較大縱坡淺覆土大斷面矩形頂管頂進控制技術

朱立華，張傳安，陳 雷

(1.杭州市地鐵集團有限責任公司,浙江 杭州 310017;2.中鐵十四局集團大盾構工程有限公司,江蘇 南京 210000; 3.杭州市建設工程質量安全監督總站,浙江 杭州 310005)

0 引言

頂管技術是一種非開挖掘進式管道鋪設施工技術,其具有不易破壞既有干線和構筑物、對周邊環境影響小的特點,因此廣泛應用于市政工程建設中。在地鐵興建過程中,出入口有時需要過街或者與其他出入口相連,以達到互聯互通的目的,由于頂管的優點,逐漸應用于地鐵出入口施工中。近年來,地鐵出入口頂管施工方面的研究主要有:陳聰等[1]對武漢首例矩形頂管地鐵出入口施工監測及數值模擬分析,得到武漢長江Ⅰ級階地區地下通道采用偏心多軸多刀盤土壓平衡式矩形頂管技術施工的一般規律;郭建鵬[2]開展了頂管法在地鐵車站出入口下穿通道中的應用與設計研究,降低了下穿道路或管線等構筑物的地鐵出入口通道施工風險;王凱等[3]分析了富水環境地鐵站出入口矩形頂管施工加固方案,并采用數值模擬手段,得到了地表沉降隨頂管掘進深度的變化規律;申文明等[4]基于寧波土層特性,對頂管工作井的設計展開了研究分析,詳細介紹了頂管施工工藝、施工重難點及控制處理措施;彭剛[5]對地鐵出入口矩形頂管近距下穿市政管線進行了研究,認為該技術能很好地適應淺埋地層出入口施工,較好地保護地下管線,且具有經濟效益可觀、推廣性強的特點;鐘小春等[6]模擬大口徑矩形頂管掘進施工過程,探究其在不同覆土厚度、開挖面頂進壓力、摩擦阻力下引起的地表隆起規律,并與現場監測數據進行對比分析。綜上所述可知,目前頂管在地鐵出入口應用主要是出入口修建,對于采用頂管施工兩個不同出入口的連接通道方面,實際案例和研究均較少,因此,探究頂管法施工的出入口連接通道施工方法對于今后軌道交通建設具有十分重要的意義。

本文以杭州地鐵3號線支線留下站A1-A2出入口連接通道為背景,結合工程地質情況,介紹了始發井及接收井端頭加固、較大縱坡及覆土較淺頂進控制等施工技術,對頂管變形和地表沉降監測結果進行了詳細分析,闡述了頂管施工引起的周邊土體變形特征。

1 工程概況

杭州地鐵3號線支線留下站位于天目山路與留和路交叉口、沿留和路布置,車站總凈長161.2 m,站臺寬度14 m,標準段總凈寬21.7 m,共設有6個出入口和2組風亭。結構形式為單層鋼筋混凝土框架結構。附屬結構采用明挖順作法施工,A1,A2出入口為單層單跨框架結構,基坑圍護結構為厚度600 mm地下連續墻,一道混凝土支撐+兩道鋼支撐。

A1與A2出入口采用連接通道相連,通道下穿西溪路,總長度65.8 m、凈寬6.4 m、凈高3.9 m,采用頂管法施工。如圖1所示,A1出入口設置始發井,A2出入口設置接收井,上坡頂進,頂進坡度3.83%。頂管管節覆土約3.0 m～5.1 m。采用C50預制自防水混凝土管節,單根管節寬度為1.5 m,抗滲等級P10,“F”型承插口設計,管節厚度500 mm。頂管所在區域土層自上而下分別為①1-1碎石填土、①2雜填土、④1-1碎石淤泥質粉質黏土、⑨4圓礫等,頂管主要在淤泥質粉質黏土中。

2 關鍵施工技術

2.1 始發井、接收井端頭加固

頂管始發井、接收井主要位于④1淤泥質粉質黏土中,頂管出發和到達前需要對始發端頭、后背墻、接收井采用高壓旋噴樁進行加固處理。始發井加固范圍(如圖2所示)為沿頂管頂進軸線方向7.4 m,頂管兩側各3.5 m,深度自地面至頂管底以下3 m。接收井加固范圍(如圖3所示)為沿頂進軸線方向7.4 m,頂管兩側各2.1 m,深度自地面至頂管底以下3 m。

