上海隧道工程有限公司200032
摘要：上海市徐汇区景洪路新建工程雨水管上跨既有15号线地铁隧道且走向一致，通过实测地铁道床沉降量和地铁管径收敛，分析顶管施工对既有地铁结构变形的影响。监测结果表明，顶管施工过程，土体的卸载和加载会相应引起地铁结构的上抬和下沉，以及地铁管径的扩大与收缩；地铁结构沉降累积变形量小于2mm，地铁管径的累积变化量小于4mm。总体而言，顶管施工对地铁结构的变形影响在控制范围之内。
关键字：市政工程，顶管施工，地铁隧道，实测变形
0前言
为了给城市居民提供更加完善、舒适的服务，各大城市努力开发利用城市地下空间，而有时新建管线不可避免的与既有地下管线有交叉。若采用明挖法施工，将显著影响地面交通和地上建筑物安全，同时由于大量的土体卸载，会导致既有地下管道上浮，威胁地下管道结构安全。顶管法则可避免对地面交通的影响，并通过减少卸载土量降低对地下管道的影响。近年来，顶管法在市政工程短距离管道、隧道施工中应用的越来越多，尤其在穿越既有构筑物、地下管道或隧道方面具有显著优势。
顶管法施工对周围土体的扰动是不可避免，因此对地下既有管道或隧道结构安全仍然存在威胁。目前，相关报道多数以数值分析方法研究顶管施工对既有底下管道或隧道的影响，且以顶管与既有管线正交或者斜交为主流。以北京市某处污水管正交穿越13号地铁工程为研究对象，陈晨利用MIDAS/GTS数值模拟软件分析了顶管法施工对既有地铁轨道变形的影响，结果表明顶管施工距离轨道上行左线3D（D为顶管直径）到下行右线2D范围内是施工关键期，需加强对轨道变形监测。黄斌以上海市的矩形顶管穿越地铁隧道的工程为例，阐述了顶管施工对既有地铁的影响和采用的保护措施。齐强以深圳市福田区顶管超近距离跨越地铁线路（净距小于1米）为例，着重介绍了保护地铁隧道的施工要点。林清辉实测了深圳市某顶管施工对下部既有地铁隧道竖向变形，监测数据显示顶管施工会引起下部地铁隧道上抬变形，且这种变形主要集中在顶管施工区的3倍顶管宽度范围内，顶管内配重和管外注浆可以降低地铁隧道隆起变形。
根据已有报道来看，关于顶管与既有管线或隧道平行施工的报道较少。上海市徐汇区景洪路新建雨水管上跨15号线地铁，且走向一致。本文以此工程为基础，实测雨水管顶管法施工对15号线地铁道床沉降量和隧道管径收敛的影响，并提出控制顶管施工对隧道变形量影响的措施。
1工程概况
景洪路（老沪闵路-华泾西规划二路）道路新建工程项目的新建排水管道与轨道交通十五号线朱梅路站-景洪路站区间线路基本一致，从新建景洪路起点里程开始，地铁隧道区间的设计走向即处于新建道路的下方，相互位置关系见图1。新排雨水管采用钢筋混凝土管，与隧道结构平行走向，多数位于两区间隧道中间。
因地铁15号线已施工完毕，未施工的雨水管道从Y5号井~Y12号井（其平面位置见图2），埋深较深，距离较长，雨水管和地铁区间垂直距离较近，无法进行开槽埋管施工，因此雨水管Y5~Y12变更工艺为顶管法施工（其余管段都已在地铁区间施工之前完成）。
根据勘察资料，顶管管线施工穿越土层主要是淤泥质粉质黏土和淤泥质黏土。
图1地铁隧道和新建管线的关系图
图2顶管段施工平面布置图
2顶管施工方案
2.1施工概述
该工程的顶管始发井（Y12）8.35m×4.75m，接收井（Y5）为正方形4.75m×4.75m，顶管长度150m，顶管深度6.5m。采用一次顶进到位的方式，中间设置5个骑马井，主管施工完成后，采用钢套筒下沉的方式进行骑马井施工，待顶管施工完毕后在工作井内分别砌筑检查井并和两端管道连接。顶管施工示意图见图3。2019年4月7日开始工作井施工，2019年5月23日开始顶管推进施工。
