軟土地區大斷面矩形頂管淺覆土下穿高速變形控制分析研究

2021-04-26 09:45:14胡文

城市道橋與防洪 2021年4期

胡文

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092]

0 引言

隨著城市建設規模快速向郊區擴張，打通城郊結合地帶由于高速公路阻隔產生的斷頭路的需求越來越高。城市高速公路由于其交通流量的密集性及運輸保通的重要性，往往構成制約貫通兩側道路工程方案推進的關鍵節點。因此，研究如何在保障高速交通安全運營的情況下，控制地下工程穿越施工對高速公路影響的意義非常重要。

選擇城市交通建設過程中下穿高速公路施工方案時，需要考慮以下因素：

（1）高速交通流量大、車速高，路面變形控制要求高，在保通及安全運營需求下對下穿工法的安全可靠性要求嚴格。

（2）下穿高速的道路線形開展受兩側建（構）筑物、道路接線標高及線形等現狀因素影響，下穿高速斷面處地道頂部覆土通常較淺。

傳統的明挖工藝已無法滿足下穿時高速路面保通需求，而盾構下穿對覆土要求較高，頂管法施工則具有對周邊環境影響小、覆土要求適中等[1]優點，因此頂管工藝成為了下穿高速節點中的首選方案。

本工程以上海市陸翔路- 祁連山路貫通工程大斷面矩形頂管下穿S20 外環高速項目為背景，探究軟土地層淺覆土大斷面矩形頂管下穿高速變形控制難題。本工程淺覆土頂管下穿S20 外環高速可為今后軟土地區類似下穿工程提供借鑒。

1 工程概況

上海市陸翔路—祁連山路貫通工程下穿地道南起朱家弄河北側，自S20 外環高速南側入地，下穿S20 外環高速和顧村公園，于鏡泊湖路南側出地面，地道全長約850 m，雙向4 車道。受S20 外環高速道路保通要求和顧村公園環境條件限制，該區段地道下穿采用兩條外輪廓尺寸9.9 m×8.15 m 類矩形頂管下穿施工，兩條頂管之間凈距10.0 m，單向頂進長度445 m，縱坡0.3%。

本工程平面及縱斷面布置見圖1。

圖1 工程平面及縱斷面圖

本工程頂管采用空間利用率高的類矩形斷面，管片采用整塊預制拼裝，如圖2 所示。考慮頂管工藝的特殊性，為降低頂管施工對S20 外環高速的持續影響，頂管從顧村公園北側工作井始發，在S20 外環高速南側工作井接收，僅穿越時對S20 外環高速有一定影響。頂管段全線覆土均較淺，最大覆土厚約6.5 m，其中下穿S20 外環高速頂部覆土僅厚3.50～3.95 m。頂管地道掌子面穿越地層強度低、施工易受擾動，且下穿S20 外環高速附近地下管線眾多，因此施工難度及風險較高。

圖2 類矩形頂管斷面及實景圖（單位：mm）

本工程頂管下穿過程中存在以下幾方面難題：

（1）頂管地道橫斷面較大，斷面尺寸9.9 m×8.15 m，超過國內已實施的最大頂管地道——鄭州市下穿中州大道矩形頂管[2]。且下穿S20 外環高速區段頂管影響范圍較長，若考慮S20 外環高速兩側各1.5 倍開挖跨度作為頂管施工影響半徑，縱向范圍將達70 m 左右。

（2）受頂管接收井南側道路展線限制，頂管下穿S20 外環高速覆土厚度最小處僅3.50 m，約0.35 倍頂管跨度，與上海地區頂管規程[3]及以往工程經驗建議的范圍相差較大。

（3）頂管穿越地層差，主要為③層灰色淤泥質粉質黏土和④層灰色淤泥質黏土，局部穿越③T層灰色黏質粉土夾層。穿越地層強度低、含水量高、滲透性差、壓縮性高、靈敏度高，具觸變性和流變性，施工易受擾動。

