城市密集區(qū)超大斷面矩形頂管設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)*

盧康明，王金一，黃德中，王未墨

(上海隧道工程有限公司，上海 200032)

0 引言

上海軌道交通14號(hào)線靜安寺站是國(guó)內(nèi)首次采用非開(kāi)挖頂管法工藝施工的車(chē)站[1]，且車(chē)站暗挖段位于中心城區(qū)交通密集區(qū)，隧道處于富水軟弱土層，存在深覆土施工、下穿眾多市政管線、側(cè)穿人行天橋及高架橋樁等眾多難點(diǎn)。就項(xiàng)目中存在的難題通過(guò)新方法、新材料、新設(shè)備等方式進(jìn)行針對(duì)性探討，提出相應(yīng)的施工控制技術(shù)，為后續(xù)非開(kāi)挖頂管車(chē)站施工提供參考。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

靜安寺站位于華山路與延安中路交叉路口的華山路下方，沿華山路南北向布置，為地下3層島式站臺(tái)車(chē)站，與已建成通車(chē)的2號(hào)線、7號(hào)線靜安寺站形成三線換乘樞紐。車(chē)站主體沿線路方向分A，B，C三區(qū)(見(jiàn)圖1)，其中A區(qū)、C區(qū)均采用明挖順作法實(shí)施(西側(cè)半幅蓋挖)，B區(qū)采用頂管法實(shí)施。

圖1 項(xiàng)目平面

靜安寺站B區(qū)分為站臺(tái)層與站廳層，3條隧道長(zhǎng)度均為82m。站臺(tái)層隧道斷面尺寸為 8 700mm×9 900mm，站廳層隧道斷面尺寸為4 880mm×9 500mm。站臺(tái)層頂管隧道埋深15.17～15.37m，設(shè)置4條聯(lián)絡(luò)通道。站廳層頂管隧道埋深4.84～5.01m。站臺(tái)層2根頂管水平間距2.0m，站臺(tái)層與站廳層垂直間距為5.4m，站廳層頂管覆土為4.6m，站臺(tái)層頂管覆土為15.2m。站臺(tái)層頂管外徑為9.9m×8.7m，壁厚為525mm；站廳層頂管外徑為9.5m×4.88m，壁厚為550mm。

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，站臺(tái)層穿越土層主要為④灰色淤泥質(zhì)黏土、⑤1-1灰色黏土及⑤1-2灰色粉質(zhì)黏土，站廳層穿越土層主要為③灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及④灰色淤泥質(zhì)黏土，聯(lián)絡(luò)通道位于⑤1-1層中。本工程頂管推進(jìn)范圍內(nèi)不存在微承壓水、承壓水，但土層含水量較高，在受擾動(dòng)的情況下仍可能形成一定的地下水向洞門(mén)區(qū)滲漏，影響頂管順利進(jìn)出洞。

2 針對(duì)性設(shè)計(jì)與施工措施

2.1 頂管機(jī)針對(duì)性設(shè)計(jì)

針對(duì)本工程周邊管線多、地面沉降要求高、地鐵車(chē)站軸線要求嚴(yán)等特點(diǎn)，頂管機(jī)采用針對(duì)性設(shè)計(jì)如下(見(jiàn)圖2,3)。

圖2 站臺(tái)層頂管機(jī)刀盤(pán)面斷面

圖3 站臺(tái)層頂管機(jī)設(shè)備剖面

1)全斷面切削

站臺(tái)層頂管機(jī)采用大刀盤(pán)+周邊偏心刀盤(pán)形式，站廳層頂管機(jī)采用2個(gè)大刀盤(pán)+4個(gè)中刀盤(pán)+2個(gè)小刀盤(pán)組合，可做到百分比切削，避免頂管機(jī)背土現(xiàn)象產(chǎn)生。

2)切削外徑控制

由于頂管施工軸線主要為直線，此次切削外徑單邊控制在15mm，有效避免由于注漿不及時(shí)引起的殼體段及管節(jié)段沉降。

3)提高糾偏裝置安全性

此次糾偏鉸接裝置在傳統(tǒng)3道主密封基礎(chǔ)上[2]，增加了尾部鋼板束及頭部緊急密封氣囊，規(guī)避開(kāi)啟鉸接千斤頂糾偏時(shí)漏水漏漿風(fēng)險(xiǎn)。

