陳雪華
(廣州金土巖土工程技術(shù)有限公司,廣東 廣州 510070)
20世紀(jì)末,由我國自主研發(fā)的2.5m×2.5m,3.8m×3.8m矩形頂管機(jī)在上海地鐵某出入口和過街通道建設(shè)中的成功應(yīng)用,開啟了我國矩形頂管行業(yè)發(fā)展的大門[1-2]。歷經(jīng)20多年的工程實(shí)踐后,機(jī)械法矩形頂管暗挖技術(shù)已逐漸應(yīng)用于過街通道、地鐵出入口、地下綜合管廊、車行隧道、地鐵車站、地下商業(yè)街等地下工程的建設(shè)中[3-8]。目前,該技術(shù)在我國城市淺層地下空間開發(fā)中的應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注和重視[9]。
通常,矩形頂管施工需從地面向下建設(shè)始發(fā)井,因此,已有不少針對始發(fā)井和后靠土體穩(wěn)定性的研究。黃堅(jiān)生[10]對工作井的位移、應(yīng)力特征及頂推力與后靠墻變形關(guān)系進(jìn)行了數(shù)值模擬分析;王寧等[11]根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù),研究了后背土體水平位移和土壓力的變化規(guī)律;黃章君等[12]分析了頂推反力荷載對墻后土體位移、應(yīng)力、孔隙水壓力的影響及有關(guān)因素對墻后土體水平位移的影響。
實(shí)際上,并非所有矩形頂管工程都具備工作井建設(shè)條件,如:繁華城區(qū)內(nèi)因建(構(gòu))筑物密集,施工場地狹小受限;穿越市政道路、高速公路、鐵路等結(jié)構(gòu)的高路堤邊坡時(shí),矩形頂管埋深過小,后靠土體極少;既有基坑或建(構(gòu))筑物地下室始發(fā)等。因此,需摒棄原有思路,探尋新型始發(fā)后靠結(jié)構(gòu)。但當(dāng)前我國對新型后靠結(jié)構(gòu)的研究少之又少,尤其在矩形頂管穿越施工節(jié)點(diǎn)時(shí),更缺乏無始發(fā)井頂進(jìn)施工的工程經(jīng)驗(yàn)。因此,新型后靠結(jié)構(gòu)的研究具有重要意義。
本文依托南京靈山北路西延過土城頭路隧道工程,提出一種用于大斷面矩形頂管始發(fā)的臨時(shí)后靠結(jié)構(gòu),闡述其結(jié)構(gòu)組成和設(shè)計(jì)要點(diǎn),總結(jié)施工工藝流程和施工要點(diǎn),分析頂管施工對臨時(shí)后靠結(jié)構(gòu)的影響,以期為類似工程施工提供參考。
隧道位于南京仙林新區(qū)靈山北路與土城頭路相交處(見圖1),設(shè)計(jì)為雙向四車道+人非通道,機(jī)動(dòng)車道寬3.5m,人行道和非機(jī)動(dòng)車道寬均為3m,隧道覆土厚5~6.6m。土城頭路為雙向兩車道、寬約7m的瀝青路,道路兩側(cè)50m范圍內(nèi)為明代外郭城墻遺址。城墻本體橫剖面呈梯形,底部寬約19.0m,頂部寬約12.0m,殘存高度0.1~1.5m,埋深1.0~2.0m,與擬建隧道豎向凈距>1m,已納入南京市文物保護(hù)范圍。由于明城墻遺址本體對土體變形極敏感,對地面變形控制要求嚴(yán)格,因此不宜采用傳統(tǒng)明挖法或淺埋暗挖法施工,選擇綠色、安全、環(huán)保、高效的機(jī)械法矩形頂管暗挖施工,可有效控制土體變形。
圖1 頂管工程衛(wèi)星平面
本工程地貌類型屬低山丘陵區(qū)和山崗地區(qū),區(qū)域內(nèi)土層分布自上而下依次為素填土、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化石英閃長斑巖,頂管工程縱斷面(北側(cè))如圖2所示,土層分布及特性如表1所示。地下水類型為淺層孔隙潛水,主要分布于素填土層中,水位埋深1.46~4.53m(受地形高差影響),其余巖土層含水弱~微弱,基本不透水,為相對隔水層。頂管隧道穿越地層主要為粉質(zhì)黏土。
