较大纵坡浅覆土大断面矩形顶管顶进控制技术

朱立华，张传安，陈 雷

(1.杭州市地铁集团有限责任公司,浙江 杭州 310017;2.中铁十四局集团大盾构工程有限公司,江苏 南京 210000; 3.杭州市建设工程质量安全监督总站,浙江 杭州 310005)

0 引言

顶管技术是一种非开挖掘进式管道铺设施工技术,其具有不易破坏既有干线和构筑物、对周边环境影响小的特点,因此广泛应用于市政工程建设中。在地铁兴建过程中,出入口有时需要过街或者与其他出入口相连,以达到互联互通的目的,由于顶管的优点,逐渐应用于地铁出入口施工中。近年来,地铁出入口顶管施工方面的研究主要有:陈聪等[1]对武汉首例矩形顶管地铁出入口施工监测及数值模拟分析,得到武汉长江Ⅰ级阶地区地下通道采用偏心多轴多刀盘土压平衡式矩形顶管技术施工的一般规律;郭建鹏[2]开展了顶管法在地铁车站出入口下穿通道中的应用与设计研究,降低了下穿道路或管线等构筑物的地铁出入口通道施工风险;王凯等[3]分析了富水环境地铁站出入口矩形顶管施工加固方案,并采用数值模拟手段,得到了地表沉降随顶管掘进深度的变化规律;申文明等[4]基于宁波土层特性,对顶管工作井的设计展开了研究分析,详细介绍了顶管施工工艺、施工重难点及控制处理措施;彭刚[5]对地铁出入口矩形顶管近距下穿市政管线进行了研究,认为该技术能很好地适应浅埋地层出入口施工,较好地保护地下管线,且具有经济效益可观、推广性强的特点;钟小春等[6]模拟大口径矩形顶管掘进施工过程,探究其在不同覆土厚度、开挖面顶进压力、摩擦阻力下引起的地表隆起规律,并与现场监测数据进行对比分析。综上所述可知,目前顶管在地铁出入口应用主要是出入口修建,对于采用顶管施工两个不同出入口的连接通道方面,实际案例和研究均较少,因此,探究顶管法施工的出入口连接通道施工方法对于今后轨道交通建设具有十分重要的意义。

本文以杭州地铁3号线支线留下站A1-A2出入口连接通道为背景,结合工程地质情况,介绍了始发井及接收井端头加固、较大纵坡及覆土较浅顶进控制等施工技术,对顶管变形和地表沉降监测结果进行了详细分析,阐述了顶管施工引起的周边土体变形特征。

1 工程概况

杭州地铁3号线支线留下站位于天目山路与留和路交叉口、沿留和路布置,车站总净长161.2 m,站台宽度14 m,标准段总净宽21.7 m,共设有6个出入口和2组风亭。结构形式为单层钢筋混凝土框架结构。附属结构采用明挖顺作法施工,A1,A2出入口为单层单跨框架结构,基坑围护结构为厚度600 mm地下连续墙,一道混凝土支撑+两道钢支撑。

A1与A2出入口采用连接通道相连,通道下穿西溪路,总长度65.8 m、净宽6.4 m、净高3.9 m,采用顶管法施工。如图1所示,A1出入口设置始发井,A2出入口设置接收井,上坡顶进,顶进坡度3.83%。顶管管节覆土约3.0 m～5.1 m。采用C50预制自防水混凝土管节,单根管节宽度为1.5 m,抗渗等级P10,“F”型承插口设计,管节厚度500 mm。顶管所在区域土层自上而下分别为①1-1碎石填土、①2杂填土、④1-1碎石淤泥质粉质黏土、⑨4圆砾等,顶管主要在淤泥质粉质黏土中。

2 关键施工技术

2.1 始发井、接收井端头加固

顶管始发井、接收井主要位于④1淤泥质粉质黏土中,顶管出发和到达前需要对始发端头、后背墙、接收井采用高压旋喷桩进行加固处理。始发井加固范围(如图2所示)为沿顶管顶进轴线方向7.4 m,顶管两侧各3.5 m,深度自地面至顶管底以下3 m。接收井加固范围(如图3所示)为沿顶进轴线方向7.4 m,顶管两侧各2.1 m,深度自地面至顶管底以下3 m。

