上穿地铁隧道的矩形顶管施工设计与安全风险控制探究

张仙明

（中铁四局集团第二工程有限公司，江苏 苏州 215100）

1 引言

矩形顶管作为一种非挖掘式施工工艺，目前主要被应用于地下通道、电力管道、排水管道以及市政管网共同沟等市政工程项目。矩形顶管的优势在于对于地面交通影响较小，不会破坏市政管网、道路结构，对于周边环境的影响较小，同时相较于圆形顶管，矩形顶管能够充分利用地下空间。矩形顶管施工工艺目前已经相对成熟，但是若要上穿地铁隧道，进行施工活动可能会对地铁隧道造成影响，导致地铁隧道出现变形等问题，因此，此类项目的整体施工难度较高，不仅要合理设计施工方案，同时要加强施工风险控制。

2 项目概况

新丰路地下人行通道项目位于城市核心区域，上部为新丰路市政道路，下方为杭州地铁9号线隧道，通道需要上穿地铁隧道，为降低施工活动造成的影响，决定采用矩形顶管工艺。该通道全长75 m，覆土厚度为3.8 m，混凝土抗渗等级要求为P8。顶管采用矩形钢混管节，强度等级要求为C55，管壁厚度为0.45 m，长度为1.5 m，质量为33.5 t。通道与下方地铁隧道的净距约2.5 m，通道两端分别设置1座始发井与接收井，规格分别为9 m×10 m和6 m×10 m。

3 上穿地铁隧道的矩形顶管施工设计方案

3.1 施工方案整体设计思路

由于本项目中矩形顶管需要上穿地铁隧道，施工活动必然对地铁隧道造成影响，具体主要涉及两方面：（1）矩形顶管施工过程中，由于顶管机会对正面土体产生挤压作用，压力会传递至地铁隧道上，可能导致地铁隧道出现挤压变形；（2）矩形顶管施工过程中，地铁隧道上方土体减少，进而导致土体荷载下降，可能导致地铁隧道出现上浮变形。

基于上述两方面的考量，本项目的施工方案设计应注意以下3方面：（1）在矩形顶管施工过程中注意控制顶管机的后座顶力与出土量，释放正面土体压力，从而避免地铁隧道受到影响；（2）在矩形顶管施工过程中严格控制顶管轴线与高程，尽可能减少纠偏，甚至达到不纠偏的理想状态，从而减少对土体的扰动[1]；（3）在矩形顶管施工过程中，应根据顶管的卸载情况确定具体的保护措施。

3.2 预处理措施

结合本项目的实际情况，同时参考类似项目的施工经验，设计了3种预处理措施方案，分别是锚桩+盖板保护、MJS加固桩以及盖板+堆载保护。本项目中最先提出的方案是采用锚桩+盖板保护的方案经过项目严格论证与验算，结果显示抗浮反力偏小，与预期的效果存在较大差距。盖板+堆载保护的方案经过设计验算，堆载超过2 t/m2以上，不符合地铁管理单位的要求。MIS加固桩施工过程可控性强，对周围土层产生的扰动极小，并且具有良好的加固效果[2]。经过综合对比分析与论证，本项目最终采用了MJS加固桩的方案。

3.3 施工方案

本项目中，施工活动分为3个环节，分别是矩形顶管进洞环节、穿越地铁隧道环节以及最终的出洞环节。

3.3.1 进洞环节

本项目中，工作井和地铁隧道的净距仅32 m，而接收井和地铁隧道的净距更是仅9 m，并且在矩形顶管施工过程中需要下穿1条直径为1 000 mm的雨水管道、1条直径为300 mm的污水管道以及2条电力管道，同时上穿地铁9号线隧道。因此，施工过程必须严格控制水土流失，防止地面沉降。

待破除连墙围护结构后，即开始顶进施工。考虑到正面为全断面的水泥土，出于保护小刀盘与大刀盘的目的，应适当降低顶进速度，必要时可以通过加清水的方式润滑、软化土体，同时要注意避免井壁发生移位。待水泥土完全排出后，为达到控制顶进轴线、地面沉降以及防止顶管机发生磕头的情况，应适当加快顶进速度，同时尽可能减少对正面土体造成扰动，防止地面沉降[3]。

