大断面矩形顶管近距离上穿地铁隧道变形控制探讨

顶管技术是一项用于市政施工的非开挖掘进式施工方法，具有不影响地面交通、不用搬迁市政管线、不破坏地面道路结构、施工场地小、噪音小等优点，矩形顶管与圆形顶管断面相比，能节约35%以上的地下空间，同时可以减小隧道埋深，提高地下空间的利用率，多用于人行地道、地下管线共同沟、电力管道、引水和排水管道等工程，目前我国大多数地区已广泛采用。根据地质条件的不同，可以采取泥水平衡式顶管机、土压平衡式顶管机、气压平衡式顶管机等。

某过街通道顶管长度46.8 m，外壁尺寸为6.9m×4.2m，其上覆土层厚度约3.5 m。管材采用混凝土强度为C55，抗渗等级为P8 预制矩形钢筋混凝土管节，管壁厚为0.45m，单节管长1.5m，重约33.7t。与下卧地铁隧道净距仅3m；其上方约0.46m 位置处埋设有一根Φ1000 雨水管。隧道两侧设置平面尺寸9m×10 m、6m×10m 始发井和接收井各一座，围护采用Φ850SMW 内插H700×300×13×24 型钢。根据地质资料，工作井基坑开挖面位于④1层灰色淤泥质粘土，顶管在第③层灰色淤泥质粉质粘土中顶进；下卧地铁隧道埋藏于④1 和④2-1层。顶管相对关系见图1。

2.1 区间隧道保护等级高

顶管底部与下卧地铁区间隧道顶部间距仅3.0m，管节自重小于出土重量，顶进过程中土体大量卸载造成区间隧道上部荷载减少，隧道易出现隆起现象。鉴于该工程下卧地铁盾构隧道建成时间不长，其结构变形尚未最终稳定，隧道上方荷载变化极易导致隧道接头等薄弱部位出现漏水（泥）现象，将加剧隧道结构变形。地铁运营主管部门方案审批时，严格规定了顶管施工所引起的纵向隆沉量应控制在4mm/10m 以内，日隆起或沉降量不大于2mm；轨道横向倾斜始终小于1.4‰的安全范围内；隧道累计变形量严格控制在5mm 内等具体变形控制指标。众所周知。隧道结构变形具有“不可逆性”，一旦发生较大沉降，变形恢复难度极大。

图1 顶管与隧道及雨水管线相对关系图（单位：mm）

2.2 顶管上方覆土较浅，地面变形控制难度较大

工程矩形顶管覆土厚度仅3.5m，相对于同类型顶管而言，覆土厚度较浅，形成完整的减磨阻泥浆套难度大。为有效降低地表等沉降变形，只有严格控制顶管顶力、顶管姿态及顶进速度等施工参数，才能保证地面沉降、管线和隧道变形控制在规范规程要求内。

2.3 雨水管保护难度高

顶管上方约0.46m 位置处敷设有一条Φ1000混凝土雨水管，施工过程中容易受到施工机械、施工工艺及其他相关因素的影响，当顶管轴线等出现较大偏差时，雨水管底素砼垫层等地下障碍物极有可能顶管刀盘磨损，甚至雨水管线破坏等不良后果。

3.1 方案比选

为安全起见，工程实施前通过数值模拟方法，对MJS 工法加固已建隧道、直接顶进、地面设置盖板加堆载等三种方案进行综合比选。

（1）MJS 工法加固已建隧道

MJS 工法是一种能进行水平、倾斜以及垂直方向的大深度地基改良，施工过程中对周边的地基产生影响较小，废弃的泥浆可以集中处理，以防止环境污染。但为确保地铁运营安全，《上海市轨道交通安全保护区暂行管理规定》严格规定，未经许可地铁工程（外边线）两侧的邻近3 m 范围内不能进行任何工程。虽然MJS 工法对土体扰动较小，但钻孔注浆以及浆液硬化均会对隧道周边产生不同程度的扰动，为此，地铁运营主管部门不建议采用对该工法加固运营地铁隧道。

（2）直接顶进

由于顶管顶进过程中，土体的卸载量大于管片自重，为此，通过对顶进过程中土体卸载工况进行三维有限元数值模拟，计算结果表明，过街通道下部管壁隆起量约17 mm，顶管管顶隆起量约10mm；已建隧道最大隆起变形约4.8 mm，施工稍有不慎，隧道累计变形极易超出运营地铁隧道的保护标准要求。

