史國(guó)坤，郭曼麗，趙紅書(shū)

（中電建生態(tài)環(huán)境設(shè)計(jì)研究有限公司，江蘇 蘇州 215131）

由于頂管技術(shù)日趨完善，頂管施工技術(shù)在國(guó)內(nèi)的工程中得到廣泛的應(yīng)用。經(jīng)查閱相關(guān)的資料及文獻(xiàn)，其大多數(shù)是研究頂管的施工方法及施工工藝在實(shí)際工程中的應(yīng)用。文章以南昌市水環(huán)境綜合治理工程（前湖水系及烏沙河上游段）一級(jí)水力調(diào)控工程（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“工程”）為背景，研究頂管近距離下穿快速路、上穿地鐵、橫穿橋墩的問(wèn)題，分析評(píng)價(jià)施工階段和運(yùn)行階段頂管對(duì)快速路、地鐵、橋墩的影響。工程已經(jīng)施工完畢并投入使用，到目前為止未發(fā)現(xiàn)頂管對(duì)快速路、地鐵、橋墩造成任何負(fù)面影響。通過(guò)對(duì)該設(shè)計(jì)方案的研究，解決了頂管近距離穿越建筑物的問(wèn)題，希望能為以后類(lèi)似的工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程背景

工程由一級(jí)泵站和一級(jí)補(bǔ)水管道組成，主要任務(wù)是從贛江取水經(jīng)一級(jí)補(bǔ)水管道提水至前湖調(diào)節(jié)池，經(jīng)前湖干流向前湖進(jìn)行補(bǔ)水。一級(jí)補(bǔ)水管道位置交通示意圖如圖1所示，一級(jí)補(bǔ)水管道起于一級(jí)泵站，位于生米大橋上游230m處，然后沿祥云大道南側(cè)規(guī)劃生態(tài)綠廊鋪設(shè)，沿途穿越贛江南大道、三清山大道、九龍大道、圭峰大道、學(xué)府南大道，最后到達(dá)前湖調(diào)節(jié)池。一級(jí)補(bǔ)水管道總長(zhǎng)約4.2km（單管），采用K9級(jí)球墨鑄鐵管雙管布置，管徑DN1200，設(shè)計(jì)流量為3m3/s，單管設(shè)計(jì)流量1.50m3/s。文章主要針對(duì)一級(jí)補(bǔ)水管道穿越三清山大道進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

圖1 一級(jí)補(bǔ)水管道位置交通示意圖

2 施工條件

2.1 位置條件

一級(jí)補(bǔ)水管道在樁號(hào)為K0+827.593～K1+092.858垂直下穿三清山大道。三清山大道的西向車(chē)道下面為南昌地鐵2號(hào)線，一級(jí)補(bǔ)水管道需從地鐵2號(hào)線上穿過(guò)。一級(jí)補(bǔ)水管道在豎直方向還需避開(kāi)雨水管、燃?xì)夤?、電力檢查井；在水平方向需避開(kāi)生米大橋西互通A匝道和G匝道的橋墩。

2.2 地質(zhì)條件

根據(jù)勘探成果，一級(jí)補(bǔ)水管道下穿三清山大道頂管段主要穿過(guò)③粉質(zhì)黏土層、①-2人工填土層，其中③層為均勻土層，①-2層為非均勻土層，適宜采用頂管施工，但在頂進(jìn)過(guò)程中應(yīng)對(duì)①-2層進(jìn)行提前加固處理，以防頂管施工后地表有過(guò)大的下沉。在頂進(jìn)過(guò)程中若遇孤石等不良地質(zhì)，應(yīng)采取有效措施破除孤石，并適時(shí)進(jìn)行糾偏，防止管道偏離錯(cuò)位。另外，該頂管段上方距離燃?xì)?、雨污、電力和通信等管道較近，頂管施工時(shí)應(yīng)引起充分注意，防止施工過(guò)程中管道偏離錯(cuò)位，破壞上方管道設(shè)施。

3 工程布置

一級(jí)補(bǔ)水管道下穿三清山大道示意圖如圖2所示，一級(jí)補(bǔ)水管道下穿三清山大道設(shè)置兩個(gè)工作井和一個(gè)接收井。1#工作井位于生米大橋西互通G匝道西面，2#工作井位于三清山大道和生米大橋西互通A匝道之間的綠化帶中，接收井位于金領(lǐng)駕校內(nèi)。

