大断面矩形顶管下穿高速公路施工关键技术研究

宁三子 杜文 杨涵

摘  要：随着顶管技术的不断发展，大断面顶管下穿既有建构筑物的施工日益增多，如何控制大断面顶管下穿施工对既有建构筑物的影响具有重要的研究价值。在此背景下，以广州市中船中路综合管廊下穿东新高速工程为依托，对大断面矩形顶管下穿既有高速工程施工的关键技术问题进行了研究，提出了严格控制顶进施工参数、进行渣土改良、采用MJS工法桩加固洞周土体、注入触变泥浆进行充分减摩以及做好顶进施工中的管节止退等保障既有高速在顶管全施工过程中运营安全的系列技术措施。工程现场监测表明，采用这些技术措施，可使运营高速变形在顶管施工的全过程中均处于安全状态，因此，这些技术措施具有较高的推广应用价值。

关键词：矩形顶管;大断面;下穿施工;关键技术;变形控制

引言

顶管法是指隧道或地下管道穿越铁路、道路、河流或建筑物等各种障碍物时采用的一种暗挖式施工方法，其基本原理是通过在工作井内安装支座及掘进机，通过主顶油缸及中继间等产生的推力，将顶管管节和掘进机从工作井一直推至接收井内完成施工。相较于盾构法，顶管法更适用于浅覆土、短距离情况下的掘进施工，因此，顶管法在工程实践中得到了广泛应用。

尽管顶管法相较于传统隧道施工方法对周围环境的影响更小，但对其施工环境影响的控制仍然至关重要。为此，国内外众多学者进行了相关研究。陈兵等[1]对顶管顶进过程中地表沉降的原因进行了深入分析，得出顶管机及管节与土体间的多次扰动时造成的地层损失是地表沉降的根本原因。姜洪建等[2]基于郑州市沈庄北路-商鼎路下穿中州大道隧道工程，通过工程实测数据分析及有限元分析得到了頂管法隧道施工中地表沉降的规律;王晓睿等[3]通过数值模拟分析得到隧道开挖引起的地层损失是诱发地层变形的主要原因，进而针对依托工程提出了优化的施工方案以控制地层沉降。顾阳华等[4]对上海轨道交通12号线漕宝路站顶管工程进行了研究，发现采用洞门止水装置、注入触变泥浆减摩等措施在控制地表沉降方面具有良好效果。郑书朝等[5]依托上海地铁13号线陈春东站顶管工程，对工程中控制地层沉降所采用的注入触变泥浆减摩及止退装置等进行了详细阐述。黄宏伟等[6]采用三维数值方法研究了顶管法施工引起周围土层的应力及地表位移分布规律。房营光等[7]通过现场监测试验，对大型顶管施工引起周围土体扰动变形的机理和规律进行了深入研究，提出了新的土体扰动机理理论。吴修峰[8]基于Mindlin解的基本算法，利用matlab编写了计算程序，分析了顶管推进过程中，顶进正面土体在顶进荷载作用下产生的“拱”效应，揭示了顶管法施工中由顶进荷载引起的土体变形规律。王水林等[9]根据引起沉降的各种因素，提出顶管施工对土层作用的简化力学模型，并在此基础上，考虑固结沉降因素的影响，修正了顶管施工引起地表沉降的Peck公式。[]

综上可见，对于顶管法隧道施工对周围环境、建构筑物的影响以及相应的控制措施，前人已有一定的研究，得出了一些有益的结论。广州市南沙区的中船中路综合管廊需要下穿既有东新高速施工，为了尽可能减少管廊施工对既有高速公路的影响，工程采用矩形顶管进行施工。然而该工程矩形顶管具有较大的横断面，顶管施工中高速公路的变形控制仍是工程实施的重难点。在此背景下，本文将对该顶管工程下穿高速公路的风险控制问题进行研究，以期促进工程的顺利实施，并为类似工程提供一定的参考。

