大斷面矩形頂管法在下穿既有地下通道工程中的應用

文/劉博海 趙傳亮

1 工程概況

黑牛城道是天津市東南半環快速路的重要組成部分，從新八大里區域中部橫向穿過，兩側為商業地塊，承載交通量較大，地下空間發達。過黑牛城道地下通道主要功能為人行過街，南側連接地鐵11號線內江路站，北側連接下沉廣場，是溝通黑牛城道兩側地下商業空間及地鐵車站的重要通道。

人行通道所下穿的黑牛城道路面下管線眾多，有雨水、污水、輸配水、電信、路燈、廣播電視、天然氣等共22 條管線，其中最深為直徑1.65 m 的雨水管，埋深4.8 m。在施工過程中，不能影響黑牛城道交通且地下管線不能切改。見圖1。

圖1 黑牛城道現狀管線分布

工程場地土為中軟土，場地類別為Ⅲ類，地下水埋深1.10～1.50 m，下穿結構所處的粉質黏土（地層編號⑥4）層為潛水含水層，呈軟塑狀態，屬中壓縮性土。

施工過程中，應盡量減少對地面建筑、地下管線及路上交通的影響，因此需要確定合理的施工方法。

2 工法比選

2.1 初選

城市道路下穿地道的工法分為明挖法和暗挖法兩大類。其中暗挖法包括：圓形盾構法、冷凍法、蓋挖法、大斷面矩形頂管法和管幕法。

明挖法和蓋挖法都無法滿足不斷交、不切改的要求，不適合本工程。盾構法覆土厚度一般不小于盾構直徑，需要較大的埋深，不能滿足地下空間整體規劃高程要求。冷凍法不僅費用高，而且地層的凍脹、融沉對相鄰建筑物的影響大，地層降溫對的地下過水管線影響嚴重。只有管幕法和大斷面矩形頂管法，斷面尺寸和適用條件都滿足要求。

2.2 工法比較

1）大斷面矩形頂管：是一種地下工程非開挖管道鋪設技術，采用矩形頂管機成孔，再將預制成形的管節從頂進工作井頂入，最終形成連續襯砌結構的地道修建技術[1]。目前主要應用于黏土、淤泥質黏土、粉質黏土及砂質粉土等軟土層中。

2）管幕法：是在始發井與接收井之間，利用小型頂管機在擬建地下構筑物四周頂入鋼管，鋼管之間采用鎖口連接并注入防水材料，形成水密性地下空間，成為超前支護。在管幕保護內，施作地下箱體，必要時對前方土體進行水平超前加固，適用于回填土、砂土、黏土、巖層等多種地層。

兩種工法比較見表1。

表1 工法比較

由表1 可以看出，兩種工法方案都滿足黑牛城道不斷交、地下管線不切改的要求。但是矩形頂管法工期較短、安全性較好、技術成熟，而管幕法施工對于地表變形控制差，對快速路影響較大，結合工程實際情況，決定采用大斷面矩形頂管法。

3 大斷面矩形頂管法設計

3.1 總體布設

現狀黑牛城道全寬約70 m，地下人行通道與其相交角度為88.8°。地道頂管段全長93 m，共有62 節，每節長1.5 m。在黑牛城道南北兩側分別設置始發井和接收井，與地下空間負二層相接，兩側建筑標高相同，頂管線路縱斷坡度為水平。頂管結構覆土厚度為8.17 m，管節頂至最大埋深地下管線底的距離約3.2 m。見圖2。

圖2 黑牛城道地下人行通道立面布置

3.2 管節設計

頂管結構為單洞單跨，管節截面為矩形，頂板呈微拱，外輪廓高7.55 m、寬10.4 m、壁厚0.7 m，混凝土強度等級為C50，抗滲等級為P12，整節預制，管節接口采用“F”形承插式接頭[2]，管節之間采用中等硬度的木質材料板作為襯墊。見圖3。

圖3 矩形頂管橫斷面

由于管節頂進過程中減摩注漿、控制沉降及頂進施工完畢后固化注漿的需要，每環管節沿環向布置注漿管。頂管分為A 型和B 型管節，其頂底板減摩注漿管和二次注漿管位置不同，頂推施工時，兩種管節交替排列布置。

