合肥市大连路隧道下穿骆岗机场跑道管幕-顶进法分析

王斌，魏东方 （合肥市市政设计研究总院有限公司，安徽 合肥 230041）

1 工程概况

合肥市大连路（青海路-包河大道）位于骆岗生态公园内，沿东西向敷设，市政道路长约2.3km，为双6 车道的城市主干路，设计时速60km/h。道路中隧道设计范围为西起现状青海路，下穿老骆岗机场跑道后，止于同步建设的庐州大道。为保留老骆岗机场主跑道，机场跑道段大连路采用下穿隧道形式，暗埋段隧道长495m，敞口段长度235m。隧道在里程4-87.45～5-81.15 处下穿机场跑道，平面交角约69°。下穿机场跑道段隧道为保留老骆岗机场主跑道采用管幕-预制箱涵顶进法施工，长度约93.7m。路线由东向西下坡，结构纵坡-1%。隧道结构总高度8.55m，结构内部净高5.95m，顶、底板厚1.3m，侧墙厚1.2m，顶板加腋均采用1.3m×0.5m，底板加腋均采用0.5m×0.5m，箱涵主体全长为93.7m。隧道内道路使用净高不小于5.75m。隧道结构采用C50 钢筋混凝土结构，管幕采用直径1.6m 的钢管幕。具体工程情况见图1、图2。

图1 隧道纵断面

图2 隧道横断面

隧道管幕法顶进穿越地层层自上而下分为①层杂填土、④1 层粘土、④2 层粘土，隧道主要位于④2 层粘土，具体土层特性如下。

①层杂填土（Qml）：层厚3.7m，灰褐、黄褐、灰黄色、杂色等，骆岗机场区域一般为稍密状态，局部中密状态，其余区域多为松散状态，湿～饱和，含植物根茎、碎石、建筑垃圾等，局部地段夹较多淤泥质土。该层土全场分布，农田、林地区域以耕作土为主，竖向孔隙发育。

④1 层粘土（Q3al-pl）：层厚3.7m，黄褐、褐黄、灰黄色，硬塑状态，湿，光滑，无摇震反应，干强度及韧性高等。该层土底部以灰黄色粘土为主，具镜面光泽，网状裂隙发育，裂隙面充填有灰白、灰绿色粘土，为合肥地区较典型的膨胀土层。该层土全线大部分布。

④2 层粘土（Q3al-pl）：该层土部分钻孔钻穿，最大揭示厚度33.9m，褐黄、灰黄、黄褐色，硬塑状态为主，底部局部坚硬状态，湿，含铁锰质结核（局部富集）、氧化物、高岭土等，局部间夹薄层粉质粘土，光滑，无摇振反应，干强度及韧性高等。该层土全线分布。

2 管幕法设计方案

2.1 大口径管幕设计方案

管幕作为本工程重要的辅助性技术措施，要结合现场工程地质、水文地质条件、工程环境需要等因素具体设计。

①管幕的布置：设计考虑本工程地理位置、建设环境的特殊性，基于保证隧道施工安全可靠的原则，结合本场区工程地质和水文地质的分析，设计采用全封闭的管幕布设形式。

②钢管直径、壁厚：设计确定的管幕工程中，钢管直径为1600mm，壁厚16mm。

③钢管连接方式、锁口：钢管按单节长不小于6m 纵向分段顶进，钢管间通过围焊连接。横向钢管之间采用外接式锁口，锁口采用工厂焊接热轧不等边角钢。

④管幕施工：钢管顶进，管幕钢管顶进采用泥水平衡管幕顶管机进行施工，本次工程一共采用6 台泥水平衡管幕机，分为三个工作台同时展开进行；定位管为轨，侧管扣接施工，以较高施工精度的钢管（锁扣）为标准管，后续钢管或管排沿标准管锁扣顶进，锁扣将相邻钢管或管排横向扣接。

⑤管幕顶进顺序：管排沿标准管锁扣顶进，锁扣将相邻钢管横向扣接，钢管帷幕沿隧道结构外侧形成“纵向成梁、横向成拱”结构体系，管幕的施工顺序需结合现场场地条件。

⑥管幕顶进后的处理措施：利用钢管预留的注浆孔，向锁口部位压注微膨胀水泥浆。顶进施工前，钢管内填充免振捣、微膨胀混凝土，从而整体提高管幕的纵向刚度。管幕钢管施工完毕后，施作管幕梁，与管幕形成整体结构。

2.2 箱涵顶推设计方案

2.2.1箱涵施工方法

根据现场情况，箱涵采用顶进法施工，工作坑设在东侧（大桩号侧），由东向西顶进。箱涵底板前端设置船头坡，长度为1.0m，顶进行程93.7m。箱涵在滑板上预制，混凝土强度达到设计强度后，开始顶进。

2.2.2工作坑和后背

工作坑东南北两侧利用明挖段基坑支护，南侧采用放坡-钻孔桩-锚索的支护方式，北侧考虑到对管廊的影响采用放坡-双排桩支护方式。东侧采用已施做完成的隧道作为顶进后背反力，西侧采用放坡-斜支撑的支护形式。滑板采用C30 混凝土，厚度为0.3m，滑板底设碎石垫层和锚梁，碎石垫层厚0.1m，滑板底以下锚梁深0.7m。