1.工程概况

广州市中船中路综合管廊位于广州市南沙区大岗镇新联围岛区域，地貌单元主要为珠江三角洲冲积平原，地势平坦、开阔。该综合管廊项目起点接潭新路，终点接南岗大道，全长约10km，由电力排管、电力管沟和综合管廊构成，采用顶管法和明挖法施工，如图1所示。其中，在里程GK0+624.947～GK0+755.947区段，管廊将斜向下穿既有东新高速。由于东新高速为既有的已运营的高速公路，且交通极为繁忙，为减少施工对东新高速正常运营的影响，该段综合管廊采用顶管法进行施工，顶管井位于东新高速两侧，其中始发井距离高速路边线的最小距离约7.6m，接收井距离高速路边线的最小距离约6.8m。顶管隧道与东新高速的平面位置如图2所示。下穿东新高速顶管段综合管廊总长度为105m，设计结构形式为矩形钢筋混凝土管节，采用C50预制钢筋砼管，抗渗等级为P10，结构外尺寸为9100×5500mm，壁厚为650mm，每节管节长度为1.5m，共计70环管节。顶管段管节结构可见图3。在顶管施工段，地下水位埋深约1.6～2.3m，地层由上至下依次为素填土、淤泥、粉细砂、粉质粘土、淤泥质粉质粘土、粉质粘土及中粗砂。顶管结构管顶覆土7.8～8.9m，施工范围内的地层主要涉及素填土、淤泥、粉细砂及粉质粘土几种。

为了保证不影响东新高速的正常运营，顶管施工时需将东新高速的竖向及水平横向变形分别控制在相应的限值±40mm及±35mm之内。然而，由于该顶管工程覆土浅且施工范围内地层较为软弱，施工中极易出现过大地层损失及背土效应，进而引发既有运营高速产生过大变形。因此，顶管施工必须采用积极有效的措施，来避免对运营高速产生过大影响。

2下穿高速公路施工变形控制措施

2.1 严格控制顶进施工参数

在顶管顶进施工过程中，选择合适的顶进施工参数，对稳定开挖面、控制地层变形等方面有重要意义。为了充分保障既有高速的运营安全，顶进施工中应对土仓压力（开挖面支护压力）、顶进推力、顶进速度、出土量等进行严格控制。当顶管掘进时，若开挖面受到的水平支护应力小于地层的原始侧向应力，则开挖面土体向盾构内移动，引起地层损失而导致盾构上方地面沉陷。反之，当作用在正面土体的推应力大于原始侧向应力时，则开挖面土体向上向前移动，引起负地层损失而导致盾构前上方土体隆起。因此，土仓压力是影响周围地层变形的一个主要因素。具体而言，土仓压力在施工前根据地质情况及埋深，预先设定一个控制值，而后在顶进过程中再沉降观测及时调整土仓压力的实际控制值。

顶进推力的理论值通过考虑顶管端面阻力及侧面的管土摩擦阻力，并依据类似工程经验确定。正常掘进过程中，理论顶推力与实际推力相结合，通过调节液压油泵站顶进油缸压力和油缸数量共同调节顶进推力。

顶管施工工程中，如果出土量大于顶进削土量，可能产生地面沉降，如果出土量小于顶进削土量，则可能出现地面隆起，因此需控制出土量与顶进削土量相一致，减小对管节周围的土体影响，从而才能保证地面不受影响或受轻微影响。正常情况下，顶管出土量应控制在理论出土量的98%～100%。本工程一节管节的理论出土量为75m3，考虑到土体改良剂的加入，一节管节的实际出土量取80～85m3左右。

顶进速度对土仓压力也有重要影响，因此其合理设定也关系到对周围环境的影响控制。根据类似工程经验，该工程在始发接收阶段顶进速度控制在5～10mm/min左右，正常施工阶段控制在10～20mm/min左右。当然，由于顶进速度、正面土压力与出土量三个因素相互影响，所以在顶进时应对顶进速度作不断调整，找出顶进速度、正面土压力与出土量的最佳匹配值，才能保证顶管的顶进质量。

2.2 渣土改良

顶进施工时通过由预先设计在顶管机胸板及刀盘中心轴上的注浆孔向掌子面前方土体注入改良剂，并经刀盘搅拌后形成具有塑性的土通过螺旋出土器排出。如此，土仓中将充满塑性和流动性都很好的土，仓内土压力才能更好地平衡掘进机所处土层的静止土压力和地下水压力，才能做到真正的土压平衡。实际施工时，改良剂材料中所配成泥浆的C型粘度计值在8000～10000 之间，比重在1.05～1.15之间，泥浆的注入量在15%～30%之间。