圖2 一級(jí)補(bǔ)水管道下穿三清山大道示意圖

3.1 管道水平方向布置

由圖2可知，一級(jí)補(bǔ)水管道從生米大橋西互通A匝道和G匝道的第一跨穿過(guò)，A匝道和G匝道的橋墩成為制約管道水平方向的重要因素之一。經(jīng)到生米大橋管理處收集相關(guān)資料，生米大橋西互通A匝道第一跨的凈間距為17.72m，由于一級(jí)補(bǔ)水管道和A匝道之間的夾角為48.00°，A匝道在管道方向上的凈間距為7.83m。管道（雙管）的凈間距為3.7m，管道布置時(shí)，確定管道和第一跨橋臺(tái)的凈距離為2.03m，和第一跨橋墩承臺(tái)的凈距離為2.12m。生米大橋西互通G匝道第一跨的凈間距為17.68m，由于一級(jí)補(bǔ)水管道和G匝道之間的夾角為48.00°，G匝道在管道方向上的凈間距為9.47m。管道（雙管）的凈間距為3.7m，管道布置時(shí)，確定管道和第一跨橋臺(tái)的凈距離為2.95m，和第一跨橋墩承臺(tái)的凈距離為2.82m。

一級(jí)補(bǔ)水管道與生米大橋西互通A匝道和G匝道的空間關(guān)系如圖3、圖4所示。

圖3 管道與A匝道空間關(guān)系圖

圖4 管道與G匝道空間關(guān)系圖

3.2 管道豎直方向布置

根據(jù)《南昌地鐵2號(hào)線正線縱斷面線路圖》（左線施工圖），一級(jí)補(bǔ)水管道與地鐵2號(hào)線交叉處的隧道頂高程為11.87m。根據(jù)物探探測(cè)及實(shí)測(cè)結(jié)果，一級(jí)補(bǔ)水管道軸線上，電力檢查井底高程17.80m、φ800雨水管底高程18.16m、φ500燃?xì)夤艿赘叱?8.58m、三清山路面高程20.39m。根據(jù)豎直方向上的制約因素，為了既不影響三清山大道快速路和南昌地鐵2號(hào)線的正常運(yùn)行，也不損壞雨水管和燃?xì)夤艿裙艿溃?jīng)得軌道、燃?xì)狻㈦娏Φ炔块T(mén)的認(rèn)可，一級(jí)補(bǔ)水管道中心高程定為16.97m。此時(shí)，一級(jí)補(bǔ)水管線和三清山大道快速路路面距離為2.82m，和地鐵2號(hào)線的凈距離為4.50m，和φ800雨水管的凈距離為0.59m，和φ500燃?xì)夤艿膬艟嚯x為1.00m，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

3.3 工作井布置

一級(jí)補(bǔ)水管道下穿三清山大道頂管長(zhǎng)度為228m（單管），其中1#工作井至2#工作井頂管長(zhǎng)度為162m（單管），2#工作井至接收井頂管距離66m（單管）。1#工作井、2#工作井、接收井距離地鐵2#線的距離分別為89.40m、55.60m、125.60m，頂管井與地鐵2#線的凈距離均大于50m，滿足相關(guān)規(guī)范要求。穿三清山大道頂管段平面布置及縱斷面情況如圖5、圖6所示。

圖5 穿三清山大道頂管平面布置圖

圖6 穿三清山大道頂管段縱斷面圖

4 安全評(píng)價(jià)

4.1 一級(jí)補(bǔ)水管道對(duì)橋基的安全評(píng)價(jià)

（1）結(jié)構(gòu)關(guān)系概況。一級(jí)補(bǔ)水管道在樁號(hào)為K0+827.593～K1+092.858處垂直穿越三清山大道。一級(jí)補(bǔ)水管道與生米大橋西互通A匝道和G匝道的結(jié)構(gòu)關(guān)系如下：①水平方向。一級(jí)補(bǔ)水管道從橋梁樁基中間穿過(guò)，管道離橋梁樁基A7的最小間距為2.12m，離橋梁樁基A8的最小間距為2.03m，離橋梁樁基G7的最小間距為2.82m，離橋梁樁基G8的最小間距為2.95m。兩補(bǔ)水管道的中心距離為2.50m。②豎直方向。樁基承臺(tái)高2m，A7樁長(zhǎng)為24.50m，A8樁長(zhǎng)為30.37m，G7樁長(zhǎng)為25.50m，G8樁長(zhǎng)為27.36m，樁徑均為1m，地面距補(bǔ)水管道距離為3.6m。一級(jí)補(bǔ)水管道與橋梁樁基橫剖面圖如圖7所示。

