上穿地鐵隧道的矩形頂管施工設計與安全風險控制探究

張仙明

（中鐵四局集團第二工程有限公司，江蘇 蘇州 215100）

1 引言

矩形頂管作為一種非挖掘式施工工藝，目前主要被應用于地下通道、電力管道、排水管道以及市政管網共同溝等市政工程項目。矩形頂管的優勢在于對于地面交通影響較小，不會破壞市政管網、道路結構，對于周邊環境的影響較小，同時相較于圓形頂管，矩形頂管能夠充分利用地下空間。矩形頂管施工工藝目前已經相對成熟，但是若要上穿地鐵隧道，進行施工活動可能會對地鐵隧道造成影響，導致地鐵隧道出現變形等問題，因此，此類項目的整體施工難度較高，不僅要合理設計施工方案，同時要加強施工風險控制。

2 項目概況

新豐路地下人行通道項目位于城市核心區域，上部為新豐路市政道路，下方為杭州地鐵9號線隧道，通道需要上穿地鐵隧道，為降低施工活動造成的影響，決定采用矩形頂管工藝。該通道全長75 m，覆土厚度為3.8 m，混凝土抗滲等級要求為P8。頂管采用矩形鋼混管節，強度等級要求為C55，管壁厚度為0.45 m，長度為1.5 m，質量為33.5 t。通道與下方地鐵隧道的凈距約2.5 m，通道兩端分別設置1座始發井與接收井，規格分別為9 m×10 m和6 m×10 m。

3 上穿地鐵隧道的矩形頂管施工設計方案

3.1 施工方案整體設計思路

由于本項目中矩形頂管需要上穿地鐵隧道，施工活動必然對地鐵隧道造成影響，具體主要涉及兩方面：（1）矩形頂管施工過程中，由于頂管機會對正面土體產生擠壓作用，壓力會傳遞至地鐵隧道上，可能導致地鐵隧道出現擠壓變形；（2）矩形頂管施工過程中，地鐵隧道上方土體減少，進而導致土體荷載下降，可能導致地鐵隧道出現上浮變形。

基于上述兩方面的考量，本項目的施工方案設計應注意以下3方面：（1）在矩形頂管施工過程中注意控制頂管機的后座頂力與出土量，釋放正面土體壓力，從而避免地鐵隧道受到影響；（2）在矩形頂管施工過程中嚴格控制頂管軸線與高程，盡可能減少糾偏，甚至達到不糾偏的理想狀態，從而減少對土體的擾動[1]；（3）在矩形頂管施工過程中，應根據頂管的卸載情況確定具體的保護措施。

3.2 預處理措施

結合本項目的實際情況，同時參考類似項目的施工經驗，設計了3種預處理措施方案，分別是錨樁+蓋板保護、MJS加固樁以及蓋板+堆載保護。本項目中最先提出的方案是采用錨樁+蓋板保護的方案經過項目嚴格論證與驗算，結果顯示抗浮反力偏小，與預期的效果存在較大差距。蓋板+堆載保護的方案經過設計驗算，堆載超過2 t/m2以上，不符合地鐵管理單位的要求。MIS加固樁施工過程可控性強，對周圍土層產生的擾動極小，并且具有良好的加固效果[2]。經過綜合對比分析與論證，本項目最終采用了MJS加固樁的方案。

3.3 施工方案

本項目中，施工活動分為3個環節，分別是矩形頂管進洞環節、穿越地鐵隧道環節以及最終的出洞環節。

3.3.1 進洞環節

本項目中，工作井和地鐵隧道的凈距僅32 m，而接收井和地鐵隧道的凈距更是僅9 m，并且在矩形頂管施工過程中需要下穿1條直徑為1 000 mm的雨水管道、1條直徑為300 mm的污水管道以及2條電力管道，同時上穿地鐵9號線隧道。因此，施工過程必須嚴格控制水土流失，防止地面沉降。

待破除連墻圍護結構后，即開始頂進施工。考慮到正面為全斷面的水泥土，出于保護小刀盤與大刀盤的目的，應適當降低頂進速度，必要時可以通過加清水的方式潤滑、軟化土體，同時要注意避免井壁發生移位。待水泥土完全排出后，為達到控制頂進軸線、地面沉降以及防止頂管機發生磕頭的情況，應適當加快頂進速度，同時盡可能減少對正面土體造成擾動，防止地面沉降[3]。