在顶进过程中，严格控制顶进机顶进的纠偏量，尽量减小对正面土体的扰动。施工过程中顶进速度不宜过快，一般控制在0.5cm/min左右，尽量做到均衡施工，避免在途中有较长时间的耽搁。在穿越过程中，必须保证持续、均匀压浆，使出现的空隙能被迅速得到填充，保证管道上部土体的稳定。
图3顶管顶进施工示意图
2.2顶管施工对地铁保护的主要措施
（1）选用大刀盘泥水平衡顶管掘进机
本次施工选用的大刀盘泥水平衡顶管掘进机，被切削的土体从主切削刀刃的缝隙中进入泥水舱，通过控制泥水舱的泥水压力和泥浆比重来平衡开挖面的水土压力，使开挖面始终处于稳定状态。面板式大刀盘切削刀的设计和布置满足最佳的切削效果，同时使得进泥流畅，对开挖面的扰动最小，使开挖面处于最佳的平衡状态，机头正面土体产生的挤压应力大为减小，切削面以外土体的扰动相应减小。
（2）触变泥浆压浆控制技术
在顶管管节外壁与土层之间形成良好性能的触变泥浆套，不仅可使顶进阻力成倍的下降,而且对控制地表沉降、减少土体的扰动有很好效果。因此，在实施穿越时，为了确保完整泥浆套的形成，严格控制泥浆质量并选用优质膨润土，在顶进过程中，不断优化泥浆配比。在控制好泥浆配比的同时，控制泥浆拌制质量。拌制好的泥浆静置24h后，要求漏斗粘度时间大于26s，并使用前再次搅拌。其次，在压浆时还着重控制以下3个方面：
1）出洞口的止水装置要确保不渗漏，管节接口的密封性能良好，是形成泥浆套的先决条件。
2）从出洞口开始压浆，出洞口的压浆可以避免管子进入土体后被握裹，进而引起“背土”的恶果；管道在“背土”条件下的运动将对土体产生很大的扰动。
3）对管道沿线定时补浆，不断弥补浆液向土层的渗透量，在穿越过地铁隧道后的后续顶进中，不断地补浆有助于减少管道前移时对地铁隧道上方土体的摩擦扰动。
（3）测量和轴线控制技术
确保穿越段顶管姿态的关键在于控制好顶进轴线。每顶进50cm测量一次顶管姿态，做到勤推、勤测、勤纠。避免因为轴线出现过大偏差而进行强制纠偏，从而将对管体外土体的扰动减少到最小。
（4）合理制定主要施工参数
据同类工程的施工经验及研究成果可知，顶管施工中对周围环境和邻近已建隧道隆沉变形有明显影响的是：正面水土压力、顶管推进速度、顶管姿态等。施工过程中，由于顶管前方土体可能不均匀，因此在推进过程中，根据地面监测及区间隧道内变形监测信息的反馈，进行泥水压力的设定与调整。顶管推进速度不宜过快，推进过程速度保持稳定，确保顶管均衡、匀速地穿越地铁区间减少推进对前方土体造成的扰动。
（5）信息化施工动态控制
为了控制施工对既有地铁15号线的影响，对地下管线变形、建筑物变形等外部环境进行监测，并通过时间序列、回归分析等手段进行施工预测，指导施工；同时对地铁15号线隧道的沉降、侧移、断面变形等进行监测。如遇变形超过报警值，及时采取措施。
做好趋势分析提前介入，如果地铁隆起，检查操作过程，无异常时，优先考虑稳定正面顶部土压力，调低推进速度，推进10cm，根据地铁隧道监测单位提供的监测数据调整推进速度；其次同步考虑对管道沿线及时补浆,不断弥补浆液向土层的渗透量,在穿越过地铁隧道后的后续顶进中,不断地补浆有助于减少管道前移时对地铁隧道上方土体的摩擦扰动。
3地铁隧道安全监测方案
顶管穿越轨道交通隧道期间，需要对地铁隧道稳定性监测，包括：线路沉降监测、收敛监测。其中，轨道交通15号线道床沉降量监测点布置如图4所示。采用人工法和自动化法监测轨道交通隧道直径收敛，其监测点布置如图5和图6所示。
