软土地区过街通道矩形顶管关键技术研究

魏登辉

中铁上海设计院集团有限公司 天津 300110

引言

随着我国城市轨道交通事业的快速发展，为更好地服务客流，满足建筑功能，出入口过街通道下穿主干路、快速路、高速公路的案例越来越多，在软土地区采用矩形顶管施工过街通道能很好地解决交通疏解和管线切改等难题。本文结合天津地铁4号线南段工程5座车站过街通道矩形顶管的设计及施工经验，总结软土地区过街通道矩形顶管设计及施工过程中的关键技术，为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

天津地铁4号线南段8标，共6站5区间，均位于天津市东丽区。车站主体均设置于津滨大道南侧，5座车站出入口均设置过街通道下穿津滨大道，采用矩形顶管法施工，该工法在天津地区地铁工程中属于首次大规模集中实施[1]。

沙柳南路站顶管长度约98.8m，由北向南上坡，纵坡为1%，顶管覆土厚度约为6.2～7.31m。约77°斜向下穿津滨大道、张贵庄排水河。受管线和交改制约，在始发井内设置临时后背墙和斜向牛腿，取消背后加固，始发端头加固采用MJS大直径旋喷桩，接收井吊装孔压缩为10.7m×5.3m。

登州南路站顶管长度约94.9m，由北向南上坡，纵坡为1.03%，顶管覆土厚度约为6.1～7.1m。约76°斜向下穿津滨大道、张贵庄排水河。受管线和交改制约，始发井端头和背后加固采用MJS大直径旋喷桩，接收井吊装孔压缩为10.5m×5.1m。

跃进北路站顶管长度约97.9m，由北向南上坡，纵坡为1%，顶管覆土厚度约为7.1～8.9m。横向下穿津滨大道，始发、接收条件较好。

航双路站顶管长度约88.5m，由北向南上坡，纵坡为2%，顶管覆土厚度约为6.2～7.9m。横向下穿津滨高速、津北公路，始发条件较好。受管线和交改制约，接收井吊装孔压缩为10.7m×3.2m。

民航大学站顶管长度约89.7m，由北向南上坡，纵坡为2.1%，顶管覆土厚度约为6.6～8.4m。横向下穿津滨高速、津北公路，出入口明挖段及始发井位于民航大学校内湖填筑场内。受航油管安全距离要求的制约，采用站内接收。

以上5条过街通道均已施工完成，采用土压平衡式矩形隧道掘进机，顶进时间约20～25天。

工程地质及水文地质概况：场地范围内土层从上而下依次为：①2素填土、④1粉质黏土、④2砂质粉土、⑥1黏质粉土、⑥2粉质黏土、⑦1粉质黏土、⑧1粉质黏土等，顶管部位主要位于⑥1黏质粉土和⑥2粉质黏土层； 场区内地下水位较高，勘察期间测得场地地下潜水水位：初见水位埋深1.5～3.4m，相当于标高0.81～1.54m。

2 线路特征

2.1 平面线型及纵断面坡度

矩形顶管机适应杂填土、淤泥、黏土、粉土、中粗砂、粉细砂等软土地层。平面线形要求为直线，不得转弯；始发井与接收井端面与顶管中心线一般要求垂直，若条件困难无法垂直，也可采用楔形钢环接头解决，如登州南路站始发井端墙与顶管中心线不垂直，采取特殊工艺处理，成功始发。顶管段长度不宜过大（88.5m～98.8m），超过100m时应设置安全疏散口。纵向坡度一般要求平坡，对于顶管工艺而言，线路纵向优先采用顶进坡度较小的上坡为宜；最大纵坡一般不超过+5%、-3%，宜在 -1%～+1%之间。

2.2 最小覆土要求

根据顶管通道的断面大小，其覆土厚度除满足工艺要求外，尚应满足抗浮及结构受力要求，根据地下管线情况及地面沉降控制标准确定，一般最小覆土满足0.8～1倍通道结构总高度要求，不满足要求时应采取可靠措施，确保顶板上部覆土的稳定[2]。

