某城市大截面矩形顶管设计

王 吉 翀

(大连理工大学土木建筑设计研究院有限公司，辽宁 大连 116024)

1 工程概况

随着城市化进程加快，地下空间建造技术的不断提高和发展，地下工程中顶管施工技术的运用越来越多，其中矩形顶管技术凭借诸多优势被广泛采用，矩形顶管比圆形顶管截面利用率高、覆土浅、施工成本低[1]，在地下结构及管线较多的城市中施工时可以减少对其他结构及管线的影响，增大地下空间利用率。

目前国内矩形顶管掘进形式主要以土压平衡式为主，土压平衡式顶管利用顶管机最前端的全断面切削刀盘，将正面土体切削进入刀盘后的贮留密封舱内，使舱内有适当压力与开挖面水土压力平衡，以减少顶管推进对地层土体的扰动。国内矩形顶管尺寸最大宽度已达10 m以上，6 m～7 m宽矩形顶管也有很多实际工程应用，矩形顶管顶进长度一般在70 m以内。

深圳市华润B通道项目位于海德三道下方，为南北走向，长约85 m。通道连接华润深圳湾综合发展项目地下室及深圳湾体育中心。连接通道周边情况：通道下穿海德三道，北侧有已经开工的地铁暗挖隧道；通道下方有地铁盾构隧道穿越；西侧后海站基坑采用连续墙+内支撑联合支护，深约25 m；南侧为华润深圳湾综合发展项目大基坑深约26 m，通道上方斜交有5 m×2.5 m的雨水箱涵及燃气管道、电力管道、污水管道等。本工程位于深圳市后海湾填海区，所在位置原始地貌为滨海滩涂，后进行了人工填海造地，上覆地层主要海陆交互相淤泥、淤泥质粘土、含有机质砂，上更新统冲洪积粘土、淤泥质粘土、砂层组成，表层为较厚的人工填土，人工填土层厚超过5 m，部分地段厚度超过10 m，填筑材料主要为碎石、块石、粘性土及砂砾。

2 地下连接通道方案对比

2.1 矩形顶管法与明挖法施工方案对比

2.1.1明挖法施工的优点

1)主体土建造价相对较低、施工快捷；

2)适合多种不同地质条件，可以有效的减少线路的埋深；

3)施工工艺简单、技术成熟、施工安全、工期短、施工质量易保证；

4)防水方法简单、质量可靠。

2.1.2明挖法施工的缺点

1)需要封闭交通，交通无法完全封闭时需要进行分段施工，会增加施工工期、成本；

2)需要改迁相关地下管线，需要和多个权属单位进行沟通，增加工程费用及施工工期；

3)明挖法施工为露天施工，施工现场发生的扬尘及噪声对环境的影响较大；

4)明挖法开挖量较大，对既有地下结构特别是隧道结构进行了较大的卸荷及重新加载的过程且卸荷时间较长，引起了原结构受力状态的改变，不利于原结构的安全。

2.1.3矩形顶管法的优点

1)施工不需开挖路面，避免了城区道路反复多次开挖的难题，大大降低了对城区交通、环境的影响；

2)施工速度较快，矩形断面顶管法施工速度可达3 m/d；

3)工程施工占地少，几乎不受地形地貌变化的限制，不用对地面上的各种市政设施等管道进行改迁、重装，节省了很大的工程拆迁费用；

4)操作方便，只需在敞开的工作坑内指挥吊装管段和装拆延长的管线，不需进入渠道内作业，不仅确保了安全生产而且节约了安全设施费用；

5)土压平衡顶管施工，对地面及底部土体扰动小，施工安全高，对周边其他结构影响较小；

6)地下施工，施工期间无噪声。

2.1.4矩形顶管法的缺点

1)主体结构造价相对较高；

2)矩形顶管法施工适用于软基地区，顶管机头对地质条件要求较高，要求线路中不能存在机头无法切割的障碍物，施工中遇到较大孤石及其他障碍物则需要局部开井的方式去除后才能继续顶进；

3)结构防水要求高，防水方法相对复杂。

地下通道平面布置见图1。

2.2 项目特点及方案选择

本工程位于深圳后海海德三道之下，地面交通繁忙；通道上方雨水箱涵改迁难度较大；本工程位于地铁11号线红树湾站—后海站区间隧道上方，距离地铁保护区较近，对施工安全性要求较高；隧道范围内支护结构无法进行桩基施工且为软基地区，支护结构设计难度较大，施工过程风险较高。

根据上述情况经分析得知，本工程主要结构采用矩形顶管施工法在结构设计及施工过程中更为安全可靠，考虑管线改迁、交通管制等费用后经济成本更低，同时还可以最大限度减小噪声及扬尘污染等环境问题。但在进行顶管施工之前需要探明各种管道位置，根据实际位置进行结构设计，提前清除顶进线路中存在的障碍物。

3 大截面矩形顶管的设计

大截面矩形顶管的设计分为工作井结构设计及顶管结构设计。除了结构自身达到设计强度之外，还要考虑围护结构及顶管结构自身的防水设计。在平面及纵断线形上需要优化设计以满足通道线路自身的功能性，同时避开各种管道线路，并不侵犯地铁保护区。