圖2 頂管工程縱斷面(北側(cè))
表1 土層分布及特性
頂管隧道設(shè)計(jì)為4段平行頂進(jìn),其中2段車行隧道頂管斷面尺寸為10.2m×6.6m,2段人非通道斷面尺寸為7.0m×5.0m,均采用鋼筋混凝土預(yù)制管節(jié),長1.5m/節(jié),分別重76.6,41.3t,混凝土強(qiáng)度等級為C50,抗?jié)B等級為P8,管節(jié)接口采用F形承插式,其他參數(shù)如表2所示。
表2 頂管施工參數(shù)
靈山北路海拔較土城頭路低9.0~11.0m,較周邊建筑群低2.0~4.0m,沿線道路施工采用放坡開挖,下穿節(jié)點(diǎn)處采用頂管法施工。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況,放坡開挖后不具備施作工作井的條件。即使施作工作井,隧道貫通后仍需挖除工作井及后靠加固區(qū),工程成本較高。因此,決定采用臨時(shí)后靠結(jié)構(gòu)為矩形頂管始發(fā)及正常頂進(jìn)施工提供有效反力。
根據(jù)本工程地質(zhì)情況、覆土深度、周邊環(huán)境條件、工程特點(diǎn)及要求等,采用多刀盤組合式土壓平衡矩形頂管機(jī)掘進(jìn)施工。車行通道采用10.2m×6.6m頂管機(jī)掘進(jìn)施工,該頂管機(jī)設(shè)計(jì)為3個(gè)前置φ4 020刀盤+3個(gè)后置φ3 500刀盤組成的6個(gè)多刀盤結(jié)構(gòu)形式(見圖3a),整個(gè)刀盤切削率為90%。人非通道采用7.0m×5.0m頂管機(jī)掘進(jìn)施工,該頂管機(jī)設(shè)計(jì)為1個(gè)后置φ2 980刀盤+2個(gè)后置φ2 800刀盤+3個(gè)前置φ2 400刀盤組成的6個(gè)多刀盤結(jié)構(gòu)形式(見圖3b),整個(gè)刀盤切削率為91.5%。
圖3 矩形頂管機(jī)刀盤布置
臨時(shí)后靠結(jié)構(gòu)即指在矩形頂管穿越施工節(jié)點(diǎn)時(shí),遇到施工場地受限不具備施作頂管始發(fā)井的條件或頂進(jìn)完成后需挖除始發(fā)井結(jié)構(gòu)而造成大量成本浪費(fèi)等情況,為滿足頂管施工工藝要求并為頂管機(jī)和管節(jié)的順利頂進(jìn)提供有效頂推反力而施作的一種結(jié)構(gòu)。即在頂管始發(fā)平臺后方施作的一種嵌固于地層或既有結(jié)構(gòu)中,頂進(jìn)完成后再拆除的新型后靠結(jié)構(gòu),優(yōu)先采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。
臨時(shí)后靠結(jié)構(gòu)主要由樁基礎(chǔ)、底板、后靠墻和肋墻等組成,如圖4所示。后靠墻垂直于頂管頂進(jìn)軸線,且與底板垂直,直接承受來自千斤頂?shù)捻斖品戳?;底板將頂推反力均勻傳遞至樁基礎(chǔ);肋墻連接后靠墻和底板,作為重要的支撐和傳力結(jié)構(gòu);樁基礎(chǔ)包含冠梁和工程樁,為最主要的傳力結(jié)構(gòu),冠梁設(shè)于底板內(nèi),可保證工程樁的整體受力,工程樁嵌入土層一定深度,將頂推反力傳遞至地基土體。
圖4 臨時(shí)后靠結(jié)構(gòu)
采用頂管工藝始發(fā)和頂進(jìn)時(shí)臨時(shí)后靠結(jié)構(gòu)底部受力較大,為避免后靠墻底部與底板連接處發(fā)生剪切破壞,可將底板和冠梁厚度適當(dāng)加厚,使底部千斤頂所提供的頂推反力傳遞至底板上。同時(shí),為保證承載力和穩(wěn)定性,控制差異變形,為頂管始發(fā)及頂進(jìn)施工提供有效的頂推反力,組成臨時(shí)后靠結(jié)構(gòu)的各構(gòu)件間應(yīng)采用剛性連接形式。
