复杂环境下大截面矩形顶管施工管线保护技术

施文捷

（上海申通地铁集团有限公司，上海200031）

1 工程概况

轨道交通2号线东延伸段张江高科站位于浦东新区科苑路、松涛路之间，车站主体位于祖冲之路下，为地下二层岛式站台车站，车站共设有5个出入口。其中1号出入口为矩形顶管出入口，位于车站主体北侧，与祖冲之路“十”字相交，采用“地下暗埋箱涵拉顶结合技术”施工，矩形通道总长23.0 m，矩形管节外包尺寸为4 000 mm×6 000 mm，通道结构采用预制钢筋混凝土管节，管节净空为3 000 mm×5 000 mm，壁厚500 mm，管节长度为1.50 m，管节之间采用“F”型承插式接口，管节混凝土标号C50，抗渗等级P8，管节内预先放置预埋件，以将管节通过钢拉索相连。管节顶部覆土约7.20 m。

矩形顶管穿越的祖冲之路下有很多市政管线，由北向南沿祖冲之路走向的有22万V电力排管、18孔电信排管、φ500上水管、φ300煤气管、φ2400雨水管等。其中22万V电力排管、φ2400雨水管为重大市政管线，且分别处于矩形顶管出洞口及进洞口区域，22万V电力排管边缘距离南侧始发井出洞口SMW工法围护桩仅1.0 m，φ2400雨水管距离接收井围护灌注桩仅0.70 m，且基座距离矩形顶管通道顶部距离仅95 cm。始发井北侧有中科院上海药物研究所的危险品仓库，距离始发井基坑围护桩最近处仅2.0 m。

工程位置、周围环境及管线分布见图1所示。

2 工程地质条件

该工程施工场地平坦，属滨海平原地貌类型，场地地面标高3.74 m～4.03 m，矩形顶管通道顶标高-3.315 m，底标高-7.315 m。各土层主要物理力学指标见表1所列。

从地质资料来看，矩形顶管主要穿越第③淤泥质粉质粘土层、第④淤泥质粘土层。该两层土具流变触变性，扰动后强度迅速降低，矩形顶管施工时，软粘性土易粘着机头，造成堵塞；同时，矩形顶管上方存在着③T灰色粘质粉土，该层土极易产生坍塌、流砂、涌水等不良现象，对于矩形顶管进出洞过程中管线保护极其不利。

3 始发井、接收井进出洞土体加固及管线风险分析

3.1 始发井、接收井进出洞土体加固

一般来说，始发井出洞口土体加固至少为6排三轴搅拌桩，但该工程中出洞口上方存在着22万V电力排管，距离始发井南侧围护桩距离极近，而电力部门规定仅能在电力排管1.0 m外施工。因此，受电力排管位置所限，仅能利用出洞口1排内插700×300的SMW工法围护桩与后面一排三轴搅拌桩做出洞加固。

受φ2400雨水管及接收井围护灌注桩的位置的限制，接收井进洞口土体加固仅能采用一排三轴搅拌桩。

3.2 管线风险分析

顶管出洞时，由于正面土压力还处于摸索阶段，因此，很难保证正面土压力能够达到实际状态时的数值，出洞口上方土体不可避免地出现过度隆起或地面沉陷，而22万V电力管廊正好处于顶管出洞区，极易产生过大沉降而断裂。

在正常顶进过程中，顶管分别穿越φ500上水、φ300煤气，该两条管线一旦沉降过大出现事故，造成的后果极其严重，社会影响较大。

顶管机头进洞区域，φ2400雨水管底部垫层距离顶管顶部约95 cm，接收井围护形式为钻孔灌注桩，机头进洞前需人工破除机头范围内的钻孔灌注桩，且进洞加固仅有一排三轴搅拌桩，顶管上方约2.0 m处为③T层粘质粉土，极易产生流砂，从而造成顶管通道上方水土流失，轻者导致雨水管断裂渗水、漏水，重者导致整个车站区间被水淹没。

表1 地层特性表

4 矩形顶管顶进施工管线保护措施

4.1 地下暗埋箱涵拉顶结合施工技术

由于矩形顶管施工过程中机头不可避免地会产生偏差，因此，一般是通过在机头中间设置纠偏油缸纠偏，但在纠偏过程中机头正面土体不可避免地要被扰动，从而造成地面沉降加大，顶管上覆土体及管线沉降变形难以控制。

地下暗埋箱涵拉顶结合施工技术的施工过程基本等同于顶管施工技术，但是与顶管施工采用纠偏油缸纠偏不同，是采用导向拉索控制机头偏斜，通过顶力与拉力的共同作用使管节前进。在施工过程中通过导向拉索的导向作用，控制机头沿着预定的方向前进，保证机头不偏斜，过程中不纠偏，施工对地面沉降影响较小。