（3）地面设置盖板加堆载

为满足运营地铁保护标准要求，建筑物垂直荷载（包括基础地下室）及降水、注浆等施工因素而引起的地铁隧道外壁附加荷载不大于20 kPa。工程按盖板加堆载总荷载为20 kPa 进行三维有限元数值模拟计算，计算模型见图2。混凝土盖板采用上层Φ16@200，下层Φ18@200 双层双向配筋盖板厚300 mm，盖板上方堆载700 厚覆土。计算结果显示，矩形顶管下方最大隆起量约10.1 mm，已建隧道最大隆起约1.9 mm；地表由于受到堆载作用，最大下沉量为5.7 mm。

图 2 盖板加堆载模型

比较直接顶进和地面设置盖板加堆载措施两种数值模拟计算结果，最终选用地面设置盖板加堆载措施，隧道上浮量由4.8 mm 减小到1.9 mm，满足地铁结构变形的要求。

3.2 施工技术措施

（1）设备选型

经专家论证，工程采用4.2 m×6.9 m 多刀盘土压平衡式矩形顶管机，该设备不但能够保持土压平衡，而且顶进过程中对周围土体扰动小，不影响原有的各类地下管线，不影响道路交通及地面的各类建筑，控制地面沉降精度较高。

（2）排摸顶进区域施工地质情况

顶管施工前，采用小螺杆对顶进轴线上方进行探孔，摸清上方具体土层情况，为制定有效的压浆方案提供指导。顶进过程中，通过提高触变泥浆的稠度和注浆压力，防止地面出现冒浆等现象。

（3）控制顶进推力

工程实施阶段，除设置试验段获取合理施工参数外，在距离地铁保护区10m范围时，严格按照模拟段施工参数控制顶进压力、顶进速度及日顶进距离。

（4）信息化施工

由于顶管施工穿越区覆土较浅，且处于不稳定的软土地层，顶管穿越后扰动土层必定会使下卧隧道产生一定程度的变形。为实时监测地铁结构的变形情况，除进行人工监测外，还在下卧隧道顶管穿越影响范围内50m 布设电水平尺和数据自动采集系统，综合运用自动化监测和人工监测相结合手段进行地铁结构的沉降监测，形成可供比较的两套地铁线路监测数据，用于动态指导信息化施工，根据监测数据及时优化推进速度、开挖面土压力、泥水压力、泥浆浓度等施工参数，确保地铁结构安全。

（5）换浆处理

为了在局部沉陷或隆起时能及时处理，混凝土盖板施工时沿顶进轴线预留2排间距1.5m，排距2m 跟踪补浆、补土孔。顶进过程中加强同步注浆，尽可能将膨润土泥浆套随机头向前移动，形成连续的环状泥浆套。顶进结束后，立即用纯水泥浆置换膨润土泥浆。换浆在列车停止运营后实施并完成，严格控制换浆压力，出现隧道变形速率较大时，立即停止加压措施。

工程采用地面设置盖板加堆载措施后，环境监测数据显示，顶管始发井前端地表沉降较大，最大累计值约12cm，其余地表沉降在5cm 左右。顶管上方Φ1000 混凝土雨水管最大沉降约5cm，通过CCTV 检测，雨水管未出现渗漏水等异常现象。

图3 为下卧地铁隧道上行线自动监测数据变形曲线，可以看出，最大隆起变形位置位于顶管正下方穿越区域，变形随着与穿越区域距离的增大不断减小，隧道最大隆起量为3.9mm，满足运营地铁保护标准的5mm 要求。

图3 上行线自动监测变形曲线

矩形顶管具有工艺成熟，不破坏道路结构、噪音小等特点已广泛应用于地下通道、共同沟等地下工程中。本文以顶管近距离穿越地铁隧道为背景，采用地面设置盖板加堆载措施有效控制了下卧地铁隧道及地表变形。工程体会如下：

（1）在不超出地铁保护所要求的地面超载前提下，采取盖板加地面堆载措施对控制地表及隧道变形效果较为明显；

（2）采用自动化及人工监测数据相结合对于调整顶管施工参数，对于指导现场施工控制变形尤为重要。