著錨索方向掘進，直到破除錨索周圍的錨固體拔出錨索。此工程必須要求有經驗的施工單位進行施工，錨索拆除一旦中途失敗將會給后期頂管施工帶來較大困難。本工程在設計及施工過程中充分考慮了工程的各項風險及應對措施，頂管施工后地面沉降、地下管道、周邊圍護結構以及地鐵結構內的監測數據均在可控范圍內。

5 結語

1)本文探討了大截面矩形頂管實際工程的設計及施工，對比了明挖法施工及頂管法施工的優缺點。2)大截面矩形頂管施工技術適用于軟基地區地下通道工程，頂管施工采用土壓平衡式頂管機，可不阻斷交通，不破壞道路和植被，因而可以避免開挖施工所帶來的居民生活和交通干擾，以及對環境建筑基礎的破壞影響，無污染，無噪聲。在開挖施工難以進行或根本不允許進行的情況下，頂管工程可以順利解決明挖法施工難以完成的任務，對于地鐵項目繁多的城市，采用矩形頂管施工可以減少對地鐵線路的擾動。3)本工程中使用的，非可拆卸式錨索拆除技術為地下工程施工帶來了便利，深圳市地下工程繁多，地下支護錨索與擬建工程沖突較為常見，如不提前拆除可能導致盾構刀盤卡死影響工程進展，本工程既有錨索拆除工藝可以解決這一關鍵問題，對錨索拆除技術的應用和發展具有借鑒意義。4)深圳市華潤B通道大截面矩形頂管工程的成功建設，證明了矩形頂管通道在軟基及地下水豐富地區的工程安全可靠，為后續類似工程的設計及施工提供了參考依據。