高压旋喷桩参数为φ800@600 mm,采用三重管工艺,桩身采用P.O42.5普通硅酸盐水泥,水灰质量比0.8,三重管空气压力0.7 MPa,浆液压力3 MPa,水压25 MPa,提升速度10 cm/min,旋转速度10 r/min,分段提升喷射搭接长度10 cm ～15 cm,水泥用量不小于20%,超喷搅高度50 cm以上。

2.2 较大纵坡顶进技术

顶管通道纵坡较大(见图4),坡度达到3.83%,应做好轴线放样测量工作,始发端的始发架应采取一定纵坡,让顶管机在始发时具备上坡姿态,切实做好始发端管节止退架,及时止退,避免管节脱出。顶进过程中结合轴线监测结果应及时通过在顶管底板和侧墙等处压注浓泥浆、调整刀盘转向等来保持顶管姿态。此外,由于纵坡较大,应改进注浆管路,采用多主管布置或分段注浆等措施,确保大纵坡条件下浆液压注。

2.3 覆土较浅顶进控制技术

留下站A1-A2过街通道顶管始发埋深5.0 m,3.83%的上坡坡度,接收段埋深3.0 m,掘进范围横穿西溪路。掘进范围全部属于浅覆土,掘进中主要采取以下措施保证顶进过程不出现大幅度的沉降。

1)控制掘进速度:初始、接收顶进速度不宜过快,一般控制在10 mm/min～15 mm/min左右,根据偏差和旋转情况进行调整。正常掘进速度控制在10 mm/min～20 mm/min。

2)控制土舱压力:控制开挖面稳定的关键是控制作用在开挖面内的土压力,从而控制地表隆起和沉降。通过理论的压力换算公式综合顶管工程实际情况,初始土压力设定为P始=67.5 kPa,P接=49.5 kPa,过程中根据地表监测情况,通过设备系统自动调压及实时监测周围土体扰动情况,调整掘进速度,协调掘土量与出土量的关系,保证土舱压力的稳定。

3)控制出渣量:根据本工程实际土质情况,考虑出渣的松散系数为1.1倍,根据渣斗尺寸控制每环的渣土控制量。

4)控制顶进姿态:顶管顶进过程中,需对顶进姿态进行调整和控制,若顶管顶进轴线偏差过大,发生超挖或者欠挖,则会造成管外周地层的损失或土压变化。因此,本工程顶管顶进过程中,需对顶进姿态进行实时监测与控制,并及时纠偏。

3 现场监测分析

3.1 现场监测布置

顶管施工过程中除对顶管结构进行监测外,需监测地表沉降、建筑物竖向位移及倾斜、管线竖向位移。顶管测点布置如图5所示,监测顶管拱顶下沉、周边收敛情况。顶管上方的地表沉降监测布置如图6所示,监测顶管施工过程中地表沉降变化情况。

3.2 监测结果分析

顶管底部和顶部竖向位移随时间变化情况如图7所示。最大底部和顶部竖向位移分别为1.71 mm和4.63 mm,顶部位移大于底部位移,且位移自2022年4月下旬开始变形已趋于稳定。

顶管竖向收敛和净空收敛随时间变化情况如图8所示。最大竖向收敛和净空收敛分别为2.0 mm和3.0 mm,净空收敛大于竖向收敛,且收敛自2022年4月下旬开始变形已趋于稳定。

顶管施工时地表沉降监测结果如图9所示。42个地表沉降测点中,沉降最大值为-45.73 mm,日变化率为-0.78 mm/d,顶管施工时引起的地表沉降明显变化,是现场监测重点。由图9(a)可知,地表沉降变化经历快速变化和稳定变化两个阶段,顶管施工至测点下方时,地表沉降迅速增大,当顶管远离至测点一段距离后,地表沉降趋于稳定。由图9(b)可知,地表沉降在顶管横截面方向上分布具有“中间大,两侧小”的特征,且随着顶管向前推进,该测点地表沉降曲线特征更加明显,最后趋于稳定状态。

4 结语

以杭州地铁3号线支线留下站A1-A2出入口连接通道为工程背景,对较大纵坡浅覆土大断面矩形顶管顶进施工技术进行了研究与分析,结论如下:

1)出入口连接通道顶管施工的成功实践,表明较大纵坡及浅覆土条件下采用提出的端头加固、顶进控制等施工技术进行出入口连接通道施工是可行的。

2)由于顶管所处地层为淤泥质粉质黏土,地质条件较差,顶管施工时自身变形在控制范围内,但地表沉降部分位置超过了控制值,地表沉降尤其是顶管中部上方的地表沉降是现场监测的关键。