臨時(shí)后靠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需考慮的主要因素為千斤頂通過后靠鋼結(jié)構(gòu)裝置施加的頂推反力及結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)所處地基土體的特性。設(shè)計(jì)時(shí),臨時(shí)后靠結(jié)構(gòu)的容許承載力不應(yīng)小于千斤頂所能提供的最大頂力,千斤頂總頂力不小于頂管頂推力的1.5倍[13]。
地基土體對臨時(shí)后靠結(jié)構(gòu)的影響主要體現(xiàn)在底板與地基土體的摩擦力、地基土體對工程樁的側(cè)向壓力和摩擦作用。工程樁是最終的傳力構(gòu)件,也是隱蔽工程,確保工程樁的承載能力和穩(wěn)定性是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵;影響工程樁的最重要因素之一是土體特性。因此,設(shè)計(jì)前應(yīng)確定臨時(shí)后靠結(jié)構(gòu)的布設(shè)位置,查明區(qū)域范圍內(nèi)地質(zhì)情況和土層分布,分析土體物理力學(xué)特性,選擇合適的樁型和施工工藝。
矩形頂管在始發(fā)與正常頂進(jìn)過程中,臨時(shí)后靠結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)在不斷變化,可能存在2種受力狀態(tài),如圖5所示(q0為頂推反力;q1為地基土體對前排工程樁的側(cè)向壓力;q2為地基土體對后排工程樁的側(cè)向壓力;q3為地基土體對底板的豎向支反力;f1為地基土體對前排工程樁的摩擦力,方向可能向上也可能向下;f2為地基土體對后排工程樁的摩擦力;f3為地基土體對底板的摩擦力;W為上部結(jié)構(gòu)自重)。
圖5 結(jié)構(gòu)受力分析
根據(jù)受力分析結(jié)果,認(rèn)為臨時(shí)后靠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與驗(yàn)算需包括:單樁水平承載力、抗彎承載力和抗拔承載力驗(yàn)算,底板抗彎承載力驗(yàn)算,后靠墻抗彎、抗剪承載力驗(yàn)算,肋墻抗剪承載力驗(yàn)算,冠梁與工程樁連接處混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性驗(yàn)算,地基土體承載力與穩(wěn)定性驗(yàn)算。具體設(shè)計(jì)與驗(yàn)算參照J(rèn)GJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[14],GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(2015年版)[15]。其中,底板抗彎承載力驗(yàn)算時(shí),若始發(fā)平臺與底板設(shè)計(jì)為整體,可將二者作為整體一起驗(yàn)算,并考慮頂管后配套設(shè)施的影響。
臨時(shí)后靠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下。
1)樁基礎(chǔ) 根據(jù)頂推反力、場地條件和地質(zhì)條件確定樁型、樁徑、樁長、樁距和樁數(shù),優(yōu)選摩擦樁和剛度較大的樁型;設(shè)計(jì)多排樁,每排樁中心點(diǎn)連線相互平行,且與頂管頂進(jìn)方向垂直;同一排樁按等間距布置,不同排樁按跳樁布置,平面上呈等腰三角形;每排樁頂部設(shè)冠梁使其連接成整體。
2)底板 根據(jù)現(xiàn)場條件、頂管工藝及受力要求,確定底板設(shè)計(jì)位置及尺寸;底板下方需設(shè)置墊層;冠梁與底板連成整體共同受力。
