大斷面矩形頂管臨時后靠結構設計與應用

陳雪華

(廣州金土巖土工程技術有限公司，廣東 廣州 510070)

0 引言

20世紀末，由我國自主研發的2.5m×2.5m，3.8m×3.8m矩形頂管機在上海地鐵某出入口和過街通道建設中的成功應用，開啟了我國矩形頂管行業發展的大門[1-2]。歷經20多年的工程實踐后，機械法矩形頂管暗挖技術已逐漸應用于過街通道、地鐵出入口、地下綜合管廊、車行隧道、地鐵車站、地下商業街等地下工程的建設中[3-8]。目前，該技術在我國城市淺層地下空間開發中的應用受到越來越多的關注和重視[9]。

通常，矩形頂管施工需從地面向下建設始發井，因此，已有不少針對始發井和后靠土體穩定性的研究。黃堅生[10]對工作井的位移、應力特征及頂推力與后靠墻變形關系進行了數值模擬分析；王寧等[11]根據現場實測數據，研究了后背土體水平位移和土壓力的變化規律；黃章君等[12]分析了頂推反力荷載對墻后土體位移、應力、孔隙水壓力的影響及有關因素對墻后土體水平位移的影響。

實際上，并非所有矩形頂管工程都具備工作井建設條件，如：繁華城區內因建(構)筑物密集，施工場地狹小受限；穿越市政道路、高速公路、鐵路等結構的高路堤邊坡時，矩形頂管埋深過小，后靠土體極少；既有基坑或建(構)筑物地下室始發等。因此，需摒棄原有思路，探尋新型始發后靠結構。但當前我國對新型后靠結構的研究少之又少，尤其在矩形頂管穿越施工節點時，更缺乏無始發井頂進施工的工程經驗。因此，新型后靠結構的研究具有重要意義。

本文依托南京靈山北路西延過土城頭路隧道工程，提出一種用于大斷面矩形頂管始發的臨時后靠結構，闡述其結構組成和設計要點，總結施工工藝流程和施工要點，分析頂管施工對臨時后靠結構的影響，以期為類似工程施工提供參考。

1 工程概況

1.1 項目概況

隧道位于南京仙林新區靈山北路與土城頭路相交處(見圖1)，設計為雙向四車道+人非通道，機動車道寬3.5m，人行道和非機動車道寬均為3m，隧道覆土厚5～6.6m。土城頭路為雙向兩車道、寬約7m的瀝青路，道路兩側50m范圍內為明代外郭城墻遺址。城墻本體橫剖面呈梯形，底部寬約19.0m，頂部寬約12.0m，殘存高度0.1～1.5m，埋深1.0～2.0m，與擬建隧道豎向凈距>1m，已納入南京市文物保護范圍。由于明城墻遺址本體對土體變形極敏感，對地面變形控制要求嚴格，因此不宜采用傳統明挖法或淺埋暗挖法施工，選擇綠色、安全、環保、高效的機械法矩形頂管暗挖施工，可有效控制土體變形。

圖1 頂管工程衛星平面

1.2 地質概況

本工程地貌類型屬低山丘陵區和山崗地區，區域內土層分布自上而下依次為素填土、粉質黏土、強風化石英閃長斑巖，頂管工程縱斷面(北側)如圖2所示，土層分布及特性如表1所示。地下水類型為淺層孔隙潛水，主要分布于素填土層中，水位埋深1.46～4.53m(受地形高差影響)，其余巖土層含水弱～微弱，基本不透水，為相對隔水層。頂管隧道穿越地層主要為粉質黏土。

圖2 頂管工程縱斷面(北側)

表1 土層分布及特性

1.3 設計概況

頂管隧道設計為4段平行頂進，其中2段車行隧道頂管斷面尺寸為10.2m×6.6m，2段人非通道斷面尺寸為7.0m×5.0m，均采用鋼筋混凝土預制管節，長1.5m/節，分別重76.6，41.3t，混凝土強度等級為C50，抗滲等級為P8，管節接口采用F形承插式，其他參數如表2所示。

表2 頂管施工參數

靈山北路海拔較土城頭路低9.0～11.0m，較周邊建筑群低2.0～4.0m，沿線道路施工采用放坡開挖，下穿節點處采用頂管法施工。根據現場實際情況，放坡開挖后不具備施作工作井的條件。即使施作工作井，隧道貫通后仍需挖除工作井及后靠加固區，工程成本較高。因此，決定采用臨時后靠結構為矩形頂管始發及正常頂進施工提供有效反力。