4)新增糾偏中繼間

在原有1道本體糾偏鉸接裝置的基礎(chǔ)上增加1道糾偏中繼間，進(jìn)一步增強(qiáng)頂管機(jī)糾偏能力，有效控制隧道姿態(tài)。

2.2 管節(jié)針對(duì)性設(shè)計(jì)

針對(duì)本工程處于城市密集區(qū)施工具有運(yùn)輸難度大、施工場(chǎng)地狹小、單環(huán)管節(jié)質(zhì)量大(50t)、土層含水量高、地面不均勻沉降等特點(diǎn)，對(duì)頂管管節(jié)采用了如下針對(duì)性設(shè)計(jì)。

1)復(fù)合式管節(jié)設(shè)計(jì)

站臺(tái)層頂管管節(jié)設(shè)計(jì)成復(fù)合管節(jié)(鋼管節(jié)+混凝土內(nèi)襯)，施工階段為鋼管節(jié)，隧道貫通后通過(guò)內(nèi)部澆筑混凝土形成復(fù)合管節(jié)，增強(qiáng)管節(jié)防水性能，提高管節(jié)整體剛性。站廳層頂管管節(jié)采用傳統(tǒng)的混凝土管節(jié)形式，提高施工效率，保證管節(jié)耐久性。

2)鋼管節(jié)拼裝平臺(tái)[3]

鋼管節(jié)設(shè)置成2個(gè)C形塊，采用分塊制作、分塊運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)后，通過(guò)拼裝鋼平臺(tái)再拼裝合攏焊接成環(huán)，解決管節(jié)占三車(chē)道運(yùn)輸?shù)慕煌y題。

3)管節(jié)翻身吊裝裝置

本工程設(shè)計(jì)1個(gè)全新的自動(dòng)翻身裝置，該管節(jié)吊運(yùn)和翻身裝置由橫擔(dān)式吊架、吊臂動(dòng)力端、吊臂被動(dòng)端、電器控制箱組成。解決傳統(tǒng)的自重式翻身架[4]存在重大安全隱患且施工效率較低的問(wèn)題。

4)管節(jié)接頭設(shè)計(jì)

站臺(tái)層管節(jié)接頭采用“F”承插設(shè)計(jì)式+4道止水密封(2道氯丁橡膠+2道遇水膨脹橡膠)+傳力襯墊。站廳層管節(jié)接頭采用“F”承插設(shè)計(jì)式+5道止水密封(1道氯丁橡膠+2道遇水膨脹橡膠+1道聚氨酯密封膠+1道聚硫密封膠)+傳力襯墊。均可滿足糾偏和止水需求，待掘進(jìn)結(jié)束后內(nèi)弧面環(huán)縫進(jìn)行水密焊止水。

5)管節(jié)注漿孔設(shè)計(jì)

鋼管節(jié)開(kāi)設(shè)16個(gè)1寸減摩泥漿孔及16個(gè)2寸二次注漿孔，同時(shí)每節(jié)管節(jié)設(shè)置4個(gè)止退孔及2個(gè)翻身孔。站廳層混凝土管節(jié)設(shè)12個(gè)一寸減摩泥漿孔及10個(gè)2寸二次注漿孔，同時(shí)每節(jié)管節(jié)設(shè)置4個(gè)止退孔(其中2個(gè)兼作翻身孔)，用于管節(jié)減摩注漿、止退翻身、貫通注漿，有效控制地面沉降。

2.3 洞口動(dòng)態(tài)止水措施

針對(duì)本工程頂管推進(jìn)覆土較深、土體含水量高，且工作井洞圈尺寸和頂管尺寸存在一定的間隙，對(duì)始發(fā)接收洞口采取以下針對(duì)性措施。

1)始發(fā)動(dòng)態(tài)止水裝置(見(jiàn)圖4)

