合肥市大連路隧道下穿駱崗機場跑道管幕-頂進法分析

王斌，魏東方 （合肥市市政設計研究總院有限公司，安徽 合肥 230041）

1 工程概況

合肥市大連路（青海路-包河大道）位于駱崗生態公園內，沿東西向敷設，市政道路長約2.3km，為雙6 車道的城市主干路，設計時速60km/h。道路中隧道設計范圍為西起現狀青海路，下穿老駱崗機場跑道后，止于同步建設的廬州大道。為保留老駱崗機場主跑道，機場跑道段大連路采用下穿隧道形式，暗埋段隧道長495m，敞口段長度235m。隧道在里程4-87.45～5-81.15 處下穿機場跑道，平面交角約69°。下穿機場跑道段隧道為保留老駱崗機場主跑道采用管幕-預制箱涵頂進法施工，長度約93.7m。路線由東向西下坡，結構縱坡-1%。隧道結構總高度8.55m，結構內部凈高5.95m，頂、底板厚1.3m，側墻厚1.2m，頂板加腋均采用1.3m×0.5m，底板加腋均采用0.5m×0.5m，箱涵主體全長為93.7m。隧道內道路使用凈高不小于5.75m。隧道結構采用C50 鋼筋混凝土結構，管幕采用直徑1.6m 的鋼管幕。具體工程情況見圖1、圖2。

圖1 隧道縱斷面

圖2 隧道橫斷面

隧道管幕法頂進穿越地層層自上而下分為①層雜填土、④1 層粘土、④2 層粘土，隧道主要位于④2 層粘土，具體土層特性如下。

①層雜填土（Qml）：層厚3.7m，灰褐、黃褐、灰黃色、雜色等，駱崗機場區域一般為稍密狀態，局部中密狀態，其余區域多為松散狀態，濕～飽和，含植物根莖、碎石、建筑垃圾等，局部地段夾較多淤泥質土。該層土全場分布，農田、林地區域以耕作土為主，豎向孔隙發育。

④1 層粘土（Q3al-pl）：層厚3.7m，黃褐、褐黃、灰黃色，硬塑狀態，濕，光滑，無搖震反應，干強度及韌性高等。該層土底部以灰黃色粘土為主，具鏡面光澤，網狀裂隙發育，裂隙面充填有灰白、灰綠色粘土，為合肥地區較典型的膨脹土層。該層土全線大部分布。

④2 層粘土（Q3al-pl）：該層土部分鉆孔鉆穿，最大揭示厚度33.9m，褐黃、灰黃、黃褐色，硬塑狀態為主，底部局部堅硬狀態，濕，含鐵錳質結核（局部富集）、氧化物、高嶺土等，局部間夾薄層粉質粘土，光滑，無搖振反應，干強度及韌性高等。該層土全線分布。

2 管幕法設計方案

2.1 大口徑管幕設計方案

管幕作為本工程重要的輔助性技術措施，要結合現場工程地質、水文地質條件、工程環境需要等因素具體設計。

①管幕的布置：設計考慮本工程地理位置、建設環境的特殊性，基于保證隧道施工安全可靠的原則，結合本場區工程地質和水文地質的分析，設計采用全封閉的管幕布設形式。

②鋼管直徑、壁厚：設計確定的管幕工程中，鋼管直徑為1600mm，壁厚16mm。

③鋼管連接方式、鎖口：鋼管按單節長不小于6m 縱向分段頂進，鋼管間通過圍焊連接。橫向鋼管之間采用外接式鎖口，鎖口采用工廠焊接熱軋不等邊角鋼。

④管幕施工：鋼管頂進，管幕鋼管頂進采用泥水平衡管幕頂管機進行施工，本次工程一共采用6 臺泥水平衡管幕機，分為三個工作臺同時展開進行；定位管為軌，側管扣接施工，以較高施工精度的鋼管（鎖扣）為標準管，后續鋼管或管排沿標準管鎖扣頂進，鎖扣將相鄰鋼管或管排橫向扣接。

⑤管幕頂進順序：管排沿標準管鎖扣頂進，鎖扣將相鄰鋼管橫向扣接，鋼管帷幕沿隧道結構外側形成“縱向成梁、橫向成拱”結構體系，管幕的施工順序需結合現場場地條件。

⑥管幕頂進后的處理措施：利用鋼管預留的注漿孔，向鎖口部位壓注微膨脹水泥漿。頂進施工前，鋼管內填充免振搗、微膨脹混凝土，從而整體提高管幕的縱向剛度。管幕鋼管施工完畢后，施作管幕梁，與管幕形成整體結構。

2.2 箱涵頂推設計方案

2.2.1箱涵施工方法

根據現場情況，箱涵采用頂進法施工，工作坑設在東側（大樁號側），由東向西頂進。箱涵底板前端設置船頭坡，長度為1.0m，頂進行程93.7m。箱涵在滑板上預制，混凝土強度達到設計強度后，開始頂進。

2.2.2工作坑和后背

工作坑東南北兩側利用明挖段基坑支護，南側采用放坡-鉆孔樁-錨索的支護方式，北側考慮到對管廊的影響采用放坡-雙排樁支護方式。東側采用已施做完成的隧道作為頂進后背反力，西側采用放坡-斜支撐的支護形式。滑板采用C30 混凝土，厚度為0.3m，滑板底設碎石墊層和錨梁，碎石墊層厚0.1m，滑板底以下錨梁深0.7m。

