大断面矩形顶管下穿立交道口关键技术

王军辉

中铁开发投资集团有限公司 云南 昆明 650118

一、引言

由于顶管施工工艺具有不开挖地面、不破坏地面建筑物，不受气候和环境影响以及省时、高效、综合造价低等优点，使得它在我国城市轨道交通、综合管廊、过街通道等工程中有着越来越重要的地位和作用。但针对城市复杂的周边环境，如何有效的控制顶管下穿立交道口时对既有桥梁和道路的不利影响，已成为类似工程施工亟需解决的问题。本文以工程实例为背景，介绍了当前大断面矩形顶管下穿立交道口的关键技术措施。

二、工程概况

德平路综合管廊工程下穿武汉市主干路和平大道立交道口，穿越地质主要为富水粉细砂层，施工期地下常水位为-7m。该段管廊长81m，位于武汉市二环线高架桥10#-11#墩之间，管廊外墙与10#墩桥桩最小距离为3.46m。

初步设计为明挖基坑法施工，涉及交通疏解、管线迁改、绿化迁移等大量前期准备工作，经估算需耗资3600万元，耗时15个月。为减少施工对交通的影响、节约投资、加快工期，后经方案比选，确定采用矩形顶管法施工，设备类型为土压平衡式顶管机，最大顶力6000t，顶管覆土厚度约6m，截面外尺寸9.8m×5.2m，全长81m，纵坡为+0.25%。

三、大断面矩形顶管下穿桥梁风险分析

大断面矩形顶管顶进施工引起地层的位移会降低既有结构基础的承载力，同时引起附加变形、差异沉降以及侧向位移。临近桥梁桩基施工时，可能引发桥桩损坏、桥梁倾覆，造成巨大的经济损失和严重的安全事故。

为确保桥梁结构的安全性，施工过程中采取了MJS隔离桩主动防护和顶进过程控制两种技术措施，降低顶管施工对桥桩造成的不利影响。

四、技术措施原理

4.1 MJS旋喷桩主动防护原理

在矩形顶管与既有桥梁桥桩之间，主动设置单排MJS旋喷桩，一方面能起到挡土和隔断作用，限制土体及桥桩的水平侧向变形；另一方面能承担沉降传递过来的摩擦力，将桩内外的竖向沉降隔断，降低差异沉降的影响。

4.2 顶进过程控制原理

以监测数据为依据，通过调控顶管正面土压力、顶进速度、注浆量、轴线纠偏等参数，降低顶管施工对桥梁附近土体的扰动影响。

五、施工技术措施

5.1 MJS旋喷桩主动防护

5.1.1 隔离桩设计

在顶进施工前，利用三维数据模拟分析判定顶管施工对既有桥桩影响的大小，作为MJS旋喷桩施工范围、桩径、间距等设计的依据。在本工程中，MJS旋喷桩直径1500mm，间距1200mm，搭接宽度300mm，桩身伸入顶管底以下1倍顶管高度(约5.2m)，防护范围为沿顶管线路方向超出桥梁承台1倍水平间距长度（约3.46m）的两平行线区域。为尽量减小隔离桩施工对桥桩的影响，MJS旋喷桩与既有桥桩始终保持不小于1m的安全间距。

5.1.2 MJS旋喷桩施工步骤

MJS旋喷桩施工前，选择作业范围两侧边缘位置进行试桩，确定工艺中的各项技术参数。本工程MJS旋喷桩工艺参数见下表：

施工时由技术人员放样定出桩位，完成引孔机设备对位，引孔时立轴与桩位对正且垂直度误差小于1%，引孔深度至隔离桩设计桩底以下1m。引孔完成后，MJS旋喷桩设备下放钻杆至设计桩底，向上提升、旋转喷射水泥浆作业。