4.2 掘进机头（见表2）

为有效地减小前段壳体的长度，控制掘进机头掘进过程中的翻转，根据矩形顶管通道所穿越的地层地质情况，将掘进机头刀盘系统采用6个刀盘布置在同一平面上。刀盘组合进行正反转，可有效地控制掘进机头的侧转，保证顶拉进姿态。为进洞时保证φ2400雨水管的安全，减小刀盘切削时对土体的扰动和保证迎土面土体稳定，在掘进机前端设置长度500 mm的帽檐。

表2 JS4060矩形顶拉掘进机主要技术参数表

4.3 管线保护措施

根据地下管线资料，自始发井至接收井沿顶管通道轴线方向主要有22万V电力管廊、18孔电信管线、φ500上水、φ300煤气，φ2400雨水管等管线。其中22万V电力电缆处在出洞加固影响范围，易受到出洞阶段顶进不均匀带来的影响；接收井北侧的φ2 400雨水管底部埋深达到约6.5 m，与顶管净距仅为95 cm，在顶进过程中同样易受到土体扰动的影响，管线隆沉控制难度大。对于该工程来讲，位于始发井外的21孔电力电缆及接收井外的φ2400雨水管是该工程的重点保护管线。

顶进前管线主要保护措施：

（1）对21孔电力电缆采取悬吊保护。管线悬吊应结合现场场地要求设置，考虑如下方案：在顶管中心线处电力埋管上方，设置双层700×300型钢叠合吊梁对电力埋管进行吊管，然后通过d24钢丝绳抱箍（钢丝绳最小破断拉力281 kN）将电缆箱涵进行悬吊。悬吊前电缆箱涵的基础四角设∠140×140×12保护角钢；型钢叠合梁吊梁搭设在两侧的型钢外伸梁上，两者通过焊接连接；在暴露的管线上设置直接监测点，顶管顶进过程中进行时时监测，如果管线发生沉降可通过调节花篮螺丝的松紧来使管线不随地层沉降产生更大变形，从而有效地控制管线沉降。

（2）对φ2 400雨水管进行内部钢套环加固。单根钢环由三节构成，节与节连接采用螺纹连接，钢环采用10 mm钢板制成，每节钢环宽度为600 mm。保护范围是人行通道的正上方的雨水管道部分，约10 m宽，共需5套钢内套环。φ2 400雨水管保护措施见图1所示。

图1 φ2400雨水管内部接头加固图

（3）挖除φ500上水、φ300煤气管上部土体，在其上部架设φ300钢管，将φ12钢筋从φ500上水、φ300煤气管下部穿越，上部与φ300钢管焊接，焊接固定前先利用手摇千斤顶将φ500上水、φ300煤气管拉紧。

（4）在进洞口区域布设降水井。

为降低顶管进洞时的风险，考虑采用降水井降低其水位，控制③T层的水压力，使之无法形成流砂，确保顶管进洞安全。

参考工程地质手册，计算流土的临界水力梯度。

式中：Jcr——临界水力梯度；

γ′——土的有效重度，kN/m3；

γw——水的重度，kN/m3。

根据勘察报告取值，计算得出临界水力Jcr为1.86。

取计算安全系数Fs为2.0，则允许水力梯度为：J允=Jcr/Fs=0.93。

根据现场实测，取③T层水位埋深为2.0 m，则其至层底间最大水头为4.50 m。取③T层平均厚度为2.00 m，则它的最大水力梯度J=2.25。

为了确保安全，需要降低其最大水位为：H=2.64 m。

根据以上计算，结合现场的条件，该项目降水拟布设4口喷射井点，2口降水管井。其中，在接收井与φ2400雨水管间布设2口喷射井点，喷射井点外侧4 m位置各布设1口管井。另在φ2400北侧布设2口喷射井点。降水井的深度均为12.00 m。原接收井施工期间水位观测孔G1（深度8.00 m）可作为该工程水位观测孔。

降水井平面见图2所示，其结构见图3所示。

图2 降水井平面示意图（单位：mm）

图3 降水井结构示意图

根据前期降水预测，在顶管进洞时，应提前2 d开启喷射井点P1、P2进行降水，控制其水位降深达到2.00 m，即观测井G1水位埋深4.00 m；然后提前1 d开启管井Y1、Y2降水，控制其水位降深达到3.00 m，即观测井G1水位埋深5.00 m。其降水运行工况见表3所列。

表3 降水运行工况表

在顶管进洞前，凿除灌注桩过程中，机头上部土体无渗水现象，土体自立性好，无管涌、流砂现象出现，有效地保证了顶管机头进洞安全。

5 结语

该工程地处交通繁忙地带，周边环境复杂，且地下管线众多，重要管线分别处于顶管进出洞区域，通过科学地制订管线保护措施，精心地组织施工，全过程地信息化施工，完全可以成功实施。

在矩形顶管施工过程中，由于采用了拉顶结合施工技术，过程中不对机头进行纠偏。因此，管线沉降均控制在5 mm以内，完全满足设计要求。

在地下工程施工过程中，无论环境多么复杂，只要采取的技术措施得当，控制地面及管线变形在设计要求以内是完全可以做到的。

城市越来越拥挤，环境越来越复杂，在该工程中采取的管线保护措施，可为同行提供借鉴。

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