航站楼内受限空间复杂地质条件下顶管施工应用

郑永帅 , 张 凯, 柴克鹏, 柯才俊

(1.北京金图建筑工程有限公司，北京 100089；2.北京城建集团有限责任公司， 北京 100088；3.四川机场集团有限责任公司，四川成都 610202)

目前管线施工在穿越障碍时的顶管施工技术已比较成熟。随着城市基础设施建设的发展，受既有建筑物的影响，顶管施工的作业空间不断减小，工作井及接收井均处于受限空间内，施工场地地质复杂，此类顶管施工不常见。受限空间复杂地质条件下顶管施工的成功应用可解决现场实际难题，推进建筑业的科技发展；但此项工作施工难度大，对从业人员素质要求高。基于此，以成都天府国际机场航站楼内的总图管网为背景，研究受限空间复杂地质条件下顶管施工。

1 工程概况

1.1 总图管网概况

成都天府国际机场航站区总图管网管线主要分布在T1、T2航站楼陆侧服务车道下、酒店、换乘中心、停车楼、服务大楼、指挥大楼等周边，管径为DN200～DN2 000 mm，管线总长19 584 m，检查井776座，排水管线南高北低，管线埋深1.5～11 m。污水接入工作区检查井后最终排至新建污水处理厂，雨水管线接入本标段内的雨水舱最终排至河流。

1.2 顶管段落概况

1.2.1 管线与陆侧服务车道关系

航站区整体施工部署原则：先行主体结构施工，后进行管网附属工程施工。分布在T1航站楼陆侧服务车道内的雨水(Y82-Y85)、污水(W48-W50)管线需下穿已施工的冷热舱支管廊及弱电支管廊。本段顶管施工雨水管管径DN1 800 mm，管道材质为钢筋混凝土管，长度为51.45 m；污水管管径DN400 mm，管道材质为HDPE缠绕结构壁管B型，长度为51.99 m，雨、污水管中距为2.05 m。雨、污水管线与陆侧服务车道关系见图1，雨、污水管线下穿支管廊BIM模型见图2。

图1 雨、污水与陆侧服务车道关系

图2 雨、污水下穿支管廊BIM模型

1.2.2 陆侧服务车道现况

管道施工前，T1航站楼服务车道内结构基本完成，基础连梁纵横交错，呈“井”字型布置，顺管道方向，西侧为管廊及独立基础，东侧为九桩承台(12 m×12 m)及独立基础(2.6 m×2.6 m)。服务车道净高为约4.5 m，连梁横向间距为8.5 m，纵向间距为9 m，连梁建筑高度为0.7 m，宽度为0.7 m，连梁顶面与现状地面等高，服务车道宽度约7 m。

1.2.3 污水管线与支管廊垫层关系

支管廊垫层底标高为434.70 m，污水管道管径DN400 mm，管内底标高434.170 m。污水管径偏小，需增加DN800 mm工作管以满足人工挖土需求。受支管廊垫层底标高、污水管、工作管标高及管径影响三者关系见图3。

图3 工作管、污水管及管廊垫层关系

1.3 顶管段落地质情况

管道持力层为新近回填土，回填土厚度3～8 m，由于回填时间较短，土体收敛未完成，持力层地基承载力经检测达不到设计要求的100 kPa，持力层需进行地基处理。

2 顶管施工技术要点

2.1 工作井及接收井设计与施工

2.1.1 工作井及接收井设计

雨水管外径为2.16 m，污水工作管的管径为0.96 m，雨、污水中线距为2.05 m，雨水管顶及污水管顶基本平齐，管道所占宽度达到2.16/2+2.05+0.96/2=3.61 m，工作井及接收井宽度至少需4 m才可保证正常顶进，结合雨污水检查井平面位置关系，最终确定工作井尺寸为8 m(长)×4 m(宽)×6.11 m(高)，接收井尺寸为4 m(长)×6 m(宽)×6.11 m(高)。

2.1.2 基坑支护及开挖

考虑服务车道的净高仅4.5 m，基坑支护选用钢管桩支护方案，钢管采用φ121×8 mm无缝钢管，钢管桩间距0.5 m，钢管进场后加工成2 m长，分段打入分段焊接，最终至设计标高。钢管桩较预制管桩的抗剪能力差，除顶部设置冠梁外在基坑3 m深处设置一道腰梁，腰梁采用H型钢(500×300×11×18 mm)焊接，如图4所示，冠梁与腰梁采用φ20 mm的吊筋连接，连接如图5所示。受净高影响，大型挖掘机无法进入，基坑土方开挖采用小型挖掘机接力完成开挖。

图4 冠梁及腰梁(单位：mm)

图5 冠梁及腰梁吊接(单位：mm)