需要注意的是，在矩形頂管進洞環節，作業人員應根據觀測到的地面沉降信息不斷對各項參數進行調整，以求快速探索出各項參數的最佳數值或者最佳數值區間。

3.3.2 穿越地鐵隧道環節

在矩形頂管穿越地鐵隧道環節，首先要確保頂管機保持勻速頂進，速度不超過1.0 cm/min；同時要注意觀測地面沉降數據，以便調整各項參數。具體而言，此環節中需要重點做好兩項工作。

1）主要參數控制。包括正面土壓力、出土量以及頂進速度。其中，正面土壓力以朗肯土壓力理論進行計算，根據現場觀測到的數據，經過嚴格計算后對正面土壓力進行調整。本項目中正面土壓力初始值設定為0.08 MPa，在頂進過程中，通過不斷調整優化，發現將正面土壓力值控制在0.12 MPa效果最佳。關于出土量的控制，理論上單節頂管的出土量約44.0 m3，但在實際操作中出土量一般控制在理論值的98%左右，即43.0 m3，這樣可以使上方土體略微隆起，能夠有效控制后期土體沉降量。頂管機的頂進速度直接關系到出土量以及切口處的土壓力，因此，在實際施工中需要不斷調整優化，綜合正面土壓力、出土量以及頂進速度3項參數考量，本項目中此環節頂管機的頂進速度控制在1.0～1.2 cm/min。

2）頂進軸線控制。由于頂管機和土體之間存在5個接觸面，因此，若頂進偏差過大，會直接導致糾偏難度加大，因此，在頂進過程中需要注意控制頂進軸線。作業人員應在單節頂管頂進完成后，根據頂進機的情況進行糾偏。需要注意的是，單次糾偏的幅度不宜過大，避免對土體造成較大擾動，導致管節之間出現張角的情況。

3.3.3 出洞環節

當頂管與接收井的距離達到6.0 m時，應停止首節管節的壓漿；同時注意向后移動壓漿位置，以確保頂管機在進洞前有約6.0 m的完好土塞效應，從而防止進洞過程中減摩泥漿流失過多，導致管節周圍的邊摩阻力突然增大。

當頂管機的切口進入接收井的洞口區域時，要控制頂進速度，以調整此時的出土量，降低正面土壓力，避免頂管機被損壞，確保接收井洞口區域的結構穩定。

當頂管機的機頭與地連墻距離在50 cm時，暫時停止頂進；破除連墻后，頂管機開始緩慢頂進。此時應注意控制主頂壓力與頂進距離，若發現主頂壓力突然升高，必須馬上停止頂進。

4 上穿地鐵隧道的矩形頂管施工安全風險控制

4.1 施工安全風險分析

本項目中，矩形頂管的覆土厚度僅3.8 m，同時距離下方地鐵隧道也僅有2.5 m與同類型的矩形頂管施工項目相比，覆土厚度更淺，若要形成完整的減摩阻泥漿套難度較大。在矩形頂管頂進過程中，土體大量卸載會導致地鐵隧道上方的荷載降低，易導致地鐵隧道出現隆起的情況。而此處的地鐵隧道由于建成投入運營的時間較短，其自身結構變形與沉降尚未完全穩定，若上方土體荷載再產生較大變化，很容易導致地鐵隧道的結構變形更為嚴重。由于地鐵隧道的結構變形具有不可逆性的特點，因此，一旦出現較大變形，很難恢復，可能直接影響到地鐵隧道的運營。同時，在矩形頂管上方還存在1條雨水管道、1條污水管道以及2條電力管道，若施工不當，還可能對這些市政設施造成不良影響。此外，在MJS加固樁施工過程中，雖然對土體產生的擾動較小，但是也會對地鐵隧道產生一定影響，可能導致地鐵隧道被破壞。綜上分析，本項目中主要存在的風險就是地鐵隧道的變形控制、土體沉降控制以及MJS加固樁施工過程控制。