3.1 矩形顶管工作井设计

工作井的位置需根据现场条件合理选取，根据连接的主体结构预留口、管线位置、已有地下建筑等条件确定。工作井形状一般有矩形、圆形、腰圆形、多边形等几种，其中矩形工作井最为常见，圆形井多用于不同方向顶进及深坑作业。工作井内净宽度应满足顶管总宽度+人工操作宽度，人工操作宽度一般至少预留1.2 m以上。工作井的深度应考虑垫层、顶进设备导轨厚度、管道外边缘至导轨之间的高度。本工程始发井的设计采用矩形钢筋混凝土箱型体系，内墙净距为8.9 m×10 m，内设3层φ609 mm钢管内支撑，支撑预加轴力600 kN，围护结构采用φ1.2 m@1.5 m钻孔灌注桩，桩间采用φ0.8 m双管旋喷桩止水。接收井下方为地铁及隧道线路，无法进行桩基施工，接收井采用肋板式钢筋混凝土挡墙结构，内墙净距6.4 m×10.5 m。本工程始发井采用北侧墙体有原状土，在进行了4排φ600双管旋喷桩加固后可以作为后座墙使用；始发井南侧采用6排φ600双管旋喷桩加固并注浆以加强止水作用(见图2，图3)。

3.2 矩形顶管结构设计

管节截面宽度及高度根据建筑界限要求考虑使用功能、装修装饰等多种因素确定，本工程矩形顶管截面尺寸为6.9 m×4.9 m，壁厚0.45 m，为目前全国较大断面矩形顶管，标准管节长度1.5 m，共31节管节，管节采用C50预制混凝土管片，混凝土抗渗等级为P10，顶进长度为47.1 m。

3.2.1顶管管身受力分析

矩形顶管的受力分析可取1 m或单个管节长度的框架单元分析，设计荷载主要为结构自重、地层压力、静水压力及浮力、地面车辆荷载、人群荷载、施工荷载。在计算时不考虑土卸荷拱作用。顶管在施工过程中自身受千斤顶顶力的抗压承载力设计一般不控制截面尺寸(见图4)。

3.2.2顶管设计中的其他问题

1)顶管管片接口采用“F”承插式，接缝防水装置采用锯齿形水圈和双组分聚硫密封嵌缝。

2)由于顶管管片吊装及拼装止退需要，每环管片环向设置预留孔洞，每边设置两个。

3)为了管片顶进过程中减摩注浆及顶进施工完毕后置换双液浆需要，每环管片沿环向布置注浆孔。

在开挖施工难以进行或根本不允许进行的情况下，顶管工程可以顺利解决明挖法施工难以完成的任务，深圳市地铁项目繁多，本工程采用矩形顶管施工可以减少对地铁线路的扰动。

4 本工程在设计及施工中的关键问题

1)围护结构始发井的设计施工难度大，距离市政雨水箱涵较近，对桩基施工精度要求高；实测管涵位置与原图位置不符，与施工单位沟通后对围护结构进行了调整,缩小了顶管施工的操作空间。

2)顶管距离上方雨水管涵(1.16 m)及下方地铁隧道(3.76 m)最近距离较小，在顶进过程中需要根据顶管的设计要求实现实时的调向、纠偏，对顶进系统要求较高。虽然矩形顶管相比圆形顶管较难发生扭转，但矩形顶管刀盘转动方式与圆形顶管不同，一旦发生扭转更难纠正，在顶管始发阶段，采取加焊弧形钢板，限制顶管机身两侧空间，从而使顶管机不能发生扭转。在顶进阶段，可以通过机身两侧抗扭翼板限制机身的扭转。

3)接收井侧现有围护桩上非可拆卸预应力锚索的拆除难度大，对施工精度要求高。本工程锚索拆除采用了跟管钻进套取法，将锚索套进空心钻杆内，通过钻机沿着锚索方向掘进，直到破除锚索周围的锚固体拔出锚索。此工程必须要求有经验的施工单位进行施工，锚索拆除一旦中途失败将会给后期顶管施工带来较大困难。本工程在设计及施工过程中充分考虑了工程的各项风险及应对措施，顶管施工后地面沉降、地下管道、周边围护结构以及地铁结构内的监测数据均在可控范围内。

5 结语

1)本文探讨了大截面矩形顶管实际工程的设计及施工，对比了明挖法施工及顶管法施工的优缺点。2)大截面矩形顶管施工技术适用于软基地区地下通道工程，顶管施工采用土压平衡式顶管机，可不阻断交通，不破坏道路和植被，因而可以避免开挖施工所带来的居民生活和交通干扰，以及对环境建筑基础的破坏影响，无污染，无噪声。在开挖施工难以进行或根本不允许进行的情况下，顶管工程可以顺利解决明挖法施工难以完成的任务，对于地铁项目繁多的城市，采用矩形顶管施工可以减少对地铁线路的扰动。3)本工程中使用的，非可拆卸式锚索拆除技术为地下工程施工带来了便利，深圳市地下工程繁多，地下支护锚索与拟建工程冲突较为常见，如不提前拆除可能导致盾构刀盘卡死影响工程进展，本工程既有锚索拆除工艺可以解决这一关键问题，对锚索拆除技术的应用和发展具有借鉴意义。4)深圳市华润B通道大截面矩形顶管工程的成功建设，证明了矩形顶管通道在软基及地下水丰富地区的工程安全可靠，为后续类似工程的设计及施工提供了参考依据。