2.2 井内垂直运输

井内垂直运输采用经专门设计的起重设备完成。起重设备架体采用40b工字钢加工而成。起重设备横梁静跨度为6.4 m，起重设备底部长度为8 m，高度为4 m，起重设备横梁上悬挂可吊装10 t电动葫芦，(本次吊装最大吊重为DN1800 mm钢筋混凝土管，自重为5.6 t)。起重设备一侧架设在工作井冠梁上，另一侧架设在工作井冠梁外2.05 m处的基础梁上。起重设备的拼装及实体效果如图6、图7所示。

图6 起重设备拼装(单位：mm)

图7 起重设备实体效果

2.3 顶进过程中注意事项

2.3.1 挖土作业

刃口工具管接触或切入土层后，应自上而下分层开挖，迎面的超挖量应根据土质条件确定，在允许超挖的稳定土层中正常顶进时，管下部135°范围内不得超挖，顶管方向应从低处向高处方向顶进，管顶以上超挖量不得大于15 mm。

2.3.2 接口处理

管节接口由混凝土管钢套企口环，橡胶止水带和软木衬垫组成，第一节管道顶进施工完成后，收回顶管机，吊装第二节管道，管道就位[1]，在第二节管道口凹槽处粘贴橡胶止水带；启动顶管机，慢慢推动第二节管道与钢套环对接；将软木衬垫夹于前后管节钢套环间，以均匀管节间的相互作用力，减少接口损坏[1]。

2.3.3 轴线，高程，坡比控制

顶进过程中，在井坑内架设1台水准仪，待测管首端固定一小十字架，使水准仪十字对准管端小十字，若出现十字架与水准仪十字丝发生偏差，即表明管道中心线存在偏差；同时量出十字架交点与横丝的垂直距离，根据顶进长度，即可计算管道坡比是否发生偏差[2]。

2.3.4 纠偏调整

在顶进过程中，要及时测量，特别要掌握第一节管的中心偏差和前后端管内底高程，以掌握头一节管的走向趋势。顶管偏差校正要以预防为主，不能等产生明显超差时再进行校正。必须逐步由误差调整到正确，预防误差积累，纠偏应在顶进中采用小角度逐渐进行校正。

2.4 管道地基加固

2.4.1 管道未下穿支管廊

未下穿支管廊的管道地基在顶管前采用高压旋喷桩加固地基，雨水管道高压旋喷桩桩径0.5 m。雨水管道为双排桩，纵向间距为1.5 m，横向间距为1.2 m；污水管道为单排桩，纵向间距1.5 m。桩端持力层为中风化及以上岩层。

2.4.2 管道下穿支管廊

支管廊采用桩基础，桩间土需进行地基处理。下穿支管廊的管道地基处理思路为先顶管，在管内钻孔，向下注浆。管道刚顶进后受管道间自身约束力，管道发生沉降量较小，管道顶进后应立即进行注浆，防止地基的进一步沉降。

2.5 工作管内污水管施工

待污水管道的工作管施工完毕后，人工将中粗砂填至工作管内，人工回填中粗砂时10～15 cm一层，用木夯夯实，施工从工作井退向接收井施工，退步过程中将中粗砂按管道流水坡度回填，中粗砂回填完毕后，在工作井内焊接管道，逐节推至接收井。剩余空隙采用预拌流态固化土填充。完成断面示意如图8所示。

图8 完成断面示意

3 顶管计算书

计算采用规范：GB 50268-2008《给水排水管道工程施工及验收规范》

3.1 顶力计算

主顶力计算

顶进力计算公式：Fp=πDoLfk+NF

式中：Fp为顶进力，kN；3837.753+323.42=4161.173 kN；Do为管道的外径，m，按本工程最大顶管管径,φ1800 mm混凝土管外径：2.16 m；L为管道设计顶进长度，m，本工程顶进长度：51.45 m；fk为管道外壁与土的单位面积平均摩擦阻力，kN/m2，本工程选最大值： 11 kN/m2；NF为顶管机迎面阻力，人工挖掘：NF=π(Dg-t)tR；Dg为顶管机外径，本工程选2.16 m；t为工具管刃角厚度，本工程选0.1 m；R为挤压阻力，取300～500 kN/m2，本处选最大值500 kN/m2。

经计算，顶进力Fp=4161.173 kN，约等于416 t。故本工程拟采用4台150 t千斤顶进行顶进。

4 应用效果

机场建设工期紧任务重，如果在支管廊施工前就进行管廊下方的管道预埋，本段顶管可避免，但却会影响航站区整体施工进度。经测算本段采用顶管施工可为航站区整体施工进度节约20天工期。

5 结束语

顶管施工技术目前在建筑行业内应用已十分广泛，但本工程受场地及地质的影响施工难度大大增加。通过本工程的成功实践，也积累了复杂环境下顶管施工的经验；随着大众对基础设施的要求越来越高，建筑行业施工难度也将会势必加大，所以我们必须在每个工程中积累经验，以推动整个建筑市场的技术创新。