复杂工况条件下大断面矩形顶管接收施工技术*

梅 君，何 凡

(上海隧道工程有限公司，上海 200030)

0 引言

地下空间的开发利用在缓解城市发展空间短缺和提高城市复原力方面发挥着重要作用。城市轨道交通具有运量大、速度快、时间准、乘坐体验好等优势，可以连接城市不同地区。随着城市轨道交通的不断发展和延伸，新建地铁线路周边工况愈加复杂多变，施工空间进一步压缩，施工难度大。因此在车站附属结构过街通道施工过程中，为避免管线搬迁、道路翻交及建(构)筑物搬迁所产生的大量费用和工期损失，非开挖工艺特别是大断面矩形顶管施工工艺得到越来越多的应用[1-2]。

在顶管施工过程中，最关键的是始发出洞和接收进洞环节，顶管进出洞环节在很大程度上将决定顶管施工的成败[3-4]。特别在富水软土地层条件下，顶管始发接收阶段极易发生渗漏风险，引发周边敏感构筑物变形破坏。南京S8线南延工程大桥站1号出入口通道大断面矩形顶管工程，接收加固区环境复杂，受制于施工场地条件，有效加固长度仅2m，通过风险分析，综合采取弃置机壳配合结构现浇[5]，辅以加固区止水补强、增设应急降水井、顶管机增设注浆孔等技术措施，保障了顶管接收安全，同时地表及地面建(构)筑物沉降控制在允许范围内[6]。

1 工程概况

1.1 顶管通道概况

南京S8线南延工程大桥站主体位于江北新区浦珠北路与大桥北路快速路交叉口，车站为地下2层结构，南北向布置。附属1号出入口位于车站东侧，横穿大桥北路快速路高路基及辅道的连接通道采用矩形顶管法施工(见图1)。1号出入口顶管段包含2段，分别为1A—1B出入口顶管段和1A—车站主体站厅层顶管段，本文介绍1A—车站主体顶管段的接收施工技术。

图1 大桥站附属1号出入口顶管通道平面(单位：m)

1A—车站主体顶管段通道长约77m，共51节管节，节段长度1.5m，由1A出入口始发，车站主体站厅层接收。通道断面尺寸为4.9m×6.9m，采用1台新制的6 920mm×4 920mm×5 327mm多刀盘土压平衡顶管机进行施工。

1.2 工程地质条件

项目地处江北长江漫滩区域，主要为富水软土地层。矩形顶管顶部覆土厚度约3.937～6.453m，区间通道掘进地层主要为淤泥质粉质黏土及粉土夹粉质黏土(局部区域下部位于粉砂夹粉土层)，主体接收段位于②2b4层淤泥质粉质黏土。

1.3 周边环境概况

该段顶管通道周边环境复杂，区间先后穿越大桥北路快速路高路基及工字堡护坡，在主体站厅层接收井实现接收，如图2所示。主体接收井部位紧邻南京市重点保护文物——南京长江大桥北引桥及工字堡护坡，平面距离最近仅为10.42m，既有构筑物修建于20世纪60年代，为薄筏板基础，上部为砌体结构，整体性差，对沉降变形敏感、保护要求高，施工过程中沉降变形需控制在10mm以内。

图2 工字堡与顶管剖面(单位：m)

2 顶管接收风险分析

2.1 接收井加固设计

接收工作井位于车站主体站厅层，接收洞门断面尺寸为7.3m×5.3m，为了保证顶管顺利接收，对应部位结构中板施工下沉2m施工临时接收平台板，待附属1号出入口顶管施工完成后凿除恢复中板。考虑施工场地条件，接收井地基加固设计方案采用1排φ2 000@1 200 MJS工法桩+桩间三重管φ850@1 200高压旋喷桩，加固区沿洞圈范围两侧各延伸3m，深度为12m。

2.2 风险分析

2.2.1接收洞门渗漏风险

主体车站已完成轨道工程施工，安装与装修工程已基本完成，顶管接收过程若发生洞门渗漏将严重影响车站正常施工和周边重要构筑物的结构安全。洞门渗漏风险主要体现在以下方面。

1)顶管接收区域处于淤泥质粉质黏土层，下伏为粉土夹粉质黏土层及②3d2-3粉砂夹粉土层，其中②3d2-3粉砂夹粉土层为承压含水层，经验算承压水突涌安全系数为1.05，存在承压水突涌风险，且工程地处长江漫滩地层，各土层间含砂率及含水量高，与长江存在一定的水力联系。考虑本区间顶管通道掘进土层涉及②3d2-3粉砂夹粉土层，顶管顶进施工过程中造成地层扰动，极易引起水土流失，甚至引发洞门渗漏。

2)接收加固区施工受工字堡护坡影响，既有主体基坑围护地下连续墙与护坡挡墙间距离仅1.4m，设计进洞加固采用单排φ2 000@1 200 MJS工法桩+桩间三重管φ850@1 200高压旋喷桩，加固区有效宽度仅为2m，如图3所示。