圖7 一級(jí)補(bǔ)水管道與橋梁樁基橫剖面圖

（2）有限元分析模型。一級(jí)補(bǔ)水管道與橋梁樁基有限元計(jì)算模型如圖8所示，一級(jí)補(bǔ)水管道與橋梁樁基位置關(guān)系如圖9所示。

圖8 一級(jí)補(bǔ)水管道與橋梁樁基有限元計(jì)算模型

圖9 一級(jí)補(bǔ)水管道與橋梁樁基位置關(guān)系

（3）有限元計(jì)算結(jié)果。①施工期。經(jīng)計(jì)算，一級(jí)補(bǔ)水管道施工過(guò)程會(huì)引起臨近橋梁樁基側(cè)向變形，X、Y、Z方向的位移最大值分別為0.1074mm、0.2510mm和0.0142mm，由此可知，最大變形在Y方向?yàn)?.2510mm，但小于規(guī)范控制安全標(biāo)準(zhǔn)（6mm）。A匝道A8號(hào)橋梁樁基的位移最大，且越靠近補(bǔ)水管道的橋梁樁基水平位移值越大；施工引起A匝道相鄰兩橋墩的沉降差為0.0058mm，引起橋面形成的附加縱坡為2.23×10-7，施工引起B(yǎng)匝道相鄰兩橋墩的沉降差為0.0004mm，引起橋面形成的附加縱坡為1.60×10-8，遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的0.2%。施工過(guò)程會(huì)對(duì)橋梁樁基產(chǎn)生附加內(nèi)力，其中橋梁樁基最大附加應(yīng)力為0.143kPa，小于規(guī)范規(guī)定的附加應(yīng)力控制值20kPa和C25混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。②運(yùn)營(yíng)期。經(jīng)計(jì)算，一級(jí)補(bǔ)水管道運(yùn)營(yíng)期間會(huì)引起臨近橋梁樁基側(cè)向變形，X、Y、Z方向的位移最大值分別為0.1075mm、0.3725mm和0.01735mm，由此可知，最大變形在Y方向?yàn)?.3725mm，但小于規(guī)范控制安全標(biāo)準(zhǔn)（6mm）。A匝道A8號(hào)橋梁樁基的位移最大，且越靠近補(bǔ)水管道的橋梁樁基水平位移值越大；運(yùn)營(yíng)期間引起A匝道相鄰兩橋墩的沉降差為0.0118mm，引起橋面形成的附加縱坡為4.47×10-7；運(yùn)營(yíng)期間引起B(yǎng)匝道相鄰兩橋墩的沉降差為0.0074mm，引起橋面形成的附加縱坡為2.96×10-7，遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的0.2%。運(yùn)營(yíng)期間會(huì)對(duì)橋梁樁基產(chǎn)生附加內(nèi)力，其中橋梁樁基最大附加應(yīng)力為3.54kPa，小于規(guī)范規(guī)定的附加應(yīng)力控制值20kPa和C25混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

4.2 一級(jí)補(bǔ)水管道對(duì)地鐵2號(hào)線的安全評(píng)價(jià)

（1）結(jié)構(gòu)關(guān)系概況。一級(jí)補(bǔ)水管道在樁號(hào)為K0+827.593～K1+092.858處垂直穿越三清山大道。在樁號(hào)為K0+970.387～K0+989.387處垂直上穿地鐵2號(hào)線。一級(jí)補(bǔ)水管道與地鐵2號(hào)線凈距離為4.5m。

（2）有限元分析模型。有限元整體計(jì)算模型如圖10所示，X方向?yàn)轫敼茏呦?，Y方向?yàn)榈罔F2號(hào)線隧道走向，Z方向?yàn)樨Q向位移方向，土體四周約束其法向位移，底部約束其豎向位移。在分析一級(jí)補(bǔ)水管道對(duì)既有地鐵2號(hào)線隧道影響之前，應(yīng)對(duì)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行地應(yīng)力平衡，地應(yīng)力平衡圖如圖11所示，地應(yīng)力平衡時(shí)位移數(shù)量級(jí)達(dá)到10-5，由此可知，在分析之前土體與既有地鐵隧道已達(dá)到地應(yīng)力平衡。

