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矩形顶管技术的应用与发展

矩形顶管 2024年2月27日 项敏 176

摘  要

[摘要]矩形顶管技术在地面交通繁忙、地层条件复杂的城市地下空间开发中应用愈来愈广泛。针对工程重点关注的矩形顶管技术选型与背土效应控制、断面发展与应用和地层适用性问题,通过对近年来参与的和其他完工的矩形顶管项目调研分析,总结了矩形顶管技术选型需要考虑的因素,提出了以上覆土层变形来判断临界背土效应的理论框架;通过案例阐述了利用矩形顶管技术穿越砂卵石地层、软土地层和上软下硬地层所存在的问题和施工针对性措施;归纳了矩形顶管使用场合以及断面的发展,并结合兴业快线下穿梅华东路矩形顶管项目论述了顶管机设计制造模块化和可重复利用的基础。

 

[关键词]地下空间;矩形顶管地铁车站;综合管廊;背土效应

0 引  言

地下空间的开发利用是解决土地资源紧张、交通拥堵、拓展城市空间和缓解环境恶化的有效途径。随着城市化进程的日益加快,在“十四五”时期,我国的地下空间开发利用将进一步加强。与此同时,地下空间非开挖技术中的顶管法能做到对地面的小开挖、少开挖,能最大程度降低对周边环境的影响,具有经济、高效和环保等诸多优点,在地下空间开发和城市更新中应用日趋普遍,特别是在人口密集、交通繁忙、地面建筑物多、地下管道错综复杂的环境中,该方法已成为首选方案。

 

同时由于地下人行通道、车行道等用途的多样化需求,常规圆形断面顶管已无法满足工程要求,顶管技术正朝着矩(异)形大断面、小净距、浅覆土方向发展。矩形顶管能充分利用结构断面,提高断面利用率,相较于圆形顶管断面,能节省约20%的空间,同时矩形顶管相比圆形顶管有更好的浅覆土适应能力,从而可以大大降低下穿各类构筑物的坡度和深度。近年来,地下空间开发和城市更新中的矩形顶管隧道项目不断增多,矩形顶管隧道的规模、用途方面都经历了跨越式发展,也出现了一些新的技术特征。

 

本文通过对近年来矩形顶管隧道项目断面尺寸、用途、上覆土厚度和穿越地层类型等方面的统计分析,从矩形顶管的选型和背土效应控制、不同地层的针对性措施、断面和用途的发展以及新技术应用等多方面总结分析矩形顶管现阶段的应用与发展特点,并结合兴业快线下穿梅华东路矩形顶管项目介绍了顶管机的模块化利用和穿越上软下硬土层的技术方案。

1 矩形顶管技术的选型与背土效应控制

1.1开挖面支护方式与渣土改良

开挖面的稳定性控制是非开挖技术中的关键,对减小地层扰动起着决定性作用,在盾构选型中所形成的三角理论就是以开挖面稳定为中心设置的,并考虑了土体粒径级配、渗透性、地下水等因素。与盾构技术类似,矩形顶管技术开挖面支护技术主要有土压平衡支护式和泥水平衡支护式,即通过土压力和泥水压力来平衡开挖面压力,但其选型并没有定量化。如盾构技术中认为渣土含有30%左右的细微颗粒可以确保其塑性流动性,以及根据地层粒径级配和渗透性定量化选择开挖面支护方式, 矩形顶管的选型在定量化方面还需进一步发展。在统计的57个案例中,只有2例使用了泥水平衡顶管,其他均为土压平衡顶管,现有工程应用表明矩形顶管开挖面支护方式多为土压平衡式。

 

1.2上覆土厚度与背土效应

矩形顶管由设置于始发竖井中的液压油缸顶推,顶管管节与顶管机同时向前移动,这个顶推力需要同时克服开挖面压力和管节与岩土体摩擦力才能推动顶管机前进。

 

矩形顶管一般宽度大、埋深较浅,很难形成卸荷拱效应,上覆土直接坍塌覆于顶管上表面,因管节与土体产生相对移动,在推进过程中容易出现背土效应。使用矩形顶管建设地下空间是为了减小环境影响,保持施工上方的正常活动,因此上覆土层的稳定性和背土效应的控制一直是工程关注的重点,触变泥浆减阻技术的使用在减小了顶推力的同时,也可减弱背土效应。

 

T/CECS 716—2020《矩形顶管工程技术规程》在顶管机类型选择时推荐矩形土压平衡式顶管管顶覆土≥3m,矩形泥水平衡式顶管管顶覆土不小于1倍管节高度且≥4m,本规定来自工程经验的总结,并没有相关的理论支撑。而在盾构法中相关规范规定地铁区间隧道覆土厚度宜≥1D(D为隧道结构外径),道路隧道洞口处覆土厚度宜≥0.65D,区间段覆土厚度宜≥0.85D,其覆土厚度从施工掘进阶段上覆土的稳定性,使用阶段管片的上浮控制都有全面的考虑。