（4）S20 外環高速變形控制要求嚴格，經與保護部門溝通，要求在路面保通的條件下將地道頂管施工對路面的變形影響控制在30 mm 以內。

（5）S20 外環高速兩側重要管線眾多，其中南側存在1 根φ1 400 mm 給水管，北側存在1 根φ800 mm次高壓燃氣管線，尚有多根通訊及電力管線。因此，本工程頂管淺覆土下穿S20 外環高速風險及難度艱巨。參考以往頂管施工經驗及數值方法預測，頂管施工前需采取加固措施，以確保S20 外環高速及周邊管線運營安全，并為頂管下穿S20 外環高速時提供緊急情況下的安全保障。

2 頂管加固措施

S20 外環高速是環繞上海城郊結合地帶的環形城市高速公路，路面結構層厚度75 cm。S20 外環高速路面交通流量密集，且重型車輛較多，運輸保通重要性及安全性不言而喻。

考慮到保障S20 外環高速交通運營的重要性，有必要采取保護措施來抑制頂管“背土效應”和施工擾動變形，控制頂管施工影響。而目前工程界尚無下穿S20 外環高速頂管工程案例可循，因此探索可靠的頂管加固措施成為頂管下穿需要攻克的突破點。

鋼管幕加固在上海軟土地道下穿施工中結合箱涵頂進等相似工藝施工有工程案例可循。考慮到本工程地道頂管斷面大，頂管影響范圍廣，對S20 外環高速保護要求高，本工程選擇采用成熟可靠的鋼管幕加固措施，為頂管下穿S20 外環高速提供安全保障。

鋼管幕加固是暗挖工藝中常用的一種加固措施，該方案是利用微型頂管技術在擬建的地下建筑物四周頂入鋼管，然后在鋼管幕的保護下結合其他暗挖工法施工。

鋼管幕加固在下穿隧道保護工程中案例較多。上海中環線北虹路地道采用80 根長126 m、直徑970 mm 的鋼管幕，有效控制了長距離大斷面淺覆土箱涵頂進對西郊賓館和虹橋路的影響，是鋼管幕結合箱涵頂進的經典案例[4]。上海田林路地道下穿中環采用58 根長86 m、直徑800 mm 的鋼管幕，覆土厚度約6.3 m，實現了中環的首次下穿箱涵頂推施工[5]。上海14 號線桂橋路站渡線段則是鋼管幕結合礦山法暗挖工藝在軟土地區的首次試驗應用[6]。拱北隧道采用36 根長255 m、直徑1 620 mm 的曲線鋼管幕，結合凍結暗挖工藝穿越拱北口岸，代表著目前鋼管幕領域所能達到的新高度[7]。

3 鋼管幕加固設計及實施

3.1 鋼管幕設計

鋼管幕中常用直徑有800 mm、1 000 mm 及1 600 mm 等，本工程考慮斷面規模，采用內徑800 mm，壁厚12 mm 鋼管。管幕布置以地道結構中心線對稱布置，鋼管間距考慮施工偏差及剛度等因素采用1 100 mm，底部與頂管凈距300 mm。

鋼管幕平面以頂管接收井為起點，向北至S20外環高速北側燃氣管以北約10 m，單根鋼管長度85 m。每根鋼管由13 節長6 m 的鋼管及2 節長3.5 m 的鋼管采用焊接等強度連接，相鄰鋼管接頭錯開。鋼管幕采用地道頂管接收井作為始發井，接收井布置于S20外環高速北側。

3.1.1 鋼管幕斷面布置

鋼管相對頂管的布置是鋼管幕布置的首要問題，本工程提出如圖3 所示3 種方案進行比選。

圖3 鋼管幕斷面布置圖

方案一：鋼管幕水平布置于頂管頂部范圍，單線13 根，此方案鋼管布置具有施工定位方便，對管幕始發井開洞影響小，管幕基坑開挖淺的優點。

方案二：鋼管幕沿頂管輪廓布置于頂管頂部范圍，單線13 根，此方案鋼管布置有利于頂管導向，且能使管幕形成一定的拱效應。

方案三：鋼管幕沿頂管輪廓布置于頂管頂部及兩側墻范圍，單線21 根，控制變形效果最好，但管幕數量較多，經濟性不佳。方案二、方案三均需增加管幕接收井的開挖深度，且對管幕始發井地墻的開洞影響較大。