2.2.3頂管推進系統

工作坑內管節推進動力主要為后背梁處53 臺320t 千斤頂。箱涵的前進通過素混凝土傳力塊來實現，具體混凝土傳力塊大小施工單位可根據現場情況進行調整，但必須保證箱涵受力均勻。

2.2.4頂進工程掌子面支護

隧道箱涵頂進過程中掌子面的穩定需要依靠網格式機具頭進行控制，應結合現場地質情況調整網格機械頭的網格大小，但網格最大不超過2.5m×2.5m。不進行頂進施工時，需要對網格機具頭處外漏土體進行硬化處理。

2.2.5箱涵頂進觸變泥漿方案

箱涵頂進過程中，在箱涵與管幕之間需通過注入泥漿或加入止水劑的泥漿來及時填充箱涵與管幕之間的建筑空隙，達到箱涵與管幕支撐、潤滑、止水作用，減少箱涵推進引起的地表變形，減少箱涵頂進的阻力。

箱涵頂進過程中，需設立同步注漿與補充注漿兩套獨立的注漿系統，同步注漿和補充注漿采用不同的漿液配比、注漿壓力等參數，其中同步注漿目的為管幕得到良好的支撐、管幕與箱涵間保水效果好為主，補充注漿目的為減少管幕與箱涵結構間摩擦為主。

同步注漿系統與網格機具頭一起設置，漿液中膨潤土含量較高，漿液的流動性相對較弱，支撐性和保水性較佳。注漿控制則根據漿液實際配比，現場調試結果調整控制參數。

抗浮驗算參數表 表1

補充注漿系統，則設置補充注漿控制臺。補充注漿的位置和方量則需根據箱涵推力大小、頂部預埋泥漿壓力盒數值大小、地面沉降監測結果等參數共同控制。補充注漿漿液應采用膨潤土含量較低的稀漿，流動性好，支撐性和保水性較弱。注漿控制則根據漿液實際配比，現場調試控制參數。

2.2.6箱涵外周泥漿固化工藝

頂進完成后，需對管幕與箱涵間的泥漿進行置換。置換泥漿采用水泥和粉煤灰混合的強度較高的泥漿。在箱涵周圍形成水泥漿硬化后套承擔上部荷載。箱涵四周每隔6m 預留一道注漿斷面，根據地表變形情況調整注漿壓力和注漿量，待漿液凝固后，即形成一道位于管幕與箱涵間的橫向支撐梁，可以傳遞荷載，從而不至于引起較大的工后沉降。

3 計算分析

3.1 大口徑管幕計算分析

本工程鋼管幕采用外徑1600mm，壁厚為16mm 鋼管。上覆土厚度取西工作井處最大埋深6m，計算土層容重20kN/m3，地面超載20kN/m2，地基彈簧剛度系數k=10000kN/m2，計算中不考慮鋼管內充填混凝土。

考慮最不利施工工況，即箱涵推進到最后一節，此時機頭間最近距離接收井為機頭本身長度約2.5m，取最近距離3m。計算模型和結果見圖3、圖4。

圖3 鋼管計算模型

圖4 鋼管計算結果

鋼管材料為Q235A，fy=235N/mm2，fv=125N/mm2，分項系數取1.25。最大彎矩設計值Mma×=1780×1.25=2225kN·m、最大剪力設計值V=690×1.25=862.5kN。采用理正軟件對鋼管強度進行復核，滿足要求。

3.2 隧道結構計算分析

為分析隧道結構受力情況，采用有限元軟件MIDAS Civil 進行結構受力分析，具體計算如下。

3.2.1計算參數

結構凈高度8.55m，底板厚1.3m，頂板厚1.3m，側墻厚1.2m，中隔墻厚0.8m。坑底位于④2 粘土層，加權平均靜止土壓力系數K0=0.5。計算荷載取值見表2。

結構計算荷載取值表 表2

3.2.2內力計算結果

隧道結構計算結果及驗算見圖5 和表3。

隧道結構計算結果 表3

圖5 隧道結構計算結果

3.3 管幕頂進法隧道整體三維分析

為研究管幕-頂進隧道對地面的影響。對管幕-頂進隧道采取三維模擬計算進行分析。采用大型有限元軟件midas.gts N×建立模型來模擬隧道施工工況。單元采用6 面體單元，土體本構模型選用修正摩爾庫倫，隧道采用實體單元進行模擬，管幕采用桿系單元進行模擬。計算模型見圖6，計算結果見圖7。

圖6 計算模型

圖7 計算結果

通過計算，管幕-頂進施工對地層擾動較小，機場跑道最大沉降約12.6mm。施工較安全且對機場跑道影響小。

4 結語

隨著城市發展趨于完善，在既有建構筑物下修建地下工程情況將越來越普遍。傳統的明挖法已經不能完全滿足地下工程建設的需求，傳統的礦山法在一些敏感的城市中心地帶存在較大的風險隱患。新型的管幕法或管幕-頂進法可以很好地對既有建構筑進行保護且施工風險較小。通過研究此類新型工法對解決類似工程問題有較為積極的意義。