1.4 設備選型

根據本工程地質情況、覆土深度、周邊環境條件、工程特點及要求等，采用多刀盤組合式土壓平衡矩形頂管機掘進施工。車行通道采用10.2m×6.6m頂管機掘進施工，該頂管機設計為3個前置φ4 020刀盤+3個后置φ3 500刀盤組成的6個多刀盤結構形式(見圖3a)，整個刀盤切削率為90%。人非通道采用7.0m×5.0m頂管機掘進施工，該頂管機設計為1個后置φ2 980刀盤+2個后置φ2 800刀盤+3個前置φ2 400刀盤組成的6個多刀盤結構形式(見圖3b)，整個刀盤切削率為91.5%。

圖3 矩形頂管機刀盤布置

2 結構組成與設計要點

臨時后靠結構即指在矩形頂管穿越施工節點時，遇到施工場地受限不具備施作頂管始發井的條件或頂進完成后需挖除始發井結構而造成大量成本浪費等情況，為滿足頂管施工工藝要求并為頂管機和管節的順利頂進提供有效頂推反力而施作的一種結構。即在頂管始發平臺后方施作的一種嵌固于地層或既有結構中，頂進完成后再拆除的新型后靠結構，優先采用鋼筋混凝土結構。

2.1 結構組成

臨時后靠結構主要由樁基礎、底板、后靠墻和肋墻等組成，如圖4所示。后靠墻垂直于頂管頂進軸線，且與底板垂直，直接承受來自千斤頂的頂推反力；底板將頂推反力均勻傳遞至樁基礎；肋墻連接后靠墻和底板，作為重要的支撐和傳力結構；樁基礎包含冠梁和工程樁，為最主要的傳力結構，冠梁設于底板內，可保證工程樁的整體受力，工程樁嵌入土層一定深度，將頂推反力傳遞至地基土體。

圖4 臨時后靠結構

采用頂管工藝始發和頂進時臨時后靠結構底部受力較大，為避免后靠墻底部與底板連接處發生剪切破壞，可將底板和冠梁厚度適當加厚，使底部千斤頂所提供的頂推反力傳遞至底板上。同時，為保證承載力和穩定性，控制差異變形，為頂管始發及頂進施工提供有效的頂推反力，組成臨時后靠結構的各構件間應采用剛性連接形式。

2.2 設計要點

臨時后靠結構設計需考慮的主要因素為千斤頂通過后靠鋼結構裝置施加的頂推反力及結構基礎所處地基土體的特性。設計時，臨時后靠結構的容許承載力不應小于千斤頂所能提供的最大頂力，千斤頂總頂力不小于頂管頂推力的1.5倍[13]。

地基土體對臨時后靠結構的影響主要體現在底板與地基土體的摩擦力、地基土體對工程樁的側向壓力和摩擦作用。工程樁是最終的傳力構件，也是隱蔽工程，確保工程樁的承載能力和穩定性是設計的關鍵；影響工程樁的最重要因素之一是土體特性。因此，設計前應確定臨時后靠結構的布設位置，查明區域范圍內地質情況和土層分布，分析土體物理力學特性，選擇合適的樁型和施工工藝。

矩形頂管在始發與正常頂進過程中，臨時后靠結構的受力狀態在不斷變化，可能存在2種受力狀態，如圖5所示(q0為頂推反力；q1為地基土體對前排工程樁的側向壓力；q2為地基土體對后排工程樁的側向壓力；q3為地基土體對底板的豎向支反力；f1為地基土體對前排工程樁的摩擦力，方向可能向上也可能向下；f2為地基土體對后排工程樁的摩擦力；f3為地基土體對底板的摩擦力；W為上部結構自重)。

圖5 結構受力分析

根據受力分析結果，認為臨時后靠結構設計與驗算需包括：單樁水平承載力、抗彎承載力和抗拔承載力驗算，底板抗彎承載力驗算，后靠墻抗彎、抗剪承載力驗算，肋墻抗剪承載力驗算，冠梁與工程樁連接處混凝土結構的穩定性驗算，地基土體承載力與穩定性驗算。具體設計與驗算參照JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》[14]，GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》(2015年版)[15]。其中，底板抗彎承載力驗算時，若始發平臺與底板設計為整體，可將二者作為整體一起驗算，并考慮頂管后配套設施的影響。

臨時后靠結構設計要點如下。

1)樁基礎 根據頂推反力、場地條件和地質條件確定樁型、樁徑、樁長、樁距和樁數，優選摩擦樁和剛度較大的樁型；設計多排樁，每排樁中心點連線相互平行，且與頂管頂進方向垂直；同一排樁按等間距布置，不同排樁按跳樁布置，平面上呈等腰三角形；每排樁頂部設冠梁使其連接成整體。

