穿越既有地铁线路顶管施工关键技术

刘吉贞

（中铁十八局集团第二工程有限公司河北唐山063000）

随着我国交通工程的迅速发展，市政工程近接既有轨道交通越来越频繁。如何保证轨道交通的正常运营及结构安全，是目前正在研究的课题。顶管施工具有对轨道交通线路影响小、安全可靠的优点，已被广泛应用于铁路、公路等[1-5]。喻军、龚晓南[6]以地面沉降控制为目标，通过数值分析方法研究了地面沉降与顶管阻力、机头压力、土体抗力之间的关系，并进行了施工参数优化。刘波、章定文、刘松玉等[7]以某地下通道穿越既有地铁线路为研究对象，通过数值模拟及现场试验的方法分析了顶管对既有地铁隧道的影响，并提出了针对性的控制措施。郝唯[8]以林哈达湾工程项目为研究背景，分析了顶管下穿铁路引起地层变化规律，并针对各种工况进行了模拟。钟宇宏[9]以武汉市某供水管道需穿越既有4股道铁道路基为研究背景，简要介绍了土压平衡顶管施工技术、工法选择、顶力计算等，并对施工经验进行了总结。顾威、曹坤、邹恒等[10]以某尾水排海工程为例，通过经验公式法和数值模拟，分析了平行双顶管施工对海堤地表沉降的影响。以武汉市某综合管廊穿越下覆既有轨道交通线路为工程背景，对现场施工技术进行了研究及总结，阐述了顶管过程中关键技术和控制措施。

1 工程概况

1.1 管廊设计概况

长江新城新区大道工程位于武汉市，解放大道-游湖三路（K0+000～K0+772）综合管廊上跨穿越地铁21号线盾构区间，长约656 m，其中明挖段约456 m，顶管区间（含工作井）全长约200 m。明挖管廊标准断面为现浇单层双舱箱涵形式，采用顶管法施工，管廊设计概况见表1。

表1 综合管廊设计概况

管廊标准断面净尺寸为6.4 m×3.2 m，分左右两个舱室，其中综合舱1尺寸为2.6 m×3.2 m，综合舱2尺寸为3.5 m×3.2 m。管廊内纳入管线包括给水、电力、通信和能源管线，综合舱1容纳电

1.2 相对位置关系

管廊顶管施工段斜向穿越下覆地铁21号线盾构区间，顶管底与地铁21号线盾构顶之间竖向间距约5 m。始发井和接收井深度分别为11.2 m、10.7 m，距离现状地铁21号线盾构区间约14～17 m，顶管与地铁位置关系见图1。

图1 顶管与地铁位置关系示意图

2 总体方案

总体施工方案按如下步骤：（1）进场后首先进行管线改迁、场地平整等工作，确认无误后方可进行施工放样；（2）施工前先填筑围堰，采用高压旋喷桩对基坑周边土体进行加固，基坑采用分层分区开挖控制措施，基坑外围采用三轴搅拌桩施作止水帷幕；（3）工作井开挖完成后，浇筑主体结构，待达到设计强度后方可进行顶进作业；（4）施工后背墙，通过螺栓与后背墙连接，为顶管顶进提供反力面；（5）顶进前进行轨道交通线路周边土体注浆加固，以减小对既有轨道线的影响；（6）井下安装顶进设备，用螺栓和法兰固定刀盘在驱动主轴上并进行顶管机的调试；（7）顶管机头在井内管床就位，调试完毕后准备进洞，顶管出洞前做好出洞止水，顶进完成后施作后续附属工程。

3 顶力计算

3.1 总顶力计算

依据湖北省《顶管法管道穿越工程技术规范》（DB42/T 1343-2018），顶进过程中，管道的总顶力可按公式（1）计算。

式中：F1—总顶进阻力（kN）；

D0—管道外径（m），取3.6 m；

L—管道顶进设计长度（m）；

fk—摩阻系数，即管道外壁与隧道内壁的单位面积摩阻力（kN/m²）；

NF—顶管机迎面的阻力，可按公式（2）计算。

式中：Dg—顶管机外径（m），取3.6 m；

γ—土的重力密度；

Hs—覆盖层厚度。

参照各参数取值，由公式（1）和公式（2）计算可得：

3.2 管节允许顶力计算

混凝土顶管受力面允许的最大顶力可按公式（3）计算：

式中，dsF—管道允许顶力设计值（kN）；sf—混凝土受压强度设计值，取23.1 MPa；1φ—受压强度折减系数，取0.9；2φ—偏心受压强度调整系数，取0.5；3φ—材料脆性系数，取0.85；4φ—混凝土强度标准调整系数，取0.79；Qγ—分项系数，取1.3；PA—管道有效传力面积。