2.3 与管线最小距离

5座车站过街通道上方均有较多市政管线，其中控制性管线主要有：沙柳南路站∅1500污水管，距离顶管约2.6m；登州南路站张贵庄排水河，河宽20m，距离顶管约2.5m；跃进北路站DN1000污水管，距离顶管约1.1m；航双路站∅2000污水管，距离顶管约1.7m；民航大学站∅2200污水管，距离顶管约2m。

为确保地下管线的安全，顶管外壁距离地下管线的净距离一般要求≥0.8m，同时应尽量避开管线窨井、接头等位置。特殊管线，如民航大学站航油管最小净距要求≥5m。

3 断面尺寸

综合比较后，4号线南段出入口过街通道矩形顶管截面均采用6m×3.3m净空尺寸。采取3.3m净高顶管尺寸，可以考虑将吊顶上方排烟管分成两个支管设置，尽量减少设备高度，优化后吊顶下净高为2.6m，满足地铁设计规范最小2.4m的要求，且投资相对较小。管节壁厚450mm，保护层厚度为一般环境下的所有钢筋（包括分布钢筋）的净保护层厚度：外侧45mm，内侧35mm。

管节接口采用“F”型承插式，管节宽度采用 1.5m。矩形顶管排版设计时一般采用标准长度管节，必要时可微调工作井的相对位置以满足管节标准模数长度。如条件限制需采用特殊长度管节，其最小长度一般不宜小于1.0m。

4 工作井尺寸

顶管始发井的预埋钢环内净尺寸一般按管节外包尺寸单边加110～150mm的外放考虑。考虑顶管顶进过程中的允许施工误差，顶管接收井的预埋钢环内净尺寸一般按管节外包尺寸单边加160～200mm的外放考虑。洞口预埋钢环的具体尺寸大小应根据不同的施工设备确定。

始发井大小以顶管通道的大小及顶管机工作、进出管片、出土等要求确定，始发井净宽度一般不小于通道宽度两边各外扩1.5m；长度一般为顶管机长度（含螺旋出土器长）外加3倍管片环宽。本工程始发井开洞按9.9m×10.1m预留。

接收井的最小净长度和净宽度应满足顶管机在井内拆除和吊出的要求。接收井净宽度一般不小于通道宽度两边各外扩1.5m，长度方向净距一般为顶管机长度两边各扩出1.5m。受现场条件限制，本工程接收井最小开洞为航双路站10.7m×3.2m，接收井尺寸较小，顶管机拆除、吊出较为困难。

接收井一般采用明挖法施做，若接收井位置交通疏解及管线切改困难，可考虑采用站内接收方案；如民航大学站受航油管安全距离要求的制约，采用站内接收方案，可减少管线切改和交通导行，减少顶管接收井的施工时间，节省工期、降低造价，但是站内接收平台影响车站铺轨、站台板施工、区间盾构作业、车站顶板覆土回填等工序，需与全线铺轨及车站、区间施工工期紧密结合确定[3]。

5 始发、接收加固

进出洞及始发后靠背土体加固范围应根据地层状况、洞门破除要求确定，一般采用旋喷桩+搅拌桩加固，可采用预留降水井作为应急措施。始发、接收工作井加固长度一般不小于3m，宽为工作井左右各3m，围护结构转角处须包角处理，加固深度为通道顶底板上下各3m。

本工程顶管后背土体及始发加固采用五排∅850@600三轴水泥搅拌桩；接收土体加固采用四排∅850@600三轴水泥搅拌桩，一排旋喷桩；进出洞及始发可采用预留降水井（兼做观测井）作为应急措施。

条件困难时可以在加固土体内插入型钢或采用MJS大直径旋喷桩加固，如沙柳南路站和登州南路站受交通导改和管线切改的制约，始发井端头和背后加固采用MJS大直径旋喷桩。加固后的土体指标需满足工作井洞口凿除后土体的稳定性和抗渗性要求。当顶管的总顶力大于始发井后靠侧原状土强度时，为保证工程的安全，增加被动区土体的抵抗能力，可以对始发井后靠的土体进行地基加固，一般可以采用搅拌桩、旋喷桩等加固形式。

6 顶管防水

矩形顶管的防水设计应遵循“以防为主，刚柔结合，多道防线，因地制宜，综合治理”的原则，以工作井及钢筋混凝土管节的结构自防水为根本，以管节接头防水为重点，确保工程的整体防水。按照地下车站出入口、人行通道防水等级为一级的要求，即不得有渗水，结构表面无湿渍。