高壓旋噴樁參數為φ800@600 mm,采用三重管工藝,樁身采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥,水灰質量比0.8,三重管空氣壓力0.7 MPa,漿液壓力3 MPa,水壓25 MPa,提升速度10 cm/min,旋轉速度10 r/min,分段提升噴射搭接長度10 cm ～15 cm,水泥用量不小于20%,超噴攪高度50 cm以上。

2.2 較大縱坡頂進技術

頂管通道縱坡較大(見圖4),坡度達到3.83%,應做好軸線放樣測量工作,始發端的始發架應采取一定縱坡,讓頂管機在始發時具備上坡姿態,切實做好始發端管節止退架,及時止退,避免管節脫出。頂進過程中結合軸線監測結果應及時通過在頂管底板和側墻等處壓注濃泥漿、調整刀盤轉向等來保持頂管姿態。此外,由于縱坡較大,應改進注漿管路,采用多主管布置或分段注漿等措施,確保大縱坡條件下漿液壓注。

2.3 覆土較淺頂進控制技術

留下站A1-A2過街通道頂管始發埋深5.0 m,3.83%的上坡坡度,接收段埋深3.0 m,掘進范圍橫穿西溪路。掘進范圍全部屬于淺覆土,掘進中主要采取以下措施保證頂進過程不出現大幅度的沉降。

1)控制掘進速度:初始、接收頂進速度不宜過快,一般控制在10 mm/min～15 mm/min左右,根據偏差和旋轉情況進行調整。正常掘進速度控制在10 mm/min～20 mm/min。

2)控制土艙壓力:控制開挖面穩定的關鍵是控制作用在開挖面內的土壓力,從而控制地表隆起和沉降。通過理論的壓力換算公式綜合頂管工程實際情況,初始土壓力設定為P始=67.5 kPa,P接=49.5 kPa,過程中根據地表監測情況,通過設備系統自動調壓及實時監測周圍土體擾動情況,調整掘進速度,協調掘土量與出土量的關系,保證土艙壓力的穩定。

3)控制出渣量:根據本工程實際土質情況,考慮出渣的松散系數為1.1倍,根據渣斗尺寸控制每環的渣土控制量。

4)控制頂進姿態:頂管頂進過程中,需對頂進姿態進行調整和控制,若頂管頂進軸線偏差過大,發生超挖或者欠挖,則會造成管外周地層的損失或土壓變化。因此,本工程頂管頂進過程中,需對頂進姿態進行實時監測與控制,并及時糾偏。

3 現場監測分析

3.1 現場監測布置

頂管施工過程中除對頂管結構進行監測外,需監測地表沉降、建筑物豎向位移及傾斜、管線豎向位移。頂管測點布置如圖5所示,監測頂管拱頂下沉、周邊收斂情況。頂管上方的地表沉降監測布置如圖6所示,監測頂管施工過程中地表沉降變化情況。

3.2 監測結果分析

頂管底部和頂部豎向位移隨時間變化情況如圖7所示。最大底部和頂部豎向位移分別為1.71 mm和4.63 mm,頂部位移大于底部位移,且位移自2022年4月下旬開始變形已趨于穩定。

頂管豎向收斂和凈空收斂隨時間變化情況如圖8所示。最大豎向收斂和凈空收斂分別為2.0 mm和3.0 mm,凈空收斂大于豎向收斂,且收斂自2022年4月下旬開始變形已趨于穩定。

頂管施工時地表沉降監測結果如圖9所示。42個地表沉降測點中,沉降最大值為-45.73 mm,日變化率為-0.78 mm/d,頂管施工時引起的地表沉降明顯變化,是現場監測重點。由圖9(a)可知,地表沉降變化經歷快速變化和穩定變化兩個階段,頂管施工至測點下方時,地表沉降迅速增大,當頂管遠離至測點一段距離后,地表沉降趨于穩定。由圖9(b)可知,地表沉降在頂管橫截面方向上分布具有“中間大,兩側小”的特征,且隨著頂管向前推進,該測點地表沉降曲線特征更加明顯,最后趨于穩定狀態。

4 結語

以杭州地鐵3號線支線留下站A1-A2出入口連接通道為工程背景,對較大縱坡淺覆土大斷面矩形頂管頂進施工技術進行了研究與分析,結論如下:

1)出入口連接通道頂管施工的成功實踐,表明較大縱坡及淺覆土條件下采用提出的端頭加固、頂進控制等施工技術進行出入口連接通道施工是可行的。

2)由于頂管所處地層為淤泥質粉質黏土,地質條件較差,頂管施工時自身變形在控制范圍內,但地表沉降部分位置超過了控制值,地表沉降尤其是頂管中部上方的地表沉降是現場監測的關鍵。