圖4 始發(fā)動(dòng)態(tài)止水裝置

在洞圈周?chē)惭b鋼箱體+2道鋼絲刷+2道橡膠襪套，作為洞口防水措施。當(dāng)頂管機(jī)進(jìn)入洞圈后，通過(guò)第1道鋼絲刷與第2道鋼絲刷間布設(shè)預(yù)留的12道1寸油脂管壓注盾尾油脂，并通過(guò)每根油脂管壓力表觀察油脂壓力，按照理論計(jì)算及油脂壓力控制壓注量。

2)接收動(dòng)態(tài)止水裝置 (見(jiàn)圖5)

圖5 接收動(dòng)態(tài)止水裝置

頂管接收止水裝置采用外置式止水氣囊，接收井洞門(mén)打開(kāi)后，及時(shí)頂進(jìn)機(jī)頭，機(jī)殼搭上止水氣囊后，及時(shí)向止水氣囊內(nèi)充氣，根據(jù)洞口的滲漏情況調(diào)整不同部位的充氣氣壓。

2.4 自鎖式止退措施

止退設(shè)計(jì)按后退力2 000t考慮，擬采用300t千斤頂10個(gè)(左右各5個(gè))，高強(qiáng)度剪力銷(xiāo)10個(gè)(6寸，鋼材屈服強(qiáng)度大于500MPa)，施工前對(duì)止退裝置進(jìn)行優(yōu)化，采用前后兩節(jié)管節(jié)同時(shí)止退，通過(guò)設(shè)置預(yù)加載力減少管節(jié)因止退力而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形，保證整個(gè)止退裝置的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性(見(jiàn)圖6)。

圖6 站臺(tái)層頂管止退裝置

2.5 頂管減摩措施

本工程新研制了具有抗水性能的觸變果凍減摩泥漿[5]，主要采用特殊的觸變漿添加劑加入膨潤(rùn)土漿液，調(diào)配成具有觸變塑性、潤(rùn)滑、抗水、微承載性能的漿液，主要用于注入頂管管節(jié)四周，可顯著降低土體與管節(jié)接觸時(shí)的摩擦，減少地層束縛產(chǎn)生的推力過(guò)大影響。

2.6 軸線、轉(zhuǎn)角控制措施

矩形頂管在推進(jìn)過(guò)程中，對(duì)頂管機(jī)及管節(jié)的軸線偏差及轉(zhuǎn)角偏差要求極高，軸線偏差要求控制在±50mm內(nèi)，轉(zhuǎn)角應(yīng)控制在15’以內(nèi)。施工過(guò)程中軸線應(yīng)按如下控制。

1)每節(jié)管節(jié)頂進(jìn)結(jié)束后，必須進(jìn)行機(jī)頭的姿態(tài)測(cè)量，并做到隨偏隨糾。

2)姿態(tài)調(diào)整時(shí)可通過(guò)鉸接油缸、糾偏中繼間和主頂千斤頂綜合進(jìn)行，方便糾偏。

3)推進(jìn)距離40m以內(nèi)主要以主頂推進(jìn)進(jìn)行糾偏，當(dāng)長(zhǎng)度超過(guò)40m以后，可采取鉸接油缸或糾偏中繼間進(jìn)行糾偏。

4)關(guān)注管節(jié)上浮情況，避免因管節(jié)上浮引起的軸線突變，必要時(shí)可采取壓重措施。

轉(zhuǎn)角應(yīng)按如下控制。

1)機(jī)頭及后續(xù)管節(jié)一旦出現(xiàn)微小轉(zhuǎn)角，應(yīng)立即采取刀盤(pán)反轉(zhuǎn)、加壓鐵等措施回糾。

2)當(dāng)轉(zhuǎn)角接近3′時(shí)，采取刀盤(pán)與轉(zhuǎn)角同向轉(zhuǎn)動(dòng)。

3)當(dāng)轉(zhuǎn)角接近6′時(shí)，同步采取通過(guò)頂管機(jī)( 管節(jié)) 對(duì)角壓注厚漿液。

4)當(dāng)轉(zhuǎn)角接近9′時(shí)，同步采取頂管機(jī)(管節(jié))單邊內(nèi)壓重。

2.7 管節(jié)變形三維激光掃描監(jiān)測(cè)