由于淺覆土頂管施工中采用鋼管幕控制S20 外環高速變形的機理主要是減小頂管施工的“背土效應”，地道頂管掘進自身的導向功能完全滿足頂管施工需求，因此從管幕施工便利性及經濟性出發，管幕斷面布置采用方案一，水平布置于頂管上方，單線13根，共計26 根。

3.1.2 鋼管幕鎖扣取舍

鋼管幕采用鎖扣的作用是增強鋼管幕之間的橫向連接，提高施工導向作用，當鎖扣空隙內注入固化劑后可形成止水帷幕。但受鋼管幕施工精度影響，當頂進誤差超過鎖扣之間的縫隙時會引起鋼管之間鎖扣接頭困難甚至無法閉合[5]，且增加了開洞洞口的止水難度。不設鎖扣時頂管精度需求適中，可避免上述不利問題。盡管相鄰鋼管橫向相對獨立，但可通過注漿孔往相鄰鋼管之間注漿來提升整體剛度。

數值分析表明，本工程管幕增加鎖扣后對S20外環高速變形控制能力的提升僅約10%，但給管幕頂管施工及洞口止水帶來較大困難，若頂進精度未控制好時，反而會增加對周邊土體的擾動，效果可能適得其反。本工程頂管施工對管幕止水需求不高，因此采用取消鎖扣的鋼管幕形式。

3.2 鋼管幕頂管施工

鋼管幕施工采用3 臺DN800 微型泥水平衡頂管機施工，刀盤選用對周邊土體擾動小的面板形式，如圖4 所示。進、出洞口鋼管幕止水采用壓板配合止水簾布橡膠板形式。鋼管幕穿越土層主要為②1層灰黃色粉質黏土和③層灰色淤泥質粉質黏土，穿越地層強度低，施工易受擾動。鋼管幕頂進過程中，通過采用變頻自動控制進排泥量來控制泥水倉壓力，同時優化泥漿配比、推進速度及刀盤轉速，控制頂進軸線精度等施工參數，并且加強頂進期間的施工監測反饋，實現信息化施工，以此來減少S20 外環高速地表沉降。

圖4 鋼管幕頂管機及施工頂進

鋼管幕施工步序以中軸線鋼管為基準導向管，間隔2 根鋼管跳管施工，以減少相鄰鋼管幕頂進干擾影響。

單根鋼管頂進完成后，及時采用水泥漿液完成泥漿置換及洞口密封施工。待全部頂管頂進完成后，采用C30 自密實混凝土填充，以增加鋼管幕縱向剛度。

現場掘進數據表明：鋼管幕頂進過程中頂力穩步上升，未出現突變，最大頂力約43 t。頂進過程中姿態控制良好，管幕最大切口偏差不大于25 mm。頂力及切口偏差隨掘進里程變化見圖5，圖中“S20 南線、S20 北線”為相對鋼管幕起點位置的示意。

4 數值分析與監測

為分析預測鋼管幕加固控制頂管施工對S20 外環高速的影響，采用有限元軟件Midas GTS NX 進行三維數值仿真。

4.1 數值模型

4.1.1 模型介紹

為消除模型邊界效應，數值模型橫向（x）兩側從頂管外邊各取4 倍頂管開挖跨度；縱向（y）起點取自管幕始發井，終點取為鋼管幕接收井往北延伸4倍基坑開挖深度；豎向（z）上方取自地表，下方取為頂管底向下4 倍頂管開挖跨度。模型尺寸：110 m×55 m×115 m（x×y×z），模型節點88 100 個，單元數145 399 個，計算模型如圖6 所示。

