矩形顶管上穿既有地铁隧道卸荷平衡施工

矩形顶管上穿既有地铁隧道卸荷平衡施工

吕远

武汉市市政建设集团有限公司

摘要：在矩形顶管上穿既有地铁隧道时，通过开展现场监测、理论分析及数值分析，在实践中不断摸索，总结出一套可有效控制既有地铁隧道和周边地层变形的矩形顶管隧道上穿卸载平衡施工工艺，即提前计算开挖影响范围，然后动态监测土层及隧道变形，当隧道变形较大时及时堆载压重，并同步加固土层。该工艺在武汉市某综合管廊工程项目矩形顶管上穿地铁4号线工程中得到了成功应用，有效控制了既有隧道和地表的变形，并保证了施工安全，具有极大的推广应用价值。

关键词：矩形顶管；卸荷平衡；堆载压重

引  言

伴随着城市地下交通网络的不断完善，在有限的城市地下空间中将不可避免的遇到矩形顶管上穿既有地铁隧道建设的问题。顶管开挖由于其开挖的土体重量远大于安装的管节重量，会产生卸荷效应，从而引发下方既有地铁隧道出现整体或局部的隆起变形，进而导致下方盾构隧道结构产生诸如管片破损渗水、接头张开、纵向不均匀沉降等一系列病害，严重者将导致机车脱轨等严重安全事故。因此，如何在保证既有地铁隧道正常安全运营以及控制周围土体变形的基础上，开发与既有地铁隧道上方矩形顶管施工相适应的新型施工工艺，具有极高的社会经济效益。

1  工程概况

武汉市某综合管廊工程二期项目位于武汉市洪山区，分别为：蓝天横路（信和西路-杨春湖路）、沙湖港北路（信和西路-绿岛西路）、信和西路（蓝天横路-欢乐大道）、蓝天路（蓝天横路-沙湖港北）、绿岛西路（蓝天横路-沙湖港北路），全长4.048km。其中沙湖港北路段管廊上穿既有地铁4号线采用顶管法施工，矩形顶管尺寸为7.0*4.6m，覆土埋深8m，顶管与地铁四号线最小净距约5m。

图1.1  武汉市主城区综合管廊布局

图1.2  矩形顶管与既有地铁4号线关系

2  工艺原理

既有盾构隧道的变形程度受矩形顶管的掘进距离Li影响，理论及大量现场监测结果表明当顶管开挖面距离既有隧道轴线3倍隧道直径D范围内为主要影响区，此时既有隧道会产生较大变形，而顶管开挖至3倍隧道直径D范围外为次要影响区，此时对既有隧道影响较小，如图2.1所示。

图2.1  既有隧道最大隆起随顶管掘进距离实测与计算值对比

现场实测及理论计算结果表明，矩形顶管掘进对地表的影响范围略大于圆形隧道，圆形隧道对地表的影响角α为45°，而矩形隧道约为47°，如图2.2所示。

图2.2  矩形顶管掘进引起地表沉降实测与计算值对比

矩形顶管开挖过程中由于开挖的土体重量远大于安装的管段重量，这会使下方土体由于卸荷效应而产生卸荷压力，从而引发既有隧道变形[1]，而根据土体开挖重量，及时对顶管进行堆载压重，可平衡下方土层由于卸荷效应而产生的卸荷压力，从而实现控制既有隧道变形的目的。

矩形顶管施工过程中对周围土体压注固结浆液，浆液渗入土体并快速硬化，浆液将土中的自由水和气体排挤出去，通过充填裂隙或空隙，胶结周围土体形成较密实的固化体，从而提高土层的抗压强度和抗渗性，达到减少土体变形的目的。

3  施工工艺流程及操作要点

3.1  施工工艺流程

图3.1  工艺流程图

3.2  操作要点

3.2.1  布置地表和隧道变形监测点

在顶管正式施工前1~2个月对地表和既有地铁隧道布置变形监测点，其中地表监测断面布置2~3处，各断面监测点布置范围依据矩形隧道对地表的影响角α=47°进行布置，布置间距从顶管顶进轴线两侧按0.5m、1m、2m进行布置，如图3.2所示。

图3.2  地表沉降点布置

既有地铁隧道变形监测断面布置范围为左右两侧距离顶管顶进轴线60m，布置间距从顶管顶进轴线两侧按5m、10m、20m进行布置，各断面内共布置5处棱镜，如图3.3所示，以监测隧道拱顶竖向位移、道床水平位移和隧道净空收敛。