3.3 洞口設計

在始發井和到達井主體結構內襯墻上均設置進出洞口，其與頂管管節外輪廓間隙為0.3 m。內襯墻洞口周圍預埋環形鋼板，鋼板錨固鋼筋與墻內主筋搭接焊接。頂管段頂推到位后，現澆構造圈梁與管節連接，圈梁內的構造鋼筋與管節側面的預埋鋼板及洞口環形鋼板焊接。頂進過程中，可能需要根據實際的距離制作非標準長度的特殊環，控制構造圈梁的寬度0.4～0.6 m。見圖4。

圖4 頂管洞口構造

為保證洞門破除后端頭土體的穩定、防止水土流失、避免塌方沉降，對頂管始發和到達位置的進出洞口土體采用三軸水泥土攪拌樁+雙排三重管雙高壓旋噴樁進行加固。加固范圍：管節左右兩側各4.8 m，管節頂面以上4.0 m，管節底面以下5.95 m，縱向（沿頂進方向）加固長度為連續墻外側8.5 m。加固指標：無側限抗壓強度≮1.2 MPa，滲透系數≤1×10-7cm/s，同時確保土體的均勻性、密閉性和自立性。

3.4 防水設計

3.4.1 管節防水

頂管結構遵循“以防為主，剛柔結合，多道設防，因地制宜，綜合治理”的原則，以混凝土結構自防水為主，以接縫防水為重點并輔以防水層加強防水。根據地下水位深度，管節混凝土抗滲等級為P12[3]。見圖5。

圖5 管節防水構造

為滿足接縫防水要求，在管節接縫處設置承插接口鋼套環與防水橡膠圈形成了管節外側防水體系。管節鋼套環與混凝土結構密貼，鋼板與混凝土間設置遇水膨脹橡膠條形成止水帶。在承口與插口接口處設置嵌縫槽，嵌入雙組份聚硫密封膠，保證承口側止水。管節插口混凝土結構外側密貼兩道楔形橡膠圈，施工時插入承口鋼套環內，在插入過程中，橡膠圈被壓縮，密貼鋼套環，形成良好的防水體系。

在管節承口端管壁中上部開槽，嵌入多孔型三元乙丙橡膠密封墊形成第二道防水體系。三元乙丙橡膠密封墊應與多層膠合板具有相協調的壓縮能力，保證拼裝后的防水效果。

管節承口端管壁內側接口處設有聚硫密封膠嵌縫槽，后期注入雙組份聚硫密封膠，形成管片內側防水體系。

因頂管頂進施工的特點，在管節與天然土體之間存在環形空隙，通過同步注觸變泥漿與二次注水泥漿充填空隙，形成一道外圍防水層。

3.4.2 洞口防水

洞口圈梁采用C40 微膨脹混凝土模板澆筑，抗滲等級P10。分別在洞口圈梁與管節端部鋼板、洞門預埋鋼板結合處各設置一條遇水膨脹橡膠止水條，進行洞口圈梁防水。在洞口鋼環處安裝雙層簾布橡膠板，進行頂進過程中的洞口防水。頂管段到位以及構造圈梁完成后，對洞口圈梁與管節搭接部位注漿加固，使頂進過程中松動的土體密實。見圖6。

圖6 洞口防水構造

4 施工流程及要點

4.1 施工流程

1）平整施工場地，機具、設備進場，施工兩端工作井，對進出洞口端頭土體及頂推后背土體進行加固。施作工作井的同時預制頂管管節。

2）工作井內進行頂管設備的安裝調試：軌道梁安裝，后座反力系統安裝，主頂系統安裝，頂管機組裝調試。

3）頂管始發施工：頂管始發推進前安裝好洞門止水裝置，洞門探水并破除，頂管機頂推并進洞。

4）在頂進坑內拼裝預制管節，管節的拼裝和頂進交替進行，直到頂管機到達接收段。

5）對接收洞門探水并破除，頂管機出洞，全部管節頂推到位；澆筑混凝土圈梁封閉洞門；對管節四周進行注漿固結。

6）工作井及地下通道內設備退場；拆除后背墻結構；對管節拼縫進行填充密封。

4.2 施工要點

4.2.1 管節頂進

1）正面土壓力設定。按照Rankine土壓力理論進行計算，得到的數值作為頂管機正面土壓力的最初設定值并在實際頂進后根據頂進參數、地面沉降監測進行動態調整。精確統計出每節管節的出土量，實際出土量控制在理論出土量的98%，以保證正面土體的相對穩定。在頂進時應對頂進速度不斷作調整，找出頂進速度、正面土壓力、出土量的最佳匹配值，以保證頂管的頂進質量。