需要注意的是，在矩形顶管进洞环节，作业人员应根据观测到的地面沉降信息不断对各项参数进行调整，以求快速探索出各项参数的最佳数值或者最佳数值区间。

3.3.2 穿越地铁隧道环节

在矩形顶管穿越地铁隧道环节，首先要确保顶管机保持匀速顶进，速度不超过1.0 cm/min；同时要注意观测地面沉降数据，以便调整各项参数。具体而言，此环节中需要重点做好两项工作。

1）主要参数控制。包括正面土压力、出土量以及顶进速度。其中，正面土压力以朗肯土压力理论进行计算，根据现场观测到的数据，经过严格计算后对正面土压力进行调整。本项目中正面土压力初始值设定为0.08 MPa，在顶进过程中，通过不断调整优化，发现将正面土压力值控制在0.12 MPa效果最佳。关于出土量的控制，理论上单节顶管的出土量约44.0 m3，但在实际操作中出土量一般控制在理论值的98%左右，即43.0 m3，这样可以使上方土体略微隆起，能够有效控制后期土体沉降量。顶管机的顶进速度直接关系到出土量以及切口处的土压力，因此，在实际施工中需要不断调整优化，综合正面土压力、出土量以及顶进速度3项参数考量，本项目中此环节顶管机的顶进速度控制在1.0～1.2 cm/min。

2）顶进轴线控制。由于顶管机和土体之间存在5个接触面，因此，若顶进偏差过大，会直接导致纠偏难度加大，因此，在顶进过程中需要注意控制顶进轴线。作业人员应在单节顶管顶进完成后，根据顶进机的情况进行纠偏。需要注意的是，单次纠偏的幅度不宜过大，避免对土体造成较大扰动，导致管节之间出现张角的情况。

3.3.3 出洞环节

当顶管与接收井的距离达到6.0 m时，应停止首节管节的压浆；同时注意向后移动压浆位置，以确保顶管机在进洞前有约6.0 m的完好土塞效应，从而防止进洞过程中减摩泥浆流失过多，导致管节周围的边摩阻力突然增大。

当顶管机的切口进入接收井的洞口区域时，要控制顶进速度，以调整此时的出土量，降低正面土压力，避免顶管机被损坏，确保接收井洞口区域的结构稳定。

当顶管机的机头与地连墙距离在50 cm时，暂时停止顶进；破除连墙后，顶管机开始缓慢顶进。此时应注意控制主顶压力与顶进距离，若发现主顶压力突然升高，必须马上停止顶进。

4 上穿地铁隧道的矩形顶管施工安全风险控制

4.1 施工安全风险分析

本项目中，矩形顶管的覆土厚度仅3.8 m，同时距离下方地铁隧道也仅有2.5 m与同类型的矩形顶管施工项目相比，覆土厚度更浅，若要形成完整的减摩阻泥浆套难度较大。在矩形顶管顶进过程中，土体大量卸载会导致地铁隧道上方的荷载降低，易导致地铁隧道出现隆起的情况。而此处的地铁隧道由于建成投入运营的时间较短，其自身结构变形与沉降尚未完全稳定，若上方土体荷载再产生较大变化，很容易导致地铁隧道的结构变形更为严重。由于地铁隧道的结构变形具有不可逆性的特点，因此，一旦出现较大变形，很难恢复，可能直接影响到地铁隧道的运营。同时，在矩形顶管上方还存在1条雨水管道、1条污水管道以及2条电力管道，若施工不当，还可能对这些市政设施造成不良影响。此外，在MJS加固桩施工过程中，虽然对土体产生的扰动较小，但是也会对地铁隧道产生一定影响，可能导致地铁隧道被破坏。综上分析，本项目中主要存在的风险就是地铁隧道的变形控制、土体沉降控制以及MJS加固桩施工过程控制。