 

统计案例中矩形土压平衡式顶管覆土厚度区间为3~8m,少数矩形顶管项目中局部覆土厚度超过10m。浅覆土厚度小于3m的唯一案例为南昌大桥西双孔矩形顶管,覆土厚度仅为1.5m。为了保持上覆地层稳定和顶管的安全施工,在南昌大桥西超浅覆土双孔矩形顶管的顶部及两侧采用了管幕施工加固,管幕支护结构形式呈倒“山”形(见图1),工程上为突破顶管上覆土的最小厚度,在其他措施方面增加了不少投入。

 

矩形顶管技术的应用与发展

 

现有研究表明地层变形与上覆土厚度及力学性质、机(管)土摩擦、开挖面附加应力等关系密切,背土效应最终表现为土体的隆沉,因此也与这些因素息息相关。

 

高毅等、豆小天等和甄亮等以浅覆土矩形顶管正上方土体的整体破坏现象为基础,研究了“整体背土效应”的判断理论。这种整体背土效坏准则,显然假设已经达到了破坏阶段,变形不可控,这是在工程中所不允许的,也不符合现代应用矩形顶管的初衷。

 

因此有必要基于上覆土厚度及力学性质、机(管)土摩擦等因素研究顶进时上覆土层的变形,并结合上覆土层变形控制措施,从变形控制的角度提出临界背土效应的判断理论,为设计和施工阶段提供顶管上覆土厚度的控制标准。

 

2 矩形顶管技术应用分析

2.1矩形顶管竣工情况分析

从1999年上海地铁2号线陆家嘴站5号出入口人行地道成功应用矩形顶管,2012年佛山市南海区桂城街道地下空间项目采用四孔小间距并行顶进,到2018年川大停车场下穿人民南路人行通道项目国内首次在砂卵石地层中采用矩形土压平衡式顶管机,以及2021年上海轨道交通14号线地铁车站静安寺站首次采用矩形顶管建造,矩形顶管技术在城市密集建设区、地下空间开发受限区以及城市繁忙区域得到了广泛应用。基于文献、新闻网站和工程施工案例调查,对近年(截至2021年底)完工的矩形顶管隧道进行了不完全统计分析(见图2),可以看出采用矩形顶管技术施工的完工项目逐年增加,且矩形顶管采用的断面面积有不断增大的趋势,其断面面积从最开始的14.44m2增长到了140m2(2020年贯通的嘉兴市区快速路下穿南湖大道顶管隧道)。

 

矩形顶管技术的应用与发展

2.2矩形顶管使用场合

矩形顶管技术作为一种非开挖手段,能最大程度降低对周围环境的影响,复杂环境下越来越倾向于使用该技术。通过对近十年施工完成的57个案例研究表明,采用矩形顶管施工的工程主要用于下穿城市道路、下穿高速、下穿河道、上跨隧道、下穿隧道和下穿高架桥六方面(见图3),对施工区域上方的商业活动或车辆通行基本可以做到无影响,避免了对道路的反复开挖以及情况复杂的交叉作业。

矩形顶管技术的应用与发展

2.3矩形顶管地层适用性及针对性措施

 

1)无水砂卵石地层

川大停车场下穿人民南路人行通道项目(2015年)为国内首次在砂卵石地层中采用矩形土压平衡式顶管机,针对顶部细砂层的稳定性控制,一方面采用了在设备顶部注入稠度较大的膨润土,使其渗透到拱顶和前方砂砾层中形成泥膜隔离层,泥浆的压力作用在泥膜上,以支撑拱顶砾层;另一方面预留超前注浆孔,在设备掘进前,提前进行注浆加固。

 

2)富水砂卵石地层

在苏州城北路综合管廊矩形顶管工程(2017年)中针对穿越的富水砂层,为降低顶管机始发及接收时涌水涌砂的风险,对始发及接收洞门进行加固,以提高土体强度和自稳性,同时设降水井降水减压;顶进过程中通过注入浓泥浆液、泡沫剂、增稠剂等,改善土仓内土体和易性、塑性和止水性能,平衡土压力,以保持流砂层开挖面的稳定。

 

3)软土层

广州地铁北京路站出入口矩形顶管工程(2018年)成功穿越淤泥质土层,项目针对淤泥软土层对顶管全程进行全断面注浆预加固,端头进行了土体加固,防止机头始发时出现“磕头”,在顶进过程中适当提高顶进速度,使正面土压力稍大于理论计算值,以减少对正面土体的扰动并防止出现地面沉降。

 