本工程管节间的防水措施主要有：

外侧防水体系：承插口钢套环采用厚18mm的钢板，长350mm，与承口混凝土结构密贴。插口混凝土结构外侧密贴楔形橡胶圈，插入承插口钢套环，在插入过程中，橡胶圈被压缩，密贴钢套环与钢筋混凝土结构，形成良好的防水体系。在承口处钢套环内侧粘贴遇水膨胀橡胶止水条，在承口与插口接口处设置嵌缝槽，嵌入双组份聚硫密封胶，保证承口侧的防水能力。

中间防水体系：在管片中部位置开槽，嵌入多孔型弹性密封垫。密封垫为三元乙丙橡胶。三元乙丙橡胶应与丁腈软木有相协调的压能力，保证拼装后的防水效果。

内侧防水体系：内侧防水体系为预留防水体系。在管节内侧两管节接口处设置嵌缝槽，后期可采用注入双组分聚硫密封胶形式或采用接水槽引水形式进行防水。

为减小进出洞渗漏水风险，防止地下水从顶管机壳体和洞门的间隙处流出，在始发时需安装洞门临时密封装置，洞口密封采用2道折叶式密封压板+2道帘布橡胶板。

7 施工注意事项

顶管施工采用土压平衡式顶管机，顶管初始顶进速度宜控制在10mm/min～20mm/min范围，顶进中的速度宜控制在20mm/min～30mm/min范围；土压力值设定应根据选用的顶管机类型确定。

顶管顶进过程中应采取防磕、抗扭转、防倒退及控制地面沉降等措施；每顶进一节距离或顶进2m～3m应测量一次顶管机的姿态偏差，并及时调整，控制管道沿设计轴线顶进。

正面土压力最初设定值随着顶进施工应根据实际顶进参数、地面沉降监测数据做相应的调整。

顶管顶进应采取下列措施控制地面沉降：①在顶进过程中，应根据理论出土量核对每节管片的实际出土量，使之保持一致；严格控制出土量，防止欠挖或超挖，尽量减少水土流失，控制好地面沉降。②应合理控制顶进速度，保证连续均衡施工，避免出现长时间机头停滞的情况；应根据反馈数据反复调整土压力设定值，保证掌子面土压力、出土量、顶进速度、注浆量和注浆压力等各项施工参数处于最佳状态。③同步注浆以及沿线补注浆应及时有效，形成完整的泥浆套环，压浆应先压后顶，顶管结束宜用水泥浆对泥浆套进行固化。

施工过程中如果发现管线或地面有大的沉降趋势，可利用管节内的注浆孔，使用快凝双液浆（水泥+水玻璃）对沉降区域进行底部加固，控制住地面及管线的沉降趋势。注浆量视实际情况而定，确保地下管线差异沉降量控制在允许值以内。顶管穿越风险源处，以及始发、接收时，建议通过打泥控制地面及管线的沉降及预防渗水。

为减小土体与管道间的摩阻力，在顶进时应及时在管道外壁压注触变泥浆，在管道四周形成一圈泥浆套环以达到减摩效果。触变泥浆性能指标：黏度＞30s，滤失量＜25mL/30min，比重1.02～1.3。

顶管机头吊出接收井后，应将管节与两端洞门间的缝隙进行封堵。一般采用单液浆置换出触变泥浆，对管节外的土体进行加固。浆液置换结束后，将管节和工作井钢洞门用钢筋连成一体，浇筑混凝土环梁。

顶管施工结束后，顶管管节间的缝隙先采用水泥填充，再使用双组分聚硫密封膏填充。嵌缝前必须将缝隙内的杂质、油污等清理干净，做到平整、干净、干燥。要求压紧刮平，防止带入气泡而影响强度和水密性。

8 结束语

针对地铁车站出入口过街通道下穿城市主干路、快速路、高速公路，交通疏解及管线切改困难等特点，过街通道可采用矩形顶管法施工，经现场施工监测数据显示，地表沉降、管线变形、管节防水控制良好；且施工过程中占地小、不开挖路面、不封闭交通、不迁改管线、低噪声、无扬尘，可为类似工程参考与借鉴。