上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司 上海 200092
摘要：随着上海市区内排水标准的进一步提高，大直径排水顶管在地铁附近实施的工程越来越多。本文结合工程实例，阐述了在地铁附近施工顶管井的设计注意事项及其原因，并采用有限元软件，对顶管井施工引起的变形进行数值模拟，该数值模拟结果基本与工程实施过程中的监测数据接近，对施工有一定的指导意义。
关键词：SMW工法、三轴搅拌桩、钻孔灌注桩
顶管作为管道非开挖施工的一种方式,在工程中得到不断运用和推广。目前国内顶管直径最大已做到DN4000，阻碍顶管向更大直径发展的最大阻力是管道关节的运输。另一个运用则是顶管在更加复杂的地层及条件下的运用。特别是在正在运营的地铁上方的施工。
管道非开挖施工的原因，一是经济性因素，当管道埋深较大时，如全线采用开槽埋管，经济性较差；二是特殊节点，如管道横穿铁路、地铁或交通不宜中断的重要路口。
当管道的管径达到3m左右时，其非开挖的施工工法，一般有顶管或者盾构两种工法。
而盾构一般由于其造价相对较高，除管道线形曲率半径较小，或近距离穿越对变形较为敏感的建构筑物或地下管线时，其余情况较少运用，而采用造价相对合理的顶管工法。
当顶管上穿地铁线路时，顶管顶进施工对地铁的影响甚大，必须控制好顶力、顶进速率、机头姿态等。顶管井基坑施工对地铁施工带来的影响也同样不容忽视，在某些工程中，顶管井的施工给地铁带来的影响甚至更大。
1、工程设计实例
在虹桥商务区东片区综合改造市政配套一期工程中，迎宾五路上雨水管道管径为DN2700~DN3000，由于该管道埋深较大，且和迎宾污路上地铁10号线长距离平行或小角度上跨，考虑尽量减小对地铁盾构段的影响，拟采用顶管施工。迎宾五路上共设1个顶管工坑井和2个顶管接收井，详图一从左至右黄色标记分别命名为1#顶管接收井、2#顶管工作井及3#顶管接收井。
图一 迎宾五路雨水管道及顶管井平面示意图
1.1 1#顶管接收井
1#顶管接收井，采用SMW工法施工，Φ850@600三轴搅拌桩内插型钢，搅拌桩及型钢约16.5m，顶部设钢筋混凝土冠梁，采用钢围檩和钢支撑。底部采用满堂三轴水泥土搅拌桩止水及加固4m厚。进出洞口处采用三轴搅拌桩进行土体加固。考虑到基坑距地铁较近，为减少基坑变形，型钢采用密插方式。临近地铁一侧型钢不拔除，其余三侧型钢拔除时及时进行注浆。
图二 1#顶管接收井与轨交10号线位置剖面示意图
SMW工法问世于日本，大规模运用于上海，其在水泥土未结硬前插入H型钢。型钢和水泥土一起形成连续的距一定强度和刚度的地下墙体。由于其施工时，对临近土体扰动少，从而对地下设施如地铁盾构的影响也较小，也较为适宜在上海的软土地基中运用。该工法由于比较成熟，运用广泛，地铁权属部门也比较认可，所以是当基坑深度相对较浅的情况下的一种理想的基坑围护方式，而且其经济性也比较好。由于其在拔除H型钢的过程中，往往需要振动拔除，会造成土体扰动，故在临近地铁一侧的型钢不予拔除。
SMW工法由于其设备较大，施工作业面也较大，1#顶管接收井有恰好位于迎宾五路与空港一路路口，交通压力较大， 1#顶管接收井在起初未优化前，交通组织设计达不到交管部门的要求。设计提出了两种方案，一是运用设备更为先进的TRD水泥土连续搅拌墙工艺，该工艺施工设备小，对交通带来的影响较小，但是其造价相对于SMW工法较高；另一方案为与顶管施工单位进一步协调，优化接受井尺寸，在满足施工空间的要求下，仍采用SMW工法，满足交通所需，本工程在最后实施过程中选用了后者，避免了工程的重大变更。
在交通繁忙的市区路口，基坑围护的选择需特别慎重，特别是上海交管部门对交通组织设计的审查一般情况下为车道占一还一，在设计的前期应考虑该因素，如无法保证的情况下，应提早与交管部门沟通。
对于软土地基的坑底，往往需要进行坑底加固。坑底加固一般采用压密注浆加固、高压旋喷加固及三轴搅拌桩满堂加固等。压密注浆常见于一般沟槽的坑底加固，但其加固效果离散性较大，难以在坑底形成较为均匀的不透水层，故在本工程中首先排除了这种方式。高压旋喷桩的由于其施工机械小，对淤泥、淤泥质土、流塑及软塑粘性土等软弱土体均有较好的加固作用，在常规的市政工程中得到较为普遍的运用，但其施工压力达到20~40MPa，水泥浆液最终流向何处，施工时难以控制，故该施工方式在临近地铁施工时被摒弃。三轴搅拌桩施工时，水泥浆液控制在搅拌桩的区域内，搅拌又使其均匀，质量可控，而且其经济性较好，常作为地铁附近基坑坑底加固的首选。