2.2.3顶管推进系统

工作坑内管节推进动力主要为后背梁处53 台320t 千斤顶。箱涵的前进通过素混凝土传力块来实现，具体混凝土传力块大小施工单位可根据现场情况进行调整，但必须保证箱涵受力均匀。

2.2.4顶进工程掌子面支护

隧道箱涵顶进过程中掌子面的稳定需要依靠网格式机具头进行控制，应结合现场地质情况调整网格机械头的网格大小，但网格最大不超过2.5m×2.5m。不进行顶进施工时，需要对网格机具头处外漏土体进行硬化处理。

2.2.5箱涵顶进触变泥浆方案

箱涵顶进过程中，在箱涵与管幕之间需通过注入泥浆或加入止水剂的泥浆来及时填充箱涵与管幕之间的建筑空隙，达到箱涵与管幕支撑、润滑、止水作用，减少箱涵推进引起的地表变形，减少箱涵顶进的阻力。

箱涵顶进过程中，需设立同步注浆与补充注浆两套独立的注浆系统，同步注浆和补充注浆采用不同的浆液配比、注浆压力等参数，其中同步注浆目的为管幕得到良好的支撑、管幕与箱涵间保水效果好为主，补充注浆目的为减少管幕与箱涵结构间摩擦为主。

同步注浆系统与网格机具头一起设置，浆液中膨润土含量较高，浆液的流动性相对较弱，支撑性和保水性较佳。注浆控制则根据浆液实际配比，现场调试结果调整控制参数。

抗浮验算参数表 表1

补充注浆系统，则设置补充注浆控制台。补充注浆的位置和方量则需根据箱涵推力大小、顶部预埋泥浆压力盒数值大小、地面沉降监测结果等参数共同控制。补充注浆浆液应采用膨润土含量较低的稀浆，流动性好，支撑性和保水性较弱。注浆控制则根据浆液实际配比，现场调试控制参数。

2.2.6箱涵外周泥浆固化工艺

顶进完成后，需对管幕与箱涵间的泥浆进行置换。置换泥浆采用水泥和粉煤灰混合的强度较高的泥浆。在箱涵周围形成水泥浆硬化后套承担上部荷载。箱涵四周每隔6m 预留一道注浆断面，根据地表变形情况调整注浆压力和注浆量，待浆液凝固后，即形成一道位于管幕与箱涵间的横向支撑梁，可以传递荷载，从而不至于引起较大的工后沉降。

3 计算分析

3.1 大口径管幕计算分析

本工程钢管幕采用外径1600mm，壁厚为16mm 钢管。上覆土厚度取西工作井处最大埋深6m，计算土层容重20kN/m3，地面超载20kN/m2，地基弹簧刚度系数k=10000kN/m2，计算中不考虑钢管内充填混凝土。

考虑最不利施工工况，即箱涵推进到最后一节，此时机头间最近距离接收井为机头本身长度约2.5m，取最近距离3m。计算模型和结果见图3、图4。

图3 钢管计算模型

图4 钢管计算结果

钢管材料为Q235A，fy=235N/mm2，fv=125N/mm2，分项系数取1.25。最大弯矩设计值Mma×=1780×1.25=2225kN·m、最大剪力设计值V=690×1.25=862.5kN。采用理正软件对钢管强度进行复核，满足要求。

3.2 隧道结构计算分析

为分析隧道结构受力情况，采用有限元软件MIDAS Civil 进行结构受力分析，具体计算如下。

3.2.1计算参数

结构净高度8.55m，底板厚1.3m，顶板厚1.3m，侧墙厚1.2m，中隔墙厚0.8m。坑底位于④2 粘土层，加权平均静止土压力系数K0=0.5。计算荷载取值见表2。

结构计算荷载取值表 表2

3.2.2内力计算结果

隧道结构计算结果及验算见图5 和表3。

隧道结构计算结果 表3

图5 隧道结构计算结果

3.3 管幕顶进法隧道整体三维分析

为研究管幕-顶进隧道对地面的影响。对管幕-顶进隧道采取三维模拟计算进行分析。采用大型有限元软件midas.gts N×建立模型来模拟隧道施工工况。单元采用6 面体单元，土体本构模型选用修正摩尔库伦，隧道采用实体单元进行模拟，管幕采用杆系单元进行模拟。计算模型见图6，计算结果见图7。

图6 计算模型

图7 计算结果

通过计算，管幕-顶进施工对地层扰动较小，机场跑道最大沉降约12.6mm。施工较安全且对机场跑道影响小。

4 结语

随着城市发展趋于完善，在既有建构筑物下修建地下工程情况将越来越普遍。传统的明挖法已经不能完全满足地下工程建设的需求，传统的矿山法在一些敏感的城市中心地带存在较大的风险隐患。新型的管幕法或管幕-顶进法可以很好地对既有建构筑进行保护且施工风险较小。通过研究此类新型工法对解决类似工程问题有较为积极的意义。