台州综合管廊过永宁河矩形顶管工程(2019年)通过注浆改良土体,改善不良土体的流塑性,严控出土量,保证了开挖面的土体稳定,成功穿越了永宁河河床底的淤泥层。针对过河段浅覆土顶管施工过程中可能发生管节上浮及顶管完成后管节不均匀沉降的现象,顶管完成后采用了注水泥浆置换触变泥浆来固结通道,同时采用槽钢对管廊管节进行刚性连接。

 

4)上软下硬地层

矩形顶管在穿越上软下硬地层时,为保护刀盘降低掘进速度,但由于上部土层易坍塌,掘进速度过低对上部土层稳定性不利,螺旋出土口可能出现涌水涌砂,同时黏土矿物的存在,导致易结泥饼,借鉴盾构穿越上软下硬复合地层的技术解决方法,矩形顶管为穿越上软下硬地层可以从地层置换、刀盘改进和渣土改良等方面出发提出技术解决方案。

 

如长沙地铁6号线韶光站3号出入口在矩形顶管顶进前,对下部的中风化泥砂层进行了钻孔预处理,并在钻孔内充填膨润土;顶进时压注泥浆和增稠剂,使中风化泥岩与泥浆充分搅拌均匀,顺利穿越该地层。

 

天妃1号为首台超大断面硬岩复合地层矩形顶管机,在设计中采用了2层三前四后的七刀盘组合,形成了强大的破岩能力和掘进效能。

 

兴业快线下穿梅华东路矩形顶管在顶进约64m时发现掌子面下方存在风化岩和孤石,通过水平钻确定风化岩和孤石分布范围,采用φ795微型硬岩顶管机对风化岩和孤石进行置换处理(见图4)。为防止地层损失造成地面及顶管机沉降,选用黏土+改良剂+水配置浓胶泥进行置换,压泥量设计为开挖量的1.5倍。

 

矩形顶管技术的应用与发展

 

结合地层改良、渣土改良和刀盘改进等针对性技术措施,矩形顶管成功穿越了包括砂卵石层、软土地层和上软下硬地层等在内的复杂地层,展现了广泛的地层适用性,为复杂地质环境中的应用提供了良好的技术基础。

3 矩形顶管断面和用途发展分析

3.1矩形顶管断面形式

当前矩形顶管断面的设计有两种思路:矩形和类矩形断面形式,如图5所示。矩形断面四边为平面,四角进行倒角设计;而类矩形断面则有利于结构的整体受力,如采用矩形的上部起拱、四边都起拱等模式。矩形断面的上部或四边起拱,是为了改善结构受力,而起拱对于顶管推进的环境影响,以及后注浆的模式会影响地层变形特性,需要进一步研究。矩形顶管断面不断加大,与此同时断面还是采用结构⁃荷载法设计思路,但顶进过程中管片的受力特征和永久工况下的结构受力目前缺少系统研究,管片设计与结构优化缺少理论基础。

矩形顶管技术的应用与发展

 

3.2矩形顶管断面跨高比

矩形顶管断面宽度为B,高度为H,定义跨高比为B/H,所得跨高比使用频次的统计结果如图6所示。目前施工完成的矩形顶管案例跨高比处在1~2.1,其中B/H=1的案例是上海地铁2号线陆家嘴站5号出入口人行地道顶管工程,为国内第1次矩形顶管技术的应用(1999年);B/H=2.1的案例是深圳梅观高速综合管廊采用的矩形顶管断面(2021年),同时也是国内最大的综合管廊尺寸断面。大量的施工案例表明矩形顶管断面的跨高比集中在区间1.4~1.7,并以B/H=1.4使用频次最高,可供设计施工参考。

 

矩形顶管技术的应用与发展

3.3尺寸与使用用途的关系

矩形顶管施工完成后在地下形成条形空间,根据矩形顶管施工案例的统计分析,矩形顶管使用阶段的用途集中于六大类(见图7),分别为:地铁站出入口,地下人行通道(联络通道),地下车行通道,综合管廊地铁区间隧道和地铁车站,符合矩形顶管施工所形成的条形空间常见用途。

 

矩形顶管技术的应用与发展

已建成的地铁站出入口矩形顶管宽度B为6.0~6.9m,高度H为4.0~4.9m,最为常见的尺寸为6.0m×4.3m和6.9m×4.2m,矩形顶管在作为地铁站出入口时的断面尺寸相当稳定。

 

作为地下人行通道(联络通道)的矩形顶管断面尺寸宽度和高度变化幅度较大,其最大断面达到了10.42m×7.57m,应注意到6.0m×4.3m,7.0m×5.0m和7.7m×4.3m等断面也多次出现。

 

矩形顶管隧道用作主干路和次干路的地下车行道,以两车道为主,在2020年11月份贯通的嘉兴市区快速路下穿南湖大道顶管隧道开创了三车道矩形顶管的先河,也是目前已贯通的最大矩形顶管隧道(14.82m×9.446m)。两车道的矩形顶管隧道其断面尺寸宽度最小为10.1m,高度为5.9~7.5m。