圖5 頂力及切口偏差隨掘進里程變化

圖6 下穿S 20 外環高速三維數值仿真模型

4.1.2 材料參數

地層模型采用能考慮卸荷硬化行為的修正Mohr-Coulomb 本構模型；鋼管幕及混凝土預制管片采用彈性本構模型、2D 板單元模擬，各參數取值見表1。表中：γ 為材料重度；c為黏聚力；φ 為內摩擦角；Es為彈性模量；υ 為泊松比。

4.1.3 主要數值模擬步序

本工程數值模擬根據實際施工工序模擬，主要分析步序如下：

（1）自重應力平衡，地表位移清零。

（2）鋼管幕施工頂進模擬。

（3）東線頂管逐步施工模擬。

（4）西線頂管逐步施工模擬。

S20 外環高速地面超載按城-A 級重型車輛荷載等效成均布荷載，考慮布置于高速地表。

表1 土層及材料數值模型參數

4.2 數值分析預測與監測結果

本工程下穿S20 外環高速共設置4 個監測斷面，各斷面編號從南往北依次命名為S1～S4 剖面，分別設置于S20 上、下行高速道路南、北兩側邊緣帶路面結構上，每個剖面以道路中心線為基點，按3 m間距均勻布置21 個測點。監測范圍為頂管邊緣以外15 m，約1.5 倍頂管開挖跨度。

根據不同施工階段，對數值分析預測結果與監測點數據進行對比分析。

4.2.1 鋼管幕施工

鋼管幕施工完成后，S20 上、下行高速路面豎向變形云圖如圖7 所示。

圖7 鋼管幕施工完成后S 20 高速路面豎向變形云圖（單位：mm）

數值分析預測結果表明，鋼管幕施工完成后，S20 外環高速路面變形整體呈“W”型曲線，管幕處變形較大，最大變形約20.0 mm。主要原因是頂管施工擾動及鋼管幕素混凝土填充后等效重度比原土體大所產生的自重沉降變形。

鋼管幕施工完成后，各斷面監測點數據與數值分析預測結果對比如圖8 所示。

由圖8 可見，數值分析預測結果與監測結果規律基本一致，除S4 剖面西線管幕由于頂進過程中碰到孤石導致監測數據存在畸變點外，其余剖面數值分析預測結果與監測數值吻合度較高。

4.2.2 東線頂管下穿S 20 外環高速

東線頂管施工完成后，S20 上、下行高速路面豎向變形云圖如圖9 所示。

圖8 鋼管幕施工完成后，S 1～S 4 監測剖面測點數值與數值分析預測結果對比圖

圖9 東線頂管完成后S 20 高速路面豎向變形云圖（單位：mm）

數值分析預測結果表明，東線頂管完成后，東線頂管區間S20 外環高速變形整體表現為上抬，主要原因為頂管斷面開挖卸荷后結構底部下方土體回彈，地表變形恢復至約-2.5 mm。

東線頂管完成后，各斷面監測點數據與數值分析預測結果對比如圖10 所示。

東線隧道頂管完成后，受頂管下部土體卸荷回彈影響，鋼管幕亦表現為整體上抬，起點附近受到工作井結構約束，如圖11 所示。

4.2.3 西線頂管下穿S 20 外環高速

西線頂管完成后，S20 上、下行高速路面豎向變形云圖如圖12 所示。

數值分析預測結果表明，西線頂管完成后，西線頂管區間S20 外環高速變形整體表現為上抬，主要原因為頂管斷面掘進后重度小于開挖部分土體的重度，中央分隔帶處最大地表隆起約5.52 mm。

西線頂管完成后，各斷面監測點數據與數值分析預測結果對比如圖13 所示。

西線隧道頂管完成后，上方鋼管幕變形趨勢與東線規律類似，如圖14 所示。

對比結果顯示，數值分析預測結果與監測結果規律基本一致。數值分析預測影響范圍大于實測影響范圍，且由于頂管施工過程中在部分區段采取了主動控制地表變形的“打土”措施來局部抬升地面，導致實測數據存在畸變點，反映出淺覆土大斷面頂管施工地表變形對施工參數的敏感性。監測數據反饋表明，東線上方地表變形曲線輪廓受西線隧道影響較小，反映出頂管施工擾動影響范圍的可控性。