2)底板 根據現場條件、頂管工藝及受力要求，確定底板設計位置及尺寸；底板下方需設置墊層；冠梁與底板連成整體共同受力。

3)后靠墻 與頂管頂進軸線方向垂直，與底板垂直；頂部設置暗梁與肋墻頂部相連。

4)肋墻 與后靠墻和底板垂直，按等間距布設，其間距結合工程樁的樁距及受力特點進行綜合設計；建議采用直角梯形，既能保證結構受力合理，又節省材料。

3 工程應用

3.1 頂管頂力計算

根據T/CECS 716—2020《矩形頂管工程技術規程》第5.7.1條及T/CMEA 14—2020《綜合管廊矩形頂管技術標準》[16]，矩形頂管頂進施工總頂力F由頂管機迎面阻力Py和總摩阻力Ff組成。考慮最不利情況，提出改進總頂力的計算公式：

F=Py+Ff

(1)

Py=(P0+Pw)B1H1

(2)

Ff=[2f0(B1+H1)+Wf]Ld

(3)

P0=γK0(H0+2H1/3)

(4)

式中：P0為掌子面土壓力(kPa)；Pw為掌子面水壓力(kPa)；B1為矩形頂管外邊寬(m)；H1為矩形頂管外邊高(m)；f0為管節與土體接觸面的綜合摩阻力(kPa)；γ為頂管機穿越范圍內土的平均重度(kN/m3)；H0為管頂至原狀土地面覆土厚度(m)；Ld為矩形頂管頂進長度(m)；W為管節重力(kN/m)；f為管節重力在土中的摩擦系數，取0.5。

根據上述公式計算得到，在未考慮觸變泥漿減阻的情況下，南京靈山北路頂管隧道施工總頂力計算結果如表3所示。車行隧道和人非通道頂管段的最大頂力分別為26 073.0，15 415.3kN。

表3 總頂力計算結果

3.2 臨時后靠結構設計

臨時后靠結構的容許承載力按下式計算：

Fj≥μF

(5)

[Fb]≥Fj

(6)

式中：Fj為主頂千斤頂油缸的總頂力(kN)；[Fb]為臨時后靠結構的容許承載力(kN)；μ為安全系數，建議取1.5[13]。

計算得到主頂千斤頂油缸的最大總頂力不應小于39 109.5，23 123.0kN。為便于受力計算，故臨時后靠結構的容許承載力分別取為40 000，25 000kN。

本工程采用2臺斷面尺寸分別為10.2m×6.6m，7.0m×5.0m的土壓平衡式矩形頂管機同時施工。受場地條件限制，為減少設備轉場時間，將臨時后靠結構分設于頂管隧道東西兩端，并將車行隧道和人非通道頂管的臨時后靠結構設計為整體結構共同受力，如圖6所示。

圖6 臨時后靠結構平面布置

該臨時后靠結構設計總寬度為19.2m，總長度為9.0m(不包含始發平臺)，后靠墻最大高度為7.6m，最小高度為5.5m，如圖7,8所示。其中，后靠墻頂部暗梁尺寸為12m×0.8m×1.0m+7.2m×0.8m×1.0m，墻身高6.6，4.5m，底板尺寸為19.2m×9.0(8.0)m×1.0m，冠梁尺寸為19.2m×1.5m×1.0m。底板下鋪設0.2m厚C15素混凝土墊層。工程樁共設2排，采用鉆孔灌注樁，前排樁樁徑為 1 200mm，樁間距1.6m，樁長13.0m；后排樁樁徑為1 200mm，樁間距3.2m，樁長10.0m，前、后2排樁的間距為7.5，6.5m，樁身混凝土強度等級為C30。工程樁樁身范圍內施工地層為粉質黏土層和強風化石英閃長斑巖層，樁端持力層位于中風化石英閃長斑巖層中。

圖7 結構設計平面

圖8 結構設計縱剖面

3.3 臨時后靠結構施工

臨時后靠結構施工流程為：工程樁→墊層→底板、冠梁→后靠墻、肋墻、暗梁。

1)工程樁施工 按設計圖紙要求，準確測量放線，確定樁位，按鉆孔灌注樁施工工藝要求施工，待工程樁達到設計強度后，鑿除樁頂部分施工冠梁，冠梁與工程樁頂部鋼筋進行有效搭接，從而將工程樁連成整體。