图3 接收井洞门加固平面示意

主体基坑地下连续墙外侧设计有五轴搅拌桩槽壁加固，导致MJS工法桩及桩间高压旋喷桩加固止水受既有五轴搅拌桩槽壁加固影响，施工质量难以保证。同时经历了主体基坑开挖及结构回筑工况，既有五轴搅拌桩槽壁加固与地下连续墙间的接缝可能会拉开，为承压水提供了渗漏通道，在洞门破除及顶管接收过程存在渗漏及承压水突涌风险，如图4所示。

图4 接收井洞门加固剖面(单位：m)

2.2.2敏感构筑物沉降过大风险

本区间顶管接收段连续穿越东工字堡护坡、大桥北路快速路及西工字堡护坡后到达主体结构接收井。尤其是护坡区域为大块抛石砌筑而成，顶管上部覆土发生变化，顶进推力、正面土压力及刀盘电流等参数突变，若顶进参数调整不及时，极易引起地面重要构筑物发生较大沉降，影响工字堡及北引桥结构安全。

3 顶管接收关键技术

3.1 顶管机配置

顶管机是由4个小刀盘和1个大刀盘组成的大断面土压平衡顶管机，满足全断面切削要求。顶管机前部预留5个土压感应器，实时掌握全断面土体压力。主顶系统由12个300t油缸组成，总推力达36 000kN，最大顶进速度约为40mm/min。大刀盘输出转速为1.44r/min，转矩为1 475kN·m；小刀盘输出转速为5.5r/min，转矩为325kN·m。

3.2 加固区止水补强措施

接收加固区为五轴搅拌桩与单排MJS工法桩相结合，有效宽度仅为2m，考虑搅拌桩施工完毕后先后经历基坑开挖及结构回筑等工况，导致围护结构与搅拌桩加固体间存在渗水路径。为了进一步封堵洞圈周边围护结构与加固土体之间间隙，在接收井下部洞圈外侧(内衬结构上)打设1圈注浆孔进行水平注浆，开展加固区止水补强施工，如图5所示。

图5 洞圈注浆孔位

外圈注浆孔距离洞圈50cm，垂直内衬结构打设，水平间距0.8m，打设深度2.25m，打穿搅拌桩加固体。注浆浆液采用单液浆，由洞圈底部逐步向上压注，单孔由里而外进行注浆。在进行洞圈注浆时，在不堵管的前提下，选用水灰比0.5～0.6的P42.5级水泥浆液，增大水泥用量，起到封堵洞圈周边加固土体间隙的作用，稳定注浆压力0.5MPa，总压力≤0.8MPa。同时在洞门范围内提前开设水平探孔，查看注浆效果。

3.3 顶管机弃壳接收

主体段接收井周边工况复杂，构筑物对沉降变形敏感，保护要求高。为降低顶管接收风险，采用弃置顶管机外壳方式进行接收。即当顶管机前部壳体顶进至洞圈一定行程后，利用顶管机外壳与钢洞圈形成洞门封闭，管节不脱离顶管机，拆除刀盘、驱动及胸板等构件，保留壳体后进行现浇结构的接收方式，接收工艺流程如图6所示。

图6 顶管弃壳接收工艺流程

3.3.1接收洞门止水装置

由于接收井洞圈尺寸和顶管尺寸存在200mm的间隙，为了防止顶管机接收施工期间土体从该间隙中流失，在接收井洞圈周围1圈安装2道弹簧钢板，内部填充海绵。

3.3.2洞门拆除及顶管顶进施工

1)洞门地下连续墙拆除

洞门拆除应提前打设水平探孔，查看加固区渗水情况，同时安装上部钢洞圈范围内止水装置。当顶管机刀盘鼻尖靠上地下连续墙时，进行洞门拆除。在接收平台上搭设脚手架，然后凿除洞门混凝土，整体上分3次自上而下进行。①第1步 凿除内层混凝土保护层，凿除厚度为100mm，切割暴露出的内排钢筋；②第2步 凿除厚度为600mm，保留外排钢筋；③第3步 切除地下连续墙外排主筋及地下连续墙接头H型钢外翼板，凿除角部混凝土，剩余外侧保护层及分布筋保留，直接由顶管机顶进破除。