3)后靠墻 與頂管頂進(jìn)軸線方向垂直,與底板垂直;頂部設(shè)置暗梁與肋墻頂部相連。
4)肋墻 與后靠墻和底板垂直,按等間距布設(shè),其間距結(jié)合工程樁的樁距及受力特點(diǎn)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì);建議采用直角梯形,既能保證結(jié)構(gòu)受力合理,又節(jié)省材料。
根據(jù)T/CECS 716—2020《矩形頂管工程技術(shù)規(guī)程》第5.7.1條及T/CMEA 14—2020《綜合管廊矩形頂管技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[16],矩形頂管頂進(jìn)施工總頂力F由頂管機(jī)迎面阻力Py和總摩阻力Ff組成??紤]最不利情況,提出改進(jìn)總頂力的計(jì)算公式:
F=Py+Ff
(1)
Py=(P0+Pw)B1H1
(2)
Ff=[2f0(B1+H1)+Wf]Ld
(3)
P0=γK0(H0+2H1/3)
(4)
式中:P0為掌子面土壓力(kPa);Pw為掌子面水壓力(kPa);B1為矩形頂管外邊寬(m);H1為矩形頂管外邊高(m);f0為管節(jié)與土體接觸面的綜合摩阻力(kPa);γ為頂管機(jī)穿越范圍內(nèi)土的平均重度(kN/m3);H0為管頂至原狀土地面覆土厚度(m);Ld為矩形頂管頂進(jìn)長度(m);W為管節(jié)重力(kN/m);f為管節(jié)重力在土中的摩擦系數(shù),取0.5。
根據(jù)上述公式計(jì)算得到,在未考慮觸變泥漿減阻的情況下,南京靈山北路頂管隧道施工總頂力計(jì)算結(jié)果如表3所示。車行隧道和人非通道頂管段的最大頂力分別為26 073.0,15 415.3kN。
表3 總頂力計(jì)算結(jié)果
臨時(shí)后靠結(jié)構(gòu)的容許承載力按下式計(jì)算:
Fj≥μF
(5)
[Fb]≥Fj
(6)
式中:Fj為主頂千斤頂油缸的總頂力(kN);[Fb]為臨時(shí)后靠結(jié)構(gòu)的容許承載力(kN);μ為安全系數(shù),建議取1.5[13]。
計(jì)算得到主頂千斤頂油缸的最大總頂力不應(yīng)小于39 109.5,23 123.0kN。為便于受力計(jì)算,故臨時(shí)后靠結(jié)構(gòu)的容許承載力分別取為40 000,25 000kN。
本工程采用2臺斷面尺寸分別為10.2m×6.6m,7.0m×5.0m的土壓平衡式矩形頂管機(jī)同時(shí)施工。受場地條件限制,為減少設(shè)備轉(zhuǎn)場時(shí)間,將臨時(shí)后靠結(jié)構(gòu)分設(shè)于頂管隧道東西兩端,并將車行隧道和人非通道頂管的臨時(shí)后靠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為整體結(jié)構(gòu)共同受力,如圖6所示。
圖6 臨時(shí)后靠結(jié)構(gòu)平面布置
該臨時(shí)后靠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總寬度為19.2m,總長度為9.0m(不包含始發(fā)平臺),后靠墻最大高度為7.6m,最小高度為5.5m,如圖7,8所示。其中,后靠墻頂部暗梁尺寸為12m×0.8m×1.0m+7.2m×0.8m×1.0m,墻身高6.6,4.5m,底板尺寸為19.2m×9.0(8.0)m×1.0m,冠梁尺寸為19.2m×1.5m×1.0m。底板下鋪設(shè)0.2m厚C15素混凝土墊層。工程樁共設(shè)2排,采用鉆孔灌注樁,前排樁樁徑為 1 200mm,樁間距1.6m,樁長13.0m;后排樁樁徑為1 200mm,樁間距3.2m,樁長10.0m,前、后2排樁的間距為7.5,6.5m,樁身混凝土強(qiáng)度等級為C30。工程樁樁身范圍內(nèi)施工地層為粉質(zhì)黏土層和強(qiáng)風(fēng)化石英閃長斑巖層,樁端持力層位于中風(fēng)化石英閃長斑巖層中。