圖10 有限元整體計(jì)算模型

圖11 地應(yīng)力平衡圖

（3）有限元計(jì)算結(jié)果。①在施工過(guò)程中，一級(jí)補(bǔ)水管道全部頂進(jìn)完成后，地鐵2號(hào)線襯砌的最大位移出現(xiàn)在襯砌底部，發(fā)生隆起，最大隆起值為0.1442mm，如圖12、圖13所示。一級(jí)補(bǔ)水管道運(yùn)營(yíng)期間，地鐵2號(hào)線隧道襯砌最大豎向位移為0.1447mm。由此可知，一級(jí)補(bǔ)水管道施工以及運(yùn)營(yíng)期間對(duì)隧道襯砌的影響非常小。②在施工過(guò)程中，補(bǔ)水管道沿著管道軸線X方向的最大位移為0.266mm，沿著管道軸線Y方向的最大位移為1.104mm，豎直方向（Z軸）上最大位移出現(xiàn)在管道與地鐵線路相交的位置，下沉了2mm。通過(guò)比較可知，施工全過(guò)程補(bǔ)水管道的豎向變形相對(duì)較大，其他方向的變形相對(duì)較小。③補(bǔ)水管道的施工，對(duì)于補(bǔ)水管正下方的襯砌影響最大，仍處于變形允許范圍內(nèi)。④以上位移均未達(dá)到報(bào)警值。

圖12 襯砌位移云圖

圖13 襯砌位移矢量圖

5 施工工藝

此次頂進(jìn)施工主要采用全自動(dòng)頂進(jìn)設(shè)備施工，各相關(guān)機(jī)械操作主要通過(guò)該系統(tǒng)集中控制臺(tái)控制相關(guān)參數(shù)，一般頂進(jìn)過(guò)程主要包含以下步驟：

（1）工具頭刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)、開(kāi)進(jìn)出泥漿泵。接通電源，將工具頭的刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)設(shè)備的參數(shù)穩(wěn)定后，開(kāi)進(jìn)出泥漿泵，開(kāi)始泥漿循環(huán)。

（2）頂進(jìn)、調(diào)整進(jìn)出泥漿泵流量達(dá)到平衡。工具頭的操作全部采用在管道外（工作井上）控制臺(tái)控制，只需1個(gè)機(jī)手操作，可實(shí)現(xiàn)對(duì)工具頭刀具的轉(zhuǎn)動(dòng)、糾偏控制、壓力顯示、實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（3）泥渣處理。施工中排出的泥水通過(guò)吸泥泵排到井上泥漿沉淀池。泥漿池可進(jìn)行泥漿二次沉淀，經(jīng)過(guò)處理后的泥漿濃度可大大減小，并且過(guò)濾后的清水可重復(fù)使用。泥漿沉淀后將沉淀渣土從沉淀池中撈出由渣土車(chē)運(yùn)至指定棄土場(chǎng)。

（4）注意事項(xiàng)。頂管頂進(jìn)主要分為初始頂進(jìn)和正常頂進(jìn)；從破洞一直到第三節(jié)鐵管全部推進(jìn)入土中的全過(guò)程稱(chēng)之為初始頂進(jìn)。在頂管施工中，初始頂進(jìn)是一個(gè)至關(guān)重要的階段，它的成敗將決定于整個(gè)頂管過(guò)程的成敗。

6 結(jié)束語(yǔ)

工程已施工完畢，目前在試運(yùn)行。到目前為止，工程運(yùn)行正常，未發(fā)現(xiàn)對(duì)地鐵2號(hào)線、三清山大道、生米大橋橋墩、市政管網(wǎng)造成影響。工程的施工及試運(yùn)行的成功，主要是管理得當(dāng)，設(shè)計(jì)合理，施工嚴(yán)格。尤其是在設(shè)計(jì)階段，弄清工程的邊界條件，對(duì)地鐵2號(hào)線和匝道橋基進(jìn)行安全評(píng)估，確保能夠順利施工。只有做到設(shè)計(jì)合理，才能真正保證工程的成功。