2.3 MJS工法桩加固洞周土体

由于本工程中顶管覆土浅且施工范围内地层较为软弱，施工中容易产生过大地层损失及背土效应，从而给既有运营高速带来潜在威胁。为了减小地層损失及背土效应带来的潜在威胁，在顶管区间顶部采用D1.8m间距1.3m MJS工法桩进行横向加固，加固示意如图4所示。MJS工法桩具有施工对环境影响小、有效加固深度大、加固效果可靠等特点。显然，图4中由MJS工法桩形成的加固体，可以在一定程度隔离地层损失及管土摩擦对周围地层的影响，因此，可在顶管施工中对地层变形起到良好的控制作用。

2.4 注入触变泥浆进行充分减摩

顶管顶进施工时，管土摩擦也是影响周围地层变形的重要因素，不少研究甚至发现，其对周围地层变形的影响程度甚至要大于开挖面支护压力。因此，对管土接触面进行充分减摩，是控制顶管对周围环境影响的重要途径。为了减少土体与管壁间的摩阻力，提高工程质量和施工进度，本工程在顶进施工时，应向管道外壁压注一定量的触变泥浆，以使固固摩擦变为固液摩擦，从而达到减小管土摩擦力的效果。触变泥浆通常由膨润土、水和掺合剂按一定比例混合而成，为保证其压注效果及泥浆套的形成，注浆压力宜设置为地层压力的1.1～1.3倍，压浆量宜设置为理论值的2-5倍。考虑到本工程穿越地层为淤泥质粘土、淤泥，稍密～中密状态，具有一定的渗透性、流变性，浆液易损耗，压浆量建议取拟定理论值的4倍。

2.5做好顶进施工中的管节止退

由于土压平衡矩形顶管在顶进中前端阻力很大，即便顶进了较长里程后，在每次拼装管节或加垫块时，主顶油缸一回缩，机头和管节就会一起后退（后退量甚至可达20～30cm），造成机头和前方土体间的土压平衡受到破坏，从而引发机头前方的土体坍塌，造成地面塌陷。为了避免出现这样的不利情况，本工程在前基座上安装一套止退装置，将管节和机头稳住，以避免地面出现过大沉降。止退装置原理为：将销子插入管节的吊装孔，再放进钢垫块和钢板在销座和基座的后支柱间。管节的后退力则通过销子、销座、垫块传递到止退装置的后支柱上，从而避免机头和管节的后退。止退装置采用400mm×144mm×12.5mm工字钢焊接成三角形状，中间设加劲板提高结构的整体稳定性。工字钢与插销接触的一侧焊接150×720（宽×高）支座，与始发井内导轨的横梁进行满焊，具体结构如图5所示。

3 控制措施应用效果分析

顶管实际施工时，采用了上述控制措施，以期对顶管下穿施工期间高速公路的变形进行严格控制。在顶管顶进施工期间，施工单位对地表沉降、地下水位、顶管井墙顶竖向位移与水平位移、墙体水平位移、支撑轴力等项目进行了监测。为了验证上述控制措施在控制高速公路变形上的效果，着重对高速公路的沉降及水平变形量值进行分析。高速公路上的变形监测点纵断面与横断面布置如图6和图7所示，平面布置如图8所示。限于篇幅，本文以既有高速中央分隔带断面为例（竖向位移监测点CJ17～CJ32;水平向位移监测点WY17～WY32），对高速公路在顶管施工中的变形情况进行分析，其他监测断面的分布规律与此类似。