2)接收段顶进施工 ①当靠近接收洞门前10m范围内，重新复核测量控制点、顶管里程、姿态等数据。在进加固区前，调整最优的顶管姿态。②顶管机第45节管节顶进完毕时，顶管机刀盘鼻尖靠上加固区。逐渐降低切口压力，推进速度控制在3mm/min。若总推力过高可适当降低土压力及推进速度，每次土压调整幅度为0.01MPa，每节出土量控制在51m3左右。③顶管机第47节管节顶进1 050mm时，顶管机刀盘鼻尖靠上地下连续墙。此时加强对刀盘正前方加固土体改良，使加固土体以流塑状排出，尽量排空土仓内的渣土，逐步降低土压力，同时前3节管节进行刚性连接。④当顶管机刀盘靠上地下连续墙后，进行洞门凿除施工，迅速清理洞门内残余钢筋，保证接收时无障碍物。⑤洞门凿除完毕后，在洞圈底部两侧设置轨枕，保证顶管机姿态。顶管机继续快速向前顶进432mm，此时第48节管节顶进到位，顶管机前壳体出钢洞圈20cm，设备停机，现场具备洞门封堵条件。

3)洞门封堵及浆液置换

顶管机顶进行程到位，设备停机后，接收井洞门采用10mm厚钢板快速将钢洞圈与顶管机前壳体进行焊接，始发井洞门利用最后一节管节背覆钢板与钢洞圈实现焊接，同时用双快水泥封堵缝隙。在钢板上预设6个注浆孔，封堵结束后通过注浆孔进行洞门注浆，注浆采用双液浆。

区间始发、接收洞门封堵完毕后，及时进行浆液置换, 选用1∶1的水泥浆液，通过管节上的注浆孔向管道外壁压注水泥浆，加固通道外土体，消除对通道使用过程中产生不均匀沉降的影响。

4)结构现浇施工

区间洞门封堵完毕后，及时拆除顶管机刀盘、驱动、帽檐及胸板等构件，壳体内部加强劲板的割除应保留 4～5cm剩余高度，减少壳体的受压变形量。壳体内设备拆解完成后，在机壳四壁内搭设双层钢筋网片，并使用七字筋将双层网片与壳体焊接固定。钢筋工程完成后，模板安装按从下往上、由内向外的顺序进行安装固定，侧墙及顶板采用盘扣式满堂支架搭设。弃壳段现浇结构整体分3次浇筑，依次浇筑结构底板及侧墙，再进行剩余侧墙及顶板浇筑，如图7所示。

图7 顶管弃壳段施工

3.4 其他关键措施

3.4.1应急降水井

主体接收井洞门下部为粉土夹粉质黏土及粉砂夹粉土层，渗透系数大。考虑到接收加固区范围有限且存在冷缝，为避免洞门凿除过程发生渗漏及承压水突涌的风险，在接收井加固区两侧设置2口应急降压井，深度为26m。

根据前期现场降水试验状况，承压水初始水位为+0.120m，接收洞门底往上2.0m，开启J1，同步观测J2稳定水位为-2.120m(接收洞门底部)。

因此在洞门地下连续墙第2层凿除完毕后，开启2口应急降水井，同时顶管机快速顶进到位，洞门封堵完毕后及时关闭，降水井累积开启时间12h，有效降低了降水对周边地表及工字堡护坡的影响。

3.4.2应急注浆孔

1)为了保证接收洞口止水效果，在洞门口采取预埋注浆管的措施，当顶管机进入弹簧钢板后，若出现渗漏现象，利用洞门四周预埋注浆管向洞门压注聚氨酯，同时快速进行钢板封堵。

2)顶管机前、后壳体1圈各设置1寸应急注浆孔(共36个)，满足顶管隧道内快速压注聚氨酯渗漏处理需求。

4 沉降监测

本区间接收井周边环境复杂，保护要求高。根据监测方案要求，顶管施工过程中针对1.5倍埋深范围内的地表及构筑物进行监测。该区间顶管工程已顺利施工完毕，施工过程对地表、工字堡及周边护坡范围测点进行持续沉降观测，沉降监测数据如表1所示。

表1 施工期间周边沉降观测 mm

由表1可知，顶管施工期间，地表最大沉降值控制在5.39mm、工字堡及护坡周边最大沉降值控制在3.80mm，均满足设计±10mm控制指标，工字堡及护坡结构安全可控。其中地表及周边构筑物沉降变形最大断面分布在接收加固区与原状土交界部位。

5 结语

当前顶管区间已经施工完毕，顶管接收期间未发生渗漏、地面塌陷等险情，周边建(构)筑物沉降变形满足设计要求，取得了预期效果。本文针对顶管接收的施工技术措施及实施效果进行分析，结论如下。

1)在紧邻敏感建(构)筑物大断面矩形顶管工程接收采用弃置机壳+结构现浇的方式能够极大降低接收风险，保障结构及周边环境安全。

2)在富水地层中要尤其注意接收加固区的止水效果，必要时进行加固区补强，同时配合辅助降水降低洞门拆除过程的渗漏风险。

3)控制降水井开启时间，可以有效降低降水对周边地表及建(构)筑物的影响。

4)顶管接收过程要严格控制施工参数，及时进行浆液充填，做好各工序衔接，可以有效控制沉降变形。