 

综合管廊矩形顶管断面尺寸五花八门,但其中也出现了与作为地铁站出入口和地下人行通道(联络通道)使用的顶管隧道相同断面尺寸,如6.0m×4.3m和6.9m×4.2m。

 

在建的兴业快线下穿梅华东路矩形顶管尺寸为10.4m×7.5m,四边起拱,项目以深圳市华为坂田基地与地铁10号线华为站连接通道所用顶管机(尺寸为10.2m×6.6m)为基础,通过新作顶管机壳体,改造电气控制系统、顶铁等少量部件,重复利用刀盘、油缸、螺旋出土器和电机等部件,达到了对顶管机模块的重复利用,起到了节约投资、绿色低碳的效果。

 

矩形顶管隧道发展到现阶段其用途明确,同时地铁站出入口、综合管廊断面尺寸和地下人行通道断面尺寸出现了交叉使用,而作为地下车行道的断面以两车道为主,在一定情况下可以做到顶管机外壳通用。因为断面尺寸的重复,矩形顶管具备有发展出类似于地铁区间隧道常见盾构直径的技术基础,以常见的断面尺寸开发顶管机,可达到顶管机设计、生产的模块化和重复利用。

4 矩形顶管新技术的应用

4.1变截面管片

矩形顶管跨度与断面愈来愈大,管片结构的设计优化尤为重要,嵇中基于珠海市兴业快线下穿梅华东路隧道工程研究了变截面顶管结构,通过变截面设计增加内部建筑空间,使原顶管机的建筑限界从仅满足时速60km以下,提高至满足时速≥60km的城市地下道路限界需求,研究结果表明变截面结构受力更为合理,且能减少配筋量和混凝土用量。

 

4.2地层变形控制技术

矩形顶管中地层变形是一个很重要的控制因素,本来运用矩形顶管的目的就是为了减少对周边环境的影响,维持周边环境已有功能,为了增强对地层变形的控制效果,现有工程采用了管幕、断面注浆等新技术

 

南昌大桥西岸段治堵顶管工程中上覆土层厚度仅1.5m,顶管顶部及两侧采用了φ299×12钢管管幕施工加固,以达到控制路面变形的目的。顶管下穿南斯友好路时需凿除两侧挡土墙,由于墙后为回填砂层,为防止凿除混凝土挡土墙后台背回填砂层坍塌影响路面交通,需对顶管范围砂层进行全断面注浆加固施工。

 

广州地铁北京路站出入口矩形顶管工程,全断面位于淤泥软土不良地层,地下水丰富,针对顶进施工时易发生坍塌影响路面交通,对顶管全程进行了全断面注浆预加固。借鉴于盾构技术中的盾构壁后注浆,顶管施工完成后注入水泥浆置换触变泥浆来固结通道,用于减小工后沉降,同时兼具一定的防水效果。

5 结  语

1)现有工程矩形顶管的开挖面支护方式以土压平衡为主,偶有泥水平衡方式,建立考虑上覆土厚度、土体粒径级配、渗透性、地下水等因素的顶管选型理论已势在必行。通过研究上覆土厚度及力学性质、机(管)土摩擦等因素对顶进时上覆土层的变形影响,从变形控制的角度提出临界背土效应的判断理论,可为设计和施工阶段提供顶管上覆土厚度的控制标准。

 

2)矩形顶管断面面积不断增大,最大断面面积目前已达到140m2,已完工的断面跨高比区间为1.0~2.1,常见跨高比集中于1.4~1.7,可用于设计施工参考。矩形顶管断面不断加大的同时,其计算理论还是采用荷载⁃结构法,对超大断面顶管顶进过程的管片受力、永久工况下的结构受力目前缺少相关研究,管片设计与结构优化缺少理论基础。

 

3)矩形顶管用于下穿城市道路、下穿高速、下穿河道、上跨隧道、下穿隧道和下穿高架桥的地下空间开发受限区和复杂环境的项目不断增多,结合针对性技术措施成功穿越的地层包括砂卵石地层、软土地层和上软下硬地层等,展现了良好的地层适用性。

 

4)矩形顶管建造出的条形地下空间有地铁站出入口、地下人行通道(联络通道)、地下车行通道、地下综合管廊地铁区间隧道和地铁车站六大使用用途。同时地铁站出入口、综合管廊和地下人行通道断面尺寸交叉重复使用,断面尺寸较为集中,矩形顶管机的设计制造有模块化和可重复利用的基础。

 

5)从地层改善、渣土改良出发的新技术运用为矩形顶管的顺利推进和控制地层变形或工后变形提供了技术手段,有效推动了矩形顶管在更为复杂地层环境中的安全应用。

 

来源:《施工技术》

作者:王虎

编辑整理:项敏

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