由于類(lèi)矩形管節(jié)較圓形管節(jié)抗彎、抗剪和抵抗形變的能力較弱，并且國(guó)內(nèi)在采用鋼管節(jié)頂管施工方面的工程經(jīng)驗(yàn)較少，理論研究尚不完善。采用三維激光掃描儀在短時(shí)間內(nèi)獲得隧道表面的海量坐標(biāo)信息，快速、全方位獲取站臺(tái)層隧道全斷面變形，進(jìn)一步保障施工和隧道結(jié)構(gòu)的安全性[6-7]。

3 工程實(shí)施效果

1)頂管機(jī)針對(duì)性設(shè)計(jì)效果

此次統(tǒng)計(jì)了3條頂管頂進(jìn)參數(shù)(見(jiàn)表1)，可以看到各項(xiàng)主要頂進(jìn)參數(shù)可控制在額定參數(shù)的30%～80%以內(nèi)，設(shè)備運(yùn)行良好，無(wú)重大設(shè)備故障及長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)發(fā)生。

表1 頂管機(jī)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

2)管節(jié)針對(duì)性設(shè)計(jì)效果

施工過(guò)程中，管節(jié)經(jīng)生產(chǎn)、運(yùn)輸、吊裝、推進(jìn)及止退后外觀完好，無(wú)明顯變形及碎裂發(fā)生。待隧道貫通后，對(duì)頂管隧道進(jìn)行軸線復(fù)測(cè)及滲漏水統(tǒng)計(jì)，得出成型隧道軸線偏差可控制在±60mm以內(nèi)，管節(jié)無(wú)明顯滲漏水。

3)動(dòng)態(tài)止水施工效果

動(dòng)態(tài)止水裝置彌補(bǔ)了管節(jié)頂進(jìn)造成的油脂損失，防止頂管始發(fā)時(shí)土體從該間隙中流失，實(shí)時(shí)補(bǔ)充盾尾油脂。在管節(jié)頂進(jìn)階段，始發(fā)洞圈無(wú)滲漏，有效實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)止水。

4)自鎖式止退施工效果

站臺(tái)層首條頂管采用新型止退裝置，減少管節(jié)因止退力而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形。管節(jié)兩側(cè)回縮量平均分別為左側(cè)15.46mm、右側(cè)15.69mm、頂管機(jī)切口13.53mm；且切口里程后退量可控制在15mm以內(nèi)，僅為傳統(tǒng)止退裝置后退量的三分之一，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的止退裝置[8]。

站廳層頂管隧道施工過(guò)程中，沿用原站臺(tái)層止退系統(tǒng)及鋼結(jié)構(gòu)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)管節(jié)兩側(cè)回縮量平均分別為左側(cè)7.8mm、右側(cè)7.7mm、頂管機(jī)切口6.9mm；明顯小于站臺(tái)層大頂管，且切口里程后退量可控制在毫米級(jí)。

5)觸變果凍漿施工效果

通過(guò)工程實(shí)踐，富水軟土黏性地層中每環(huán)注入率約100%，進(jìn)洞無(wú)背土現(xiàn)象。由于此次采用觸變果凍漿，管節(jié)無(wú)浮力產(chǎn)生和上浮現(xiàn)象，故未采用壓重措施。

站臺(tái)層地面沉降可控制在 ±10mm 內(nèi)，摩阻系數(shù)控制在3～4kN/m2；站廳層地面沉降可控制在±10mm內(nèi)，摩阻系數(shù)控制在4～5kN/m2。

另外由于該漿液的“果凍性狀”，頂管機(jī)鉸接、管節(jié)接縫及洞口處不易漏水。

6)隧道軸線及管節(jié)轉(zhuǎn)角情況

經(jīng)過(guò)合理設(shè)定參數(shù)及精細(xì)化控制，施工階段頂管機(jī)與設(shè)計(jì)軸線偏差可控制在±30mm內(nèi)，轉(zhuǎn)角可控制在±9′以內(nèi)。