为保证既有桥桩安全，MJS设备喷浆期间须由技术人员密切监测地内压力，调整排浆量大小使地内压力始终维持在0.1Mpa～0.3Mpa的合理区间内。

5.2 顶进过程控制

5.2.1 土仓压力控制

根据顶管覆土厚度、土体性质、地下水埋深等因素计算确定土仓内理论压力，理论土仓压力取值介于顶管顶部侧面土压力与底部侧面土压力之间，计算公式见：

式中：

P上—通道顶管顶部的侧面土压力；

P下—通道顶管底部的侧面土压力；

K0 —侧面系数，K0=1-sinΦ，K0=1-sin28°；

Φ—土的有效内摩擦角，富水粉细砂层取值28°；

γ—土的容重，取值18.5kN/m3；

Z—覆土深度，Z上为6.9m，Z下为12.12m。

P上=18.5×（1-sin28°）×6.9=0.126Mpa

P下=18.5×（1-sin28°）×12.12=0.222Mpa

矩形顶管进入桥梁区段前，土仓内压力最初设定值略高于理论土压力值，取值0.13Mpa～0.23Mpa之间。

5.2.2 顶进速度控制

开顶时，先启动刀盘转动，再启动油缸推进；停顶时，先停止油缸推进，再停止刀盘转动。穿越桥梁区段前，做好设备检修、管片存储工作，顶管穿越时确保均衡连续作业，顶进速度控制在15mm/min左右。

5.2.3 注浆量控制

顶进过程中，在管道外壁同步压注触变泥浆形成一圈泥浆套，减小管道与土体间的摩阻力，可以减小顶管对于土体的位移。穿越既有桥梁时，通过采取增大同步注浆压力，使管节与土体间的建筑间隙得到充分填充，确保润滑效果。

压浆时坚持“随顶随压、逐孔压浆、全线补浆、浆量均匀”的原则。穿越桥梁之前,减摩注浆压力控制在0.5Mpa,穿越桥梁范围时控制在0.6Mpa，根据武汉市地区粉砂土层的地质情况，注浆量取理论计算值的3～5倍。

每延米注浆量公式：

式中：V—每延米注浆量；

k—扩撒系数，武汉地区地质取值3～5；

A、B—顶管机截面长度、宽度；

a、b—顶管管节截面长度、宽度；

本工程顶管单延米注浆量:

5.2.4 轴线纠偏

在正常顶进过程中，密切注意对顶进轴线的控制，在每节管节顶进结束后，必须进行机头的姿态测量，做到随偏随纠。实际上，顶管的纠偏过程必然会对周围的土体产生扰动，纠偏次数越频繁、纠偏值越大，对周围的土体扰动也就越大。

为减少纠偏对桥桩周围土体的影响，在穿越桥梁前，提前完成顶管机姿态的调整；穿越桥梁范围时，适当增大纠偏警戒值，增加姿态复测频率（每半环），做到尽量不纠偏、必要时尽量小纠偏。

5.2.5 优化顶进参数

顶进期间，根据实际的监测数据对顶管顶进速度、出渣量、土仓内压力等参数进行实时优化调整，以有效控制桥桩及土体变形量。

六、结束语

本工程的矩形顶管经过严格的技术措施控制，取得了较好的成果，第一、安全可靠：高架桥在顶进前后未有可观测到的位移及沉降；地面没有明显下沉及隆起，经观测沉降量为-8mm～+6mm；管线安全得以保证，顶管上方12处管线均无破裂及损坏；管节以高精度顶进贯通，误差为左右3mm，上下4mm。第二、不扰民，对地方交通无影响：整个施工过程全部在道路下方，且对道路无限载限速要求。第三、节约投资：经估算，采用顶管法比明挖法节约了投资1600万元。第四、加快工期：采用顶管法比明挖法节约了工期8个月。

大断面矩形顶管有效空间利用率高、浅覆土适应能力好，在城市轨道交通、综合管廊、过街通道等地下空间利用项目中逐渐被广泛应用，但目前国内缺乏针对临近建（构）筑物施工的顶管施工技术标准，本工程主要通过借鉴盾构施工技术及现场实践摸索，确定了一套行之有效的下穿立交道口顶管施工技术，能够为类似工程施工提供借鉴。