为分析1号井施工对地铁的影响，采用有限元软件进行计算分析。
图五 2#顶管工作井与轨交10号线位置剖面示意图
2#顶管工作井，采用SMW工法施工，Φ850@600三轴搅拌桩内插型钢，搅拌桩及型钢约17.5m，顶部设钢筋混凝土冠梁，采用钢围檩和钢支撑。底部采用满堂三轴水泥土搅拌桩止水及加固4m厚。进出洞口处采用三轴搅拌桩进行土体加固。考虑到基坑距地铁较近，为减少基坑变形，型钢采用密插方式。临近地铁一侧型钢不拔除，其余三侧型钢拔除时及时进行注浆。
2#顶管工作井的情况与1#顶管接收井的情况相似，不同的是由于其顶管工艺的要求，平面尺寸长方向达到10.8m，其内支撑在设置时，需注意顶管机吊入的需求。
为分析2号井施工对地铁的影响，采用有限元软件进行计算分析。
图八 3#顶管接收井与轨交10号线位置剖面示意图
由于开挖深度较深，拟采用φ1000钻孔灌注桩支护，顶部设钢筋混凝土冠梁，内设钢筋混凝土环形内支撑，外用Φ850@600三轴搅拌桩止水，底部采用4m厚满堂三轴水泥土搅拌桩止水及加固4m厚。进出洞口处采用三轴搅拌桩进行土体加固。
在上海的地层条件下，顶管井基坑开挖较浅时，往往采用SMW工法，如本工程的1#及2#井，该工法中搅拌桩起到止水帷幕的作用，而搅拌桩中的插入的型钢起到了支护桩的作用，结合坑底加固。坑内排水，基坑外无需降地下水，这种情况下地下水的因素给地铁带来的影响可忽略不计。
而当基坑深度达到12m以上时，往往采用钻孔灌注桩或地下连续强的方式支护开挖，本工程3#顶管接收井采用钻孔灌注桩支护开挖。
3#坑基坑底的不透水层厚度较小，当浅层的承压水水头较高的情况下，如不采取措施，基底有较大可能产生承压水突涌。在这种情况下，考虑采用止水帷幕截断承压水，但本工程设计中，止水帷幕隔断第⑤2-2粉砂层进入⑤2-3层，注意到⑤2-3层为粉质粘土与砂质粉土互层，为弱透水层，故本工程为悬挂式止水帷幕。
在与地铁相关部门的沟通过程中，止水帷幕由一排三轴搅拌桩调整为两排三轴搅拌桩，加宽止水帷幕厚度，极大降低止水帷幕失效的可能性；并同时将坑底加固厚度由4m调整为5m，确保封底的有效性；在采取以上措施的基础上，基坑采用坑内排水，避免抽取承压水给地铁盾构带来的土体流失，从而影响地铁的运营安全。
3#顶管接收井原设计为圆形，地铁运营方考虑到圆形基坑围檩为钢筋混凝土结构，混凝土浇筑到达到设计强度时间较长，不符合地铁周边基坑取土后支撑需尽快发挥作用的需求。在本工程中该井平面最终由圆形调整为多边形，围檩调整为钢围檩。
为分析3号井施工对地铁的影响，采用有限元软件进行计算分析。
根据分析结果，变形均控制在规范要求的范围内。
2、施工监测情况
本工程已实施完毕，并在施工过程中进行了沉降及变形等监测。
根据基坑监测数据，2#顶管工作井，周边地表沉降累计最大值为11.19mm，围护结构侧向位移为16.9mm；3#顶管接收井，周边地表沉降累计最大值为14.03mm，围护结构侧向位移为11.4mm。
根据监测记录，除2#井的围护结构侧向位移与有限元数值模拟有一定偏差，其余与数值模拟结果较为符合。
3、结论
本文结合工程实例，阐述了在地铁附近施工顶管井的设计注意事项及其原因，并采用有限元软件，对顶管井施工引起的变形进行数值模拟，得到如下结论：
1、SMW工法施工机械较大，在交通繁忙路口，谨慎使用；
2、三轴搅拌桩、MJS桩在施工时对周边土体扰动较小，地铁相关部门对其较为认可；
3、地铁附近的施工宜尽量不抽取地下水，因其会造成土体流失，影响地铁盾构安全；
4、设计宜对地铁附近的顶管井进行有限元分析，对施工有一定的指导作用。
参考文献：
[1] CECS246:2008,给水排水工程顶管技术规程[S].
[2] JGJ120-2012，建筑基坑支护技术规程[S].
[3] 王雪,王成虎,马孝春,孙肖辉.国内外顶管施工技术的对比分析[J].施工技术.2017年12月第46卷增刊:1018~1022
作者简介：陈宏森（1982-），男，浙江诸暨，工程师，硕士，研究方向：结构工程
论文作者:陈宏森
论文发表刊物:《防护工程》2018年第17期
论文发表时间:2018/10/29
标签：地铁论文; 基坑论文; 顶管论文; 型钢论文; 管井论文; 工程论文; 工法论文; 《防护工程》2018年第17期论文;