4 顶管下穿关键施工工艺

4.1 工作井施工

4.1.1地基填塘处理

本工程顶管始发井位于湖塘内，施工前需填筑围堰，采用临时黏土围堰，堰顶宽5 m，围堰边坡坡率为1:1.75。待水抽干后，进行湖塘底部清淤处理后，回填黏土至水面高程以上50 cm，最后回填至始发井顶部标高。

湖塘严格按设计要求进行回填，回填时应控制填料标高，分层碾压。施工中严格控制填料的含水量，每层摊铺厚度在20 cm~50 cm。

4.1.2高压旋喷桩施工

高压旋喷桩施工主要包含始发井、接收井、明挖管廊段。始发井、接收井三轴搅拌桩与钻孔灌注桩间引孔高压旋喷注浆深度分别为17.5 m、16.5 m；接收井采用Φ800@500高压旋喷加固，桩间搭接300 mm，沿井壁3 m范围内，加固深度3 m；接收井与明挖管廊段钢板桩连接处止水为18Φ800@500高压旋喷桩，桩长度22 m。

4.1.3钻孔灌注桩施工

工作井外围支护采用Φ800@1200钻孔灌注桩，桩长为22 m。施工时，施工工艺参数需根据试桩结果进行适当调整。

灌注桩施工前，先对区域进行场地平整并夯实，按要求进行测量放线确定桩位并埋设护筒，其中心应与桩位重合，护筒应高出地面300 mm以上。

钻机就位后，先进行现场检查，钻孔开始前需要设置好泥浆箱（20m³）和泥浆循环管路，安装好泥浆循环泵。泥浆的饱和重度为1.05～1.10、黏度18～28 Pa·s、含砂率≤4%。

钻孔完成后进行清孔及沉渣外排，成孔结束后吊装钢筋笼并进行灌注混凝土施工。

4.1.4基坑开挖及主体结构施工

土方开挖严格遵循空间效应原理，采用“分层、对称、及时加撑”的方法开挖（见图2）。基坑分三层开挖，第一、二层开挖至支撑定位线以下0.5 m，第三层开挖至坑底。

图2 基坑分区开挖示意图

主要工艺流程：清理表土→施工第一道支撑→开挖第一层→施工第二道支撑→开挖第二层→施工第三道支撑→开挖第三层。

基坑开挖完成后进行主体结构施工，工作井及接收井均为矩形断面，始发井尺寸为10 m×14 m，底板厚1000 mm，井壁厚900 mm，井高9.35 m。接收井尺寸为9 m×14 m，底板厚1000 mm，井壁厚900 mm，井高8.7 m。模板采用满堂脚手架支撑，泵送浇筑混凝土。

4.2 顶管施工

4.2.1后背墙浇筑

后背墙选用混凝土后背墙，采用C30混凝土浇筑，与井壁通过Ф20@150钢筋连接，形成一个整体，为顶管提供反力面，后靠钢板面积5 m×5 m，通过螺栓与后背墙连接，实现均匀受力。

4.2.2顶管机安装与调试

TPD3000顶管机头自重约50吨，用千斤顶驱动顶管机向洞口移动，直至刀盘接触洞口内墙，顶管机井下安装示意见图3。

图3 顶管机井下安装示意图

管节为C50预制，混凝土由拖车运至施工工作面，管节长2.5 m，内径3 m，外径3.54 m，每节重量约为19 t，管节吊装采用150 t汽车吊作为主调，配备一台25 t汽车吊辅助作业。

4.2.3顶进施工

顶管机头在井内安装就位，调试完毕后，凿除顶管洞圈处钻孔灌注桩，顶管机进入止水环后，开始顶进施工。如遇地下水丰富时，需要采取一定的止水措施。为防止顶管机在出洞时产生“扎头”现象，需要在洞口处加垫枕木。

管节接缝插口混凝土表面应平整密实，如存在少量缺陷，必须磨平或采用增强砂浆修补平整。顶管管节接头采用两道楔形密封橡胶圈止水密封，密封橡胶圈材料为氯丁橡胶。

顶管出洞前应做好出洞止水，可采用帘布橡胶止水，帘布橡胶止水长度596 mm，厚度20 m，帘布止水由压板、折叶压板加双头螺栓固定在洞口四周，钢压板预留Φ24@300的预留孔。

5 结语

为减小对既有轨道线的影响，采用顶管法施工，顶进设备的选择和总顶力的计算至关重要，顶进过程中管节允许顶力须满足要求。

本工程以武汉市解放大道-游湖三路综合管廊穿越下覆既有轨道交通线路为背景，介绍了土压平衡顶管机的工作原理，并重点阐述了施工过程中的工艺流程及关键技术，有效解决了现场施工问题，既有轨道交通线路基本无影响。此项技术为管廊顶进施工提供了保障，积累了丰富的工程经验，具有较高的工程价值。