圖7 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)平面
圖8 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)縱剖面
臨時(shí)后靠結(jié)構(gòu)施工流程為:工程樁→墊層→底板、冠梁→后靠墻、肋墻、暗梁。
1)工程樁施工 按設(shè)計(jì)圖紙要求,準(zhǔn)確測量放線,確定樁位,按鉆孔灌注樁施工工藝要求施工,待工程樁達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,鑿除樁頂部分施工冠梁,冠梁與工程樁頂部鋼筋進(jìn)行有效搭接,從而將工程樁連成整體。
2)底板施工 底板與工程樁樁頂冠梁同時(shí)施工;底板鋼筋綁扎與立模的同時(shí)預(yù)埋后靠墻與肋墻連接鋼筋,對連接處進(jìn)行加密配筋。
3)后靠墻施工 除在后靠墻與底板連接處進(jìn)行鋼筋加密外,還需在交角處設(shè)置附加鋼筋。
4)肋墻施工 肋墻與后靠墻的混凝土澆筑同步進(jìn)行,以減少施工縫,使樁基礎(chǔ)、底板、后靠墻和肋墻形成整體共同受力。鋼筋混凝土墻體施工完成后,在肋墻間回填黏性土進(jìn)行壓重。
5)暗梁施工 墻頂部暗梁按梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求綁扎鋼筋并澆筑混凝土。由于局部墻身高度變化,因此變階處暗梁施工需加密鋼筋并同步澆筑混凝土。
除上述要點(diǎn)外,還應(yīng)符合混凝土結(jié)構(gòu)施工相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的要求。
在實(shí)際頂進(jìn)施工過程中,有可能出現(xiàn)頂推反力接近甚至超過臨時(shí)后靠結(jié)構(gòu)的容許承載力而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開裂、滑移、傾斜、傾覆等變形過大或失穩(wěn)的情況,可能原因如下。
1)頂進(jìn)姿態(tài)控制與糾偏不當(dāng),導(dǎo)致頂管機(jī)與管節(jié)同周邊土體的摩阻力突然增大。
2)因地質(zhì)或地下結(jié)構(gòu)探測不明,導(dǎo)致頂管頂進(jìn)時(shí)遭遇不良地質(zhì)情況,如卵礫石、孤石、拋填石等,或遇到地下障礙物、廢棄箱涵等結(jié)構(gòu)物,造成頂力劇增。
3)人為增大頂推力,進(jìn)行保壓出土,使實(shí)際頂力過大,增大了后靠結(jié)構(gòu)受力的負(fù)擔(dān)。
因此,頂進(jìn)施工時(shí)需實(shí)時(shí)監(jiān)測臨時(shí)后靠結(jié)構(gòu)的位移和變形,并采取相關(guān)措施來減小實(shí)際頂推力或提高臨時(shí)后靠結(jié)構(gòu)的承載力和穩(wěn)定性。建議措施如下。
1)頂進(jìn)前加強(qiáng)地質(zhì)情況和地下結(jié)構(gòu)探測,掌握頂進(jìn)范圍內(nèi)不良地質(zhì)及障礙物情況,采取預(yù)處理措施。
2)加強(qiáng)監(jiān)測,嚴(yán)格控制頂進(jìn)姿態(tài),避免出現(xiàn)頂進(jìn)姿態(tài)與設(shè)計(jì)軸線不符、頂進(jìn)不順利而導(dǎo)致頂力突然增大的情況。
3)頂進(jìn)過程中遭遇孤石、拋填石或障礙物時(shí),盡快采取開艙或其他措施進(jìn)行清理,避免停頂時(shí)間過長,再次開頂時(shí)頂力增大。