图9给出了顶管掌子面到达高速中央分隔带断面及该断面前后10m断面时，高速公路中央分隔带断面处的路面竖向及水平向变形分布情况。图中竖向位移正值表示隆起，负值表示沉降;水平向位移正值表示指向路面内，负值表示指向路面外（下同）。从图中可以看到，在掌子面到达监测断面以前，监测断面在竖向及水平向就都发生了一定量值的变形，这说明土仓压力及管土摩擦力在距离监测断面一定距离处就会对监测断面的变形产生影响。对于关注断面的路面竖向变形，在顶管中线附近表现为隆起，且在总体上具有随距顶管距离增大隆起变形逐渐减小甚至转变为沉降的趋势;而对于关注断面的路面水平向变形，在监测范围内量值则分布较为均匀。随着顶管的顶进，无论是竖向路面变形还是水平向路面变形，在总体上均有发展变大的趋势，这表明管土之间的摩擦效应对地表变形具有持续的影响，并且该影响要较刀盘及顶管机通过监测断面产生地层损失对地表的影响更为显著。无论掌子面处于何处，关注监测断面内路面最大竖向变形均位于顶管中线对应的路面测点CJ24测点。

图10给出了顶管中线正上方高速中央分隔带监测点CJ24处的路面竖向变形及WY24处路面水平向变形随顶进施工过程的变化趋势。顶管中线正上方高速中央分隔带处的路面竖向及水平向变形在总体上随顶管顶进而增加的趋势在图中得到了明显体现。此外，从图中还可以看到，在掌子面到达监测点以前至顶管机通过监测点所在断面（即掌子面距接收井46m处），路面的竖向及水平向变形表现出的增长趋势较为缓慢且具有震荡的特点;然而，当管节进入监测点断面后，路面的竖向及水平向变形即立刻出现了急剧的增大趋势。这表明管节与地层之间的摩擦效应较为显著，管土摩擦主导了地面的变形。分析其原因，可能与管土之间触变泥浆注入量的不足相关，导致顶管施工时管土之间仍存有较大的摩擦力。尽管如此，相关监测点的最大竖向变形为30.5mm（隆起），水平向变形为20.55mm（指向路面内），均在相应限值（±40mm或±35mm）之内。综上可见，工程采用的下穿施工关键技术措施，对既有高速公路起到了良好的保护作用，有效减小了顶管下穿施工对其的不利影响。

4 结论

本文针对广州中船中路综合管廊采用大断面矩形顶管下穿东新高速工程施工中对高速公路变形控制的重难点问题，提出了严格控制顶进施工参数、进行渣土改良、采用MJS工法桩加固洞周土体、注入触变泥浆进行充分减摩以及做好顶进施工中的管节止退等系列施工关键技术措施，用以充分保证既有高速在顶管施工中的运营安全。工程现场监测表明，采用了这些措施以后，运营高速变形在顶管施工的全过程中均处于安全状态，不会超过相关限值。由此可见，本文提出的顶管下穿既有建构筑物施工关键技术措施可有效规避既有建构筑物在顶管施工过程中的安全风险，具有较高的推广应用价值。

参考文献

[1]陈兵.地铁出入口矩形顶管法沉降控制技术研究[J].工程技术研究，2020，5（15）：79-80.

[2]姜洪建.超大断面矩形顶管隧道施工引起的地表沉降规律研究[D]，2019.

[3]王晓睿，周峰，张振等.超大断面矩形顶管隧道施工动态变形规律[J].地球科学，2016，41（11）：1959-1965.

[4]顾阳华.顶管施工时对周边环境的沉降控制[J].建筑施工，2015，37（5）：601-603.

[5]郑书朝.大断面矩形顶管沉降控制技术[J].建筑科技，2018，2（4）：45-48.

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[8]吴修锋.顶管施工引起的地层移动与变形控制研究[D].南京工业大学，2004.

[9]王水林，王建光，张淦杰.顶管施工的弹性力学模型与固结沉降计算[J].江西水利科技，2006，03：162-165.

作者简介：

宁三子，男，44岁，1977年3月生，高级工程师，1998年毕业于西南交通大学建筑工程专业，现任中铁南方投资集团珠三角投资公司副总经理。参加过梅坎铁路、西安南京铁路、隆康黄河大桥、玉蒙铁路、佛山高明西江新城、顺德菊花湾大桥、广州南沙区大岗和庆盛片区开发项目等，历任项目技术主管、总工程师、项目经理、指挥部副总工兼工程部长、总包项目部副总经理、投资公司副总经理等职务，主持或参与铁路项目、公路桥梁、市政道路、公建配套房建工程等技术管理、生产管理、工经管理工作。