图3.3  隧道变形监测点布置

3.2.2  计算开挖影响范围

矩形顶管施工对既有隧道的影响程度随开挖面的掘进距离动态变化，在顶管开挖前结合工程资料和理论方法计算开挖的影响范围，将既有隧道视为搁置于Pasternak地基上的Timoshenko梁模型，如图3.4所示，采用Mindlin解和有限差分法计算既有隧道最大隆起值随开挖距离的变化图，将隆起值无显著变化的区间定为次要影响区，有显著变化的区间定为主要影响区[2]。理论及大量实测结果表明开挖面距离既有隧道轴线3D范围内为主要影响区，3D范围外为次要影响区，如图3.5所示。由于理论计算结果与工程存在一定误差，因此应以理论计算范围多1~2D作为主要影响区。

图3.4  开挖影响范围计算模型图

图3.5  新建隧道开挖影响区

3.2.3  顶管顶进及顶进测量

(1) 顶管顶进速v在次要影响区控制在3~4m/d，在主要影响区控制在2~3m/d，顶推力F结合工程情况按照式(1)计算，其余施工参数需不断根据地表及隧道变形反馈数据动态调整，以达到最佳状态。

F=F1+F2                 （1）

式中：F——最小顶力（kN）；

F1——管道与土层的摩阻力（kN），F1=（a+b）×2Lf；

L——管道顶进长度（m）；

f——管道外壁与土的平均摩阻力（kN/m2）宜取7~12；

F2——顶管机的迎面阻力（kN）F2=a×bR1；

R1——顶管机下部1/3处的被动土压力；

a——顶管机宽；b——顶管机高；

(2) 顶进过程中密切控制顶进轴线，在每节管节顶进结束后，必须进行机头的姿态测量，机头一旦出现微小转角，立即采取刀盘反转、加压铁等措施回纠。

(3) 顶管机出土采用螺旋输送机+轨道土箱+卷扬机+履带吊的形式出土，如图3.6所示，在顶进过程中，尽量精确地统计出每节的出土量，力争使之与理论出土量保持一致，避免超挖或欠挖，确保正面土体的相对稳定，减少对地层的扰动。

图3.6  顶管机出土

(4)顶管顶进过程中通过始发井后方的全站仪密切监测顶管的顶进距离，将顶进距离纪录并与开挖影响范围进行对比，随着顶管继续开挖，逐步增加对顶进距离监测的频率，次要影响区内1天1~2测，主要影响区内1天3~4测，以便及时判断顶管开挖面所处的影响区，测量流程如图3.7所示。

图3.7  顶进测量流程

3.2.4  压注土体固结浆液

(1)顶管顶进时通过管壁注浆孔及时压注固结浆液，如图3.8所示，使浆液渗入顶管周围土层，在土层中硬化，从而达到加固土层的效果。

(2)压浆顺序：地面拌浆→启动压浆泵→总管阀门打开→管节阀门打开→送浆→管节阀门关闭→总管阀门关闭→井内快速接头拆开→下管节→接2英寸总管→循环复始。

(3)注浆材料及配比：胶凝材料采用P042.5水泥，合适的浆液配比既能提高浆液的扩散加固范围又能控制浆液的胶凝时间，浆液配比要控制在以下范围内：水灰比为0.5:1~1:1。

(a)管节注浆孔及单向阀

(b)管节注浆阀门

图3.8  压注固结浆液

3.2.5  地表和隧道变形监测

(1)在顶管顶进过程中，采用水准仪或全站仪对地表沉降进行监测，对既有盾构隧道的变形使用智能化全站仪进行监测，当顶管开挖面处于次要影响区时，监测频率为2~3次/天，当顶管开挖面处于主要影响区时，监测频率为3~4次/天[3]。

(2)当开挖面在进入主要影响区前，若监测得到的既有隧道最大拱顶竖向位移值小于3mm，则无需对管节采取压载措施，后续根据顶管掘进过程中既有隧道最大拱顶竖向位移值是否大于3mm决定是否采取压载措施。

图3.9  地表变形实时监测

3.2.6  堆载压重

(1)为减少既有隧道因矩形顶管施工卸载引起的纵向隆起变形，待顶管开挖至主要影响区时，每次对隧道前方土体开挖一个管节的容量后，及时计算出开挖土体与管节的重量差，采用同等重量差重量的预制C20素砼对开挖处管节实施压载。