4.2 控制措施

4.2.1 選擇合適的施工設備

結合本項目的實際情況，經過項目專家組的論證，本項目施工采用的是4.2 m×6.9 m的多刀盤土壓平衡式矩形頂管機。該設備的優勢在于頂進施工過程中能夠最大限度保持土壓平衡，對于周圍的土體產生的擾動相對較小，不會影響到矩形頂管上方的市政管線，對于地面交通與建筑物也不會造成較大影響，能夠精準控制地面沉降。

4.2.2 全面勘測施工區域地質情況

在進行頂管施工前，利用小螺桿沿著頂進軸線探孔，全面掌握頂管上方的土體情況，為后續制訂針對性的壓漿方案提供有力依據。通過這種方式，在頂進施工過程中可以通過改變觸變泥漿的注漿壓力與稠度等參數，避免發生冒漿的情況。

4.2.3 施工過程監測

本項目施工過程中，主要監測兩方面內容，分別是施工現場周圍土體沉降情況以及地鐵隧道的變形情況。具體的監測方案為：垂直位移由人工監測；直徑收斂與水平位移采用自動化監測設備進行監測，在矩形頂管穿越地鐵隧道的50.0 m范圍內合理布置點水平尺以及自動化數據采集系統。通過人工與設備監測配合的模式對施工過程進行全方位、全過程監測，采集詳細的數據，以便動態化指導施工活動，使作業人員能夠及時根據反饋的監測數據調整頂進速度、正面土壓力、泥漿濃度、注漿壓力等關鍵性施工參數。設定監測報警值如下：（1）垂直位移超過5 mm以上，同向變化速率持續3 d超過0.5 mm/d；（2）直徑收斂超過5 mm以上，同向變化速率持續3 d超過0.5 mm/d。

4.2.4 控制好頂推力

在進行頂進施工前，按照實際需要設置試驗段，獲取各項施工參數，為后續施工活動提供參考。正式施工過程中，當進入地鐵隧道保護區域10.0 m的范圍時，要嚴格按照事先試驗的參數精準控制頂進機速度、頂進壓力以及實際頂進距離。

4.2.5 換漿處理措施

考慮到矩形頂管頂進施工過程中可能會出現局部隆起或者沉陷的情況，在進行施工時選擇沿著頂進軸線預留跟蹤補土孔和補漿孔，共預留2排，孔間距控制在1.5 m，排間距控制在2.0 m。在頂進施工過程中，要實現同步注漿，將膨潤土泥漿套隨著頂管機機頭前移，從而形成連續的環形泥漿套。待頂進施工結束后，作業人員應馬上采用水泥-水玻璃雙液漿置換膨潤土泥漿。需要注意的是，換漿處理應在地鐵隧道內無列車運行的情況下進行，并且要控制好換漿壓力，換漿過程中嚴密監測隧道結構變形情況，若發現變形速率加快，則應立即停止加壓。

4.3 控制效果分析

本項目施工過程中，通過環境監測各項數據顯示，地表沉降最大的區域為始發井的前端區域，沉降累計值為12.5 cm，其他其余的沉降量均在5.0 cm以下。頂管上的雨水管道沉降量為2.0 cm，污水管道沉降量為2.2 cm，電力管道沉降量為2.2 cm；頂進施工結束后，技術人員分別對雨水管道、污水管道以及電力管道進行了檢測，均未發現滲漏水或者漏電的情況，所有市政設施均正常。項目中隆起變形最大的區域處于矩形頂管中間位置的正下方，隆起量最大為3.6 mm，頂管兩端區域的隆起量均在2.0 mm以下，這符合地鐵管理單位隆起量不超過5.0 mm的要求。總的來看，本項目的實施效果良好，基本實現了預期效果，這表明本項目制訂的MJS加固樁方案以及施工風險控制方案均起到了良好的效果。

5 結語

綜上所述，上穿地鐵隧道的矩形頂管施工項目相較于普通矩形頂管施工項目難度更大，需要綜合考慮多方面因素，尤其是施工活動對地鐵隧道的影響，因此，必須設計科學合理的施工方案，盡可能控制對土體的擾動，防止地鐵隧道發生較大的結構變形；施工前應制訂完善的風險控制方案，采取多種措施將風險控制在允許范圍內。