7)鋼管節(jié)變形情況

根據(jù)工程施工進(jìn)度情況，選取第2條頂管25，26，31，32環(huán)管節(jié)為測(cè)試對(duì)象。對(duì)于每一環(huán)管節(jié)，根據(jù)頂進(jìn)方向共有6條環(huán)向加強(qiáng)肋，即公頭肋、正常肋1～4、母頭肋，同時(shí)采取全站儀人工測(cè)量相對(duì)變形情況得出數(shù)據(jù)與激光掃描數(shù)據(jù)對(duì)比，經(jīng)過(guò)分析三維激光掃描測(cè)量結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)誤差較小，基本在1mm以內(nèi)，測(cè)量結(jié)果是可靠的。

分析三維激光掃描儀測(cè)得的管節(jié)在井下不同施工工況下的橫徑值。在管節(jié)從前一個(gè)工況進(jìn)入下一個(gè)工況時(shí)，管節(jié)各肋的橫徑變形趨勢(shì)基本相同(見(jiàn)圖7)。

圖7 橫徑變形趨勢(shì)

以全站儀測(cè)得的管節(jié)橫徑井下初始值為管節(jié)初始工況，得到每次測(cè)量后管節(jié)的累積變形值，如圖8所示。

圖8 橫徑累積變形

在貫通時(shí)橫徑累積變形略微減小。將各管節(jié)最終累積變形值匯總?cè)缦卤硭荆旱?5，26，31，32環(huán)管節(jié)在西線頂管貫通時(shí)的累積變形均值分別為24.8，19.5，7.1mm和5.4mm，如表2所示。

表2 各管節(jié)橫徑累積變形值 mm

4 結(jié)語(yǔ)

靜安寺站矩形頂管車(chē)站是國(guó)內(nèi)首次采用頂管法施工的地鐵車(chē)站，該工程的圓滿完成論證了城市密集區(qū)非開(kāi)挖頂管法車(chē)站工藝施工的可行性，同時(shí)也為國(guó)內(nèi)后續(xù)類(lèi)似工程提供參考價(jià)值。針對(duì)車(chē)站暗挖段，本文對(duì)其設(shè)計(jì)施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行總結(jié)分析，得出如下結(jié)論。

1)頂管機(jī)采用全斷面切削、切削外徑控制可有效降低地表沉降；而合理使用新增糾偏中繼間提升了頂管機(jī)長(zhǎng)距離推進(jìn)下的糾偏性能，保證隧道軸線的穩(wěn)定。

2)管節(jié)拼裝平臺(tái)、管節(jié)自動(dòng)翻身裝置等新設(shè)備的應(yīng)用，節(jié)省了管節(jié)運(yùn)輸、焊接和吊裝施工工序的時(shí)間，保證管節(jié)吊裝、運(yùn)輸?shù)陌踩浴?/p>

3)管節(jié)使用“F”承插式接頭+多道止水密封+傳力襯墊的接頭形式提高了管節(jié)的防水和受力性能。

4)動(dòng)態(tài)式止水裝置針對(duì)處于深覆土、富水軟弱地層等復(fù)雜條件下的隧道，保證洞門(mén)安全的同時(shí)降低盾尾油脂的損耗。

5)自鎖式止退裝置通過(guò)提前設(shè)置預(yù)加載力，預(yù)先抵消部分止退鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)變形，減少回縮主頂千斤頂時(shí)止退鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)變形，降低管節(jié)后退的回縮量，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)止退裝置，且前后兩環(huán)同時(shí)止退效果更好。

6)觸變果凍漿液顯著降低土體與管節(jié)接觸時(shí)的摩擦，減少地層束縛產(chǎn)生的阻力，具有一定的抗水和微承載能力又能有效降低土地?cái)_動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的沉降影響。同時(shí)果凍性狀無(wú)浮力產(chǎn)生，隧道無(wú)上浮，鉸接、管節(jié)接縫及洞口處不易滲漏漿。

7)推進(jìn)過(guò)程中，頂管機(jī)及管節(jié)的軸線偏差及轉(zhuǎn)角偏差是關(guān)鍵，直接影響到施工的質(zhì)量與安全，必須嚴(yán)格落實(shí)參數(shù)及精細(xì)化控制。

8)管節(jié)三維激光掃描測(cè)量結(jié)果與全站儀實(shí)測(cè)值較為接近，鋼管節(jié)各條肋的橫徑變形規(guī)律相似，變形值可控制在3‰。