4.2 控制措施

4.2.1 选择合适的施工设备

结合本项目的实际情况，经过项目专家组的论证，本项目施工采用的是4.2 m×6.9 m的多刀盘土压平衡式矩形顶管机。该设备的优势在于顶进施工过程中能够最大限度保持土压平衡，对于周围的土体产生的扰动相对较小，不会影响到矩形顶管上方的市政管线，对于地面交通与建筑物也不会造成较大影响，能够精准控制地面沉降。

4.2.2 全面勘测施工区域地质情况

在进行顶管施工前，利用小螺杆沿着顶进轴线探孔，全面掌握顶管上方的土体情况，为后续制订针对性的压浆方案提供有力依据。通过这种方式，在顶进施工过程中可以通过改变触变泥浆的注浆压力与稠度等参数，避免发生冒浆的情况。

4.2.3 施工过程监测

本项目施工过程中，主要监测两方面内容，分别是施工现场周围土体沉降情况以及地铁隧道的变形情况。具体的监测方案为：垂直位移由人工监测；直径收敛与水平位移采用自动化监测设备进行监测，在矩形顶管穿越地铁隧道的50.0 m范围内合理布置点水平尺以及自动化数据采集系统。通过人工与设备监测配合的模式对施工过程进行全方位、全过程监测，采集详细的数据，以便动态化指导施工活动，使作业人员能够及时根据反馈的监测数据调整顶进速度、正面土压力、泥浆浓度、注浆压力等关键性施工参数。设定监测报警值如下：（1）垂直位移超过5 mm以上，同向变化速率持续3 d超过0.5 mm/d；（2）直径收敛超过5 mm以上，同向变化速率持续3 d超过0.5 mm/d。

4.2.4 控制好顶推力

在进行顶进施工前，按照实际需要设置试验段，获取各项施工参数，为后续施工活动提供参考。正式施工过程中，当进入地铁隧道保护区域10.0 m的范围时，要严格按照事先试验的参数精准控制顶进机速度、顶进压力以及实际顶进距离。

4.2.5 换浆处理措施

考虑到矩形顶管顶进施工过程中可能会出现局部隆起或者沉陷的情况，在进行施工时选择沿着顶进轴线预留跟踪补土孔和补浆孔，共预留2排，孔间距控制在1.5 m，排间距控制在2.0 m。在顶进施工过程中，要实现同步注浆，将膨润土泥浆套随着顶管机机头前移，从而形成连续的环形泥浆套。待顶进施工结束后，作业人员应马上采用水泥-水玻璃双液浆置换膨润土泥浆。需要注意的是，换浆处理应在地铁隧道内无列车运行的情况下进行，并且要控制好换浆压力，换浆过程中严密监测隧道结构变形情况，若发现变形速率加快，则应立即停止加压。

4.3 控制效果分析

本项目施工过程中，通过环境监测各项数据显示，地表沉降最大的区域为始发井的前端区域，沉降累计值为12.5 cm，其他其余的沉降量均在5.0 cm以下。顶管上的雨水管道沉降量为2.0 cm，污水管道沉降量为2.2 cm，电力管道沉降量为2.2 cm；顶进施工结束后，技术人员分别对雨水管道、污水管道以及电力管道进行了检测，均未发现渗漏水或者漏电的情况，所有市政设施均正常。项目中隆起变形最大的区域处于矩形顶管中间位置的正下方，隆起量最大为3.6 mm，顶管两端区域的隆起量均在2.0 mm以下，这符合地铁管理单位隆起量不超过5.0 mm的要求。总的来看，本项目的实施效果良好，基本实现了预期效果，这表明本项目制订的MJS加固桩方案以及施工风险控制方案均起到了良好的效果。

5 结语

综上所述，上穿地铁隧道的矩形顶管施工项目相较于普通矩形顶管施工项目难度更大，需要综合考虑多方面因素，尤其是施工活动对地铁隧道的影响，因此，必须设计科学合理的施工方案，尽可能控制对土体的扰动，防止地铁隧道发生较大的结构变形；施工前应制订完善的风险控制方案，采取多种措施将风险控制在允许范围内。