(2)为方便后期搬运，采用九夹板对素砼进行分层分块，每块尺寸为1m×4m×0.5m，后期配合滑轮车及吊车运出，素砼置于管节轨道内两侧，避免影响滑轮车通行。

(3)待每一管节土体开挖至堆载压重完成后，方可进行后续土体的开挖工作。当已压载的管节离开主要影响区时，应将其用于压载的素砼搬离至后续进入主要影响区的管节上。

3.2.7  主要影响区土体加固

若对顶管采取了压载措施，则在顶管全程贯通后通过管节注浆孔对主要影响区内的土层进行注浆加固，加固后逐节搬离用于压载的重物，并同步监测既有隧道变形，若每节重物搬离后，既有隧道变形稳定，则继续搬离下一节重物，直至全部搬离，如变形不稳定，则继续注浆或采取其他地层加固措施，直至搬离重物不会影响隧道的后续变形。

4  质量控制

4.1  施工质量标准和规范

（1）《地下工程防水技术规范》（GB50108-2008）

（2）《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）

（3）《建筑工程施工质量验收统一标准》（GB50300-2013）；

（4）《城市管廊工程技术规范》（GB50838-2015）

（5）《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJ/T 202-2013）

4.2  顶进轴线控制

（1）在每节管节顶进结束后，必须进行机头的姿态测量，并做到随偏随纠，且纠偏量不宜过大，以免土体出现较大扰动及管节间出现张角[4]。

（2）顶进轴线偏差控制要求：高程±50mm；水平:±50mm。

4.3  既有地铁盾构隧道及地表变形控制

（1）邻近既有地铁盾构隧道变形控制标准：

表4.1  隧道变形报警值

（2）每次监测后，应及时记录并对监测数据进行分析，形成报表，应便于及时指导施工。

（3）若顶进过程中地表隆起或沉降值超过5mm，则及时放慢顶进速度，出现隆起则减小开挖面土压力，出现沉降则增大开挖面土压力，并且增加管壁注浆量，以减小因土体损失造成的地表沉降。

5  结论

在矩形顶管上穿既有隧道中采用本方法可有效控制对既有隧道和地表的不良影响，根据顶管的开挖距离以及实时监测数据对既有隧道采取有针对性的控制措施，可避免因盲目控制而造成的人力、物力损耗。

矩形顶管上穿既有地铁隧道卸荷平衡施工工艺已成功应用于武汉市某综合管廊工程二期矩形顶管上穿地铁4号线工程中。矩形顶管全长为70m，综合管廊采用矩形两舱断面，标准断面尺寸为B×H=7.0m×4.6m，位于长江三级阶地地层，其距离4号线隧道的净距仅5.0m。

2021年12月20日，综合管廊矩形顶管先顶进，主要穿越7-1黏土层，已于2022年3月顺利贯通。

工程以“动态监测、实时反馈、卸荷平衡”为指导方法，顺利完成了矩形顶管安全顶进任务，综合管廊穿越期间，下方既有4号线盾构隧道拱顶最大竖向位移为2.4mm，道床最大横向位移为1.5mm，道床最大竖向位移为2.5mm，隧道断面横向收敛最大变形值为2.6mm，地表最大隆起值3mm，最大沉降值5mm。以上变形均在规范容许范围内。

应用结果表明，本方法在矩形顶管上穿既有地铁隧道开挖过程中，可以有效控制周围土体和邻近既有地铁盾构隧道变形，为顶管附近的既有地铁盾构隧道提供了良好保护，将变形控制在容许范围内，避免了工程事故问题及施工工期延误，具有良好的社会效益和经济效益。

参考文献

[1] 中华人民共和国国家标准，GB50838-2012，城市综合管廊工程技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[2] Liang R, Kang C, Xiang L, Li Z, Lin C, Gao K, Guo Y, 2021. Responses of in-service shield tunnel to overcrossing tunnelling in soft ground. Environmental Earth Sciences. 80(5), 1-15.

[3] 陈亮,黄宏伟,王如路.近距离上部穿越对原有隧道沉降的影响分析[J].土木工程学报,2006,39(6):83－87.

[4] 张烨.矩形顶管近距离下穿大断面排水箱涵施工技术[J].山西建筑,2017,43(30):83-85.