2)底板施工 底板與工程樁樁頂冠梁同時施工；底板鋼筋綁扎與立模的同時預埋后靠墻與肋墻連接鋼筋，對連接處進行加密配筋。

3)后靠墻施工 除在后靠墻與底板連接處進行鋼筋加密外，還需在交角處設置附加鋼筋。

4)肋墻施工 肋墻與后靠墻的混凝土澆筑同步進行，以減少施工縫，使樁基礎、底板、后靠墻和肋墻形成整體共同受力。鋼筋混凝土墻體施工完成后，在肋墻間回填黏性土進行壓重。

5)暗梁施工 墻頂部暗梁按梁結構設計要求綁扎鋼筋并澆筑混凝土。由于局部墻身高度變化，因此變階處暗梁施工需加密鋼筋并同步澆筑混凝土。

除上述要點外，還應符合混凝土結構施工相關規范、標準的要求。

3.4 頂管施工對臨時后靠結構的影響

在實際頂進施工過程中，有可能出現頂推反力接近甚至超過臨時后靠結構的容許承載力而導致結構出現開裂、滑移、傾斜、傾覆等變形過大或失穩的情況，可能原因如下。

1)頂進姿態控制與糾偏不當，導致頂管機與管節同周邊土體的摩阻力突然增大。

2)因地質或地下結構探測不明，導致頂管頂進時遭遇不良地質情況，如卵礫石、孤石、拋填石等，或遇到地下障礙物、廢棄箱涵等結構物，造成頂力劇增。

3)人為增大頂推力，進行保壓出土，使實際頂力過大，增大了后靠結構受力的負擔。

因此，頂進施工時需實時監測臨時后靠結構的位移和變形，并采取相關措施來減小實際頂推力或提高臨時后靠結構的承載力和穩定性。建議措施如下。

1)頂進前加強地質情況和地下結構探測，掌握頂進范圍內不良地質及障礙物情況，采取預處理措施。

2)加強監測，嚴格控制頂進姿態，避免出現頂進姿態與設計軸線不符、頂進不順利而導致頂力突然增大的情況。

3)頂進過程中遭遇孤石、拋填石或障礙物時，盡快采取開艙或其他措施進行清理，避免停頂時間過長，再次開頂時頂力增大。

4)注漿潤滑減阻，向頂進的管節外注入優質減阻泥漿，有效減小管節與周邊土體的摩阻力，從而減小頂推力。

5)盡量連續頂進，減少停頓時間，防止掌子面和土艙內土體固結而導致頂管機開機時頂力劇增。

6)堆載反壓，在臨時后靠結構的肋墻間堆填土方，以提高后靠墻的抗剪和抗彎能力，增大底板與地基土體的摩阻力。

7)預先在底板下施作地錨梁，增大地基土體對底板的摩阻力。

8)將臨時后靠結構的底板與始發平臺結構的鋼筋進行有效連接，并澆筑為整體，提高底板的摩擦阻力，依靠管節和后靠設施提高底板的抗傾覆能力。

9)加密工程樁，采用高壓旋噴樁或水泥土攪拌樁對底板下的地基土體進行加固。

10)針對長距離頂管，尤其要增加墻體厚度和加強結構本身的整體穩定性。

該工程頂進過程中發現，因保壓出土，臨時后靠結構肋墻上出現微小裂縫，但通過采取減小千斤頂油缸頂力、全程注漿減阻、嚴控頂進姿態、后靠墻肋墻間回填堆載反壓等相關措施后，裂縫并未持續發展。現場監測數據顯示，頂進全程臨時后靠結構的最大水平位移約為8mm，小于設計允許變形值25～30mm，未出現變形過大或失穩的情況。

4 結語

本文依托南京靈山北路西延過土城頭路隧道工程，提出一種大斷面矩形頂管始發用臨時后靠結構，討論了其主要結構組成和設計要點，總結了施工工藝流程及施工要點，分析了頂管施工對臨時后靠結構的影響，得到以下結論。

1)因施工場地受限不具備施作始發井的條件或頂進完成后需挖除始發井結構造成大量成本浪費時，可優先采用臨時后靠結構用于頂管始發頂進。

2)臨時后靠結構主要包括樁基礎、底板、后靠墻和肋墻等，設計時應對結構和地基土體進行承載力和穩定性驗算，要求臨時后靠結構的容許承載力不應小于千斤頂所能提供的最大頂力。

3)臨時后靠結構實施過程中應嚴格按設計和相關規范要求施工，把控施工要點，并結合現場監測數據，頂管施工全程對后靠結構的影響控制在設計允許范圍內，較好地驗證了臨時后靠結構的可靠性和應用價值。

4)臨時后靠結構的應用，可擴大機械法矩形頂管技術的適用范圍，可為類似工程施工提供參考。