4)注漿潤滑減阻,向頂進(jìn)的管節(jié)外注入優(yōu)質(zhì)減阻泥漿,有效減小管節(jié)與周邊土體的摩阻力,從而減小頂推力。
5)盡量連續(xù)頂進(jìn),減少停頓時(shí)間,防止掌子面和土艙內(nèi)土體固結(jié)而導(dǎo)致頂管機(jī)開機(jī)時(shí)頂力劇增。
6)堆載反壓,在臨時(shí)后靠結(jié)構(gòu)的肋墻間堆填土方,以提高后靠墻的抗剪和抗彎能力,增大底板與地基土體的摩阻力。
7)預(yù)先在底板下施作地錨梁,增大地基土體對底板的摩阻力。
8)將臨時(shí)后靠結(jié)構(gòu)的底板與始發(fā)平臺結(jié)構(gòu)的鋼筋進(jìn)行有效連接,并澆筑為整體,提高底板的摩擦阻力,依靠管節(jié)和后靠設(shè)施提高底板的抗傾覆能力。
9)加密工程樁,采用高壓旋噴樁或水泥土攪拌樁對底板下的地基土體進(jìn)行加固。
10)針對長距離頂管,尤其要增加墻體厚度和加強(qiáng)結(jié)構(gòu)本身的整體穩(wěn)定性。
該工程頂進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn),因保壓出土,臨時(shí)后靠結(jié)構(gòu)肋墻上出現(xiàn)微小裂縫,但通過采取減小千斤頂油缸頂力、全程注漿減阻、嚴(yán)控頂進(jìn)姿態(tài)、后靠墻肋墻間回填堆載反壓等相關(guān)措施后,裂縫并未持續(xù)發(fā)展?,F(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示,頂進(jìn)全程臨時(shí)后靠結(jié)構(gòu)的最大水平位移約為8mm,小于設(shè)計(jì)允許變形值25~30mm,未出現(xiàn)變形過大或失穩(wěn)的情況。
本文依托南京靈山北路西延過土城頭路隧道工程,提出一種大斷面矩形頂管始發(fā)用臨時(shí)后靠結(jié)構(gòu),討論了其主要結(jié)構(gòu)組成和設(shè)計(jì)要點(diǎn),總結(jié)了施工工藝流程及施工要點(diǎn),分析了頂管施工對臨時(shí)后靠結(jié)構(gòu)的影響,得到以下結(jié)論。
1)因施工場地受限不具備施作始發(fā)井的條件或頂進(jìn)完成后需挖除始發(fā)井結(jié)構(gòu)造成大量成本浪費(fèi)時(shí),可優(yōu)先采用臨時(shí)后靠結(jié)構(gòu)用于頂管始發(fā)頂進(jìn)。
2)臨時(shí)后靠結(jié)構(gòu)主要包括樁基礎(chǔ)、底板、后靠墻和肋墻等,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對結(jié)構(gòu)和地基土體進(jìn)行承載力和穩(wěn)定性驗(yàn)算,要求臨時(shí)后靠結(jié)構(gòu)的容許承載力不應(yīng)小于千斤頂所能提供的最大頂力。
3)臨時(shí)后靠結(jié)構(gòu)實(shí)施過程中應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)和相關(guān)規(guī)范要求施工,把控施工要點(diǎn),并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù),頂管施工全程對后靠結(jié)構(gòu)的影響控制在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi),較好地驗(yàn)證了臨時(shí)后靠結(jié)構(gòu)的可靠性和應(yīng)用價(jià)值。
4)臨時(shí)后靠結(jié)構(gòu)的應(yīng)用,可擴(kuò)大機(jī)械法矩形頂管技術(shù)的適用范圍,可為類似工程施工提供參考。