2）渣土改良。根據施工現場實際情況，頂管掘進段主要穿越⑥4粉質黏土、⑦粉質黏土，由于頂管埋深大，地下水位高，施工過程中采用膨潤土對渣土進行改良，使其具有較好的塑性、流動性和止水性，改良較好土體呈牙膏狀。頂管機設備設計了膨潤土漿液注入口，渣土改良漿液在頂進過程中“隨頂隨注、不頂不注”，確保頂進中充滿整個土倉。注入過程中隨時觀察螺旋機出土狀況，及時調整漿液注入量。

3）頂進出土。頂管采用腹部出土的方式進行，2個螺旋機對向出土。頂進過程中采取平板+小車的方式出土，通過控制室里的電磁閥控制螺旋機轉速，進而控制出土速度。頂管工程中，管內的出泥量要與頂進的取泥量一致，出泥量無論大于或小于取泥量都會使管道周圍的土體發生擾動，造成地面的沉降或隆起；確保出泥量與取泥量一致的關鍵是嚴格控制土體切削掌握的尺度，防止超量出泥。

4）觸變泥漿。頂管管節設置多個注漿孔，壓注觸變泥漿填充管道的外周空隙以支撐地層、減少地層損失、控制地面沉降和減少頂進阻力。頂進時壓漿要及時，確保形成完整、有效的泥漿套，必須遵循“隨頂隨壓、逐孔壓漿、漿量均勻、漿壓適宜”的原則。頂進施工中，觸變泥漿的用量主要取決于管道周圍間隙的大小及周圍土層的特性，由于泥漿的流失及地下水等作用，泥漿的實際用量一般取理論值的3～5倍，在施工中需根據土質情況、頂進狀況及地面沉降的要求等做適當的調整。

4.2.2 施工沉降控制

1）正面土壓力控制。頂管頂進過程中，滿倉掘進，經過改良后土體充滿整個土倉。頂管機正面設置有9個隔膜壓力計，施工前根據地質情況及埋深，初步設定土倉壓力控制值，頂進過程中通過沉降觀測及時調整土倉壓力的實際控制值，實際操作中通過控制頂進速度和螺機出土來調整土倉壓力。

2）出土量控制。頂進施工中出土量采用容積控制法，通過計算，確定頂進一定距離的出土數量，根據每次統計出土量，核算1 環頂進完成后出土總量是否符合要求。

3）紅泥補償。隨著頂管機繼續頂進，后續管節經過地層仍在繼續發生地層損失進而引起地表沉降。通過持續的地表監測，對沉降較大區域所在的管節通過頂部DN150 mm 孔注入提前拌制好的紅泥，以填充損失的地層，減少地面變形。

4.2.3 頂管機姿態控制

1）導向系統。在始發井處設置激光經緯儀，同時在矩形盾構頂管內設置導向靶。通過激光在導向靶上投射斑點的位置來判斷矩形頂管的當前姿態。

2）糾偏油缸。推進過程中實時關注導向測量系統，適時啟動糾偏系統油缸，可用于水平、垂直糾偏，水平糾偏角度1.4°垂直糾偏角度2.1°。糾偏原則：勤糾、微糾、參照趨勢進行糾偏，先上下、后左右。

5 結語

新八大里過黑牛城道地下通道自工作井具備頂管作業條件后，頂管機在1月內組裝調試順利完成，頂管段在頂進2月后順利到達。整個頂管過程安全控制良好，結構未出現滲漏水現象，同時地面及地下管線監測情況正常。

隨著城市的不斷發展，交通系統在升級過程中，為實現其快速通達的要求，越來越多的下穿既有道路的地道項目將被論證建設。大斷面矩形頂管法因具有不開挖現狀路面、不中斷交通、不切改地下管線、地表及管線變形小、無揚塵、低噪音等諸多優點，必將成為城市下穿地道項目重點考慮的方案之一。