地铁结构保护要求：地铁结构的沉降（或隆起）变化累计量和水平位移变化累计量＜10mm，水平直径收敛变化量累计＜10mm。当发生下列情况时，建设施工单位应及时报警，并采取可靠应急措施，保证地铁线路安全。
（1）地铁结构位移、沉降或隆起、收敛变化量连续三天同方向日变量达到0.5mm。
（2）监测值超过总变形控制量的1/2时。
（3）其它危及地铁结构安全的事情发生时。
图4施工期间轨道交通15号线道床沉降监测点布置示意图
图5施工期间轨道交通15号管径收敛（人工）监测点布置示意图
图6施工期间轨道交通15号线管径收敛（自动化）监测点布置示意图
4地铁隧道变形实测结果分析
4.1沉降量监测
不同时间地铁结构沉降量监测结果见图7和图8，其正值代表上抬，负值代表下沉。由图7可见，与其他点位对比，在SX02、SX03处，SX26、SX27处明显上抬，是因为两端的工作井施工，土方开挖引起该处地铁结构上方土体卸载，最终导致地铁结构上抬。另外，其他监测点位沉降量随时间推移而在-1mm~1mm范围波动，是因为受地层扰动的影响；但是变形量没有出现单一方向的持续累积变形，说明在顶管施工过程中隧道道床相对稳定。由图8可见，XX01至XX34点位沉降变形波动较小，XX35至XX49点位沉降变形波动较大，说明顶管施工对比开槽埋管施工对地铁隧道的影响小。
为分析施工行为对地铁结构沉降量的影响，绘制工作井附近监测点位（XX31~XX34）和顶管推进开始端监测点位（XX25~XX30）地铁结构沉降量随时间的变化图，如图9所示。在工作井基坑支护施工时，由于土体搅拌扰动，地铁结构微微上抬；圈梁支模、浇筑混凝土时，地铁结构受压下沉；工作井拆模和继续挖深时，地铁结构因上部土体卸载而下沉量减少；顶管推进后，地铁结构因顶管管道内土体卸载而上抬。虽然工作井和顶管施工影响了地铁结构的沉降变形，但是累积变形量未超过2mm。
4.2管径收敛监测
不同时间地铁管径累积变化量监测结果见图10~图13，其正值代表向外伸张，负值代表向内压缩。从图10和图11可以看出，6#监测点（SL06和XL06）处地铁管径变化量明显大于其他点位，是因为6#监测点位于十五号线区间的联络通道，其他施工单位在此进行浆液置换固化，压浆导致地铁管径减小，并非顶管施工引起。另外，其他监测点位地铁管径累积变化量随时间推移而在-1mm~2mm范围波动，是因为受地层扰动的影响；但是变形量没有出现单一方向的持续累积变形，说明在顶管施工过程中隧道结构相对稳定。
图7上行线地铁结构沉降量监测结果
图8下行线地铁结构沉降量监测结果
图9工作井附近和顶管推进始端地铁结构沉降量随时间的变化
图10上行线地铁管径收敛人工监测结果
图11下行线地铁管径收敛人工监测结果
图12上行线地铁管径收敛自动监测结果
图13下行线地铁管径收敛人工监测结果
为分析施工行为对地铁管径变形的影响，绘制顶管推进监测点位（SL25、XL25、ZSL5和ZXL5）地铁管径累积变形随时间的变化图，如图14和图15所示。地铁管径随着顶管推进有一定的变化，是由土体卸载和地层扰动引起的，其变化量远小于控制变形量10mm。
图14顶管施工始端地铁管径收敛人工监测结果
图15顶管施工始端地铁管径收敛自动化监测结果
5结语
以上海市徐汇区景洪路新建雨水管顶管施工为背景，提出了顶管施工对地铁结构的保护措施，通过实测地铁道床沉降量和隧道管径收敛，分析顶管施工对下部既有地铁结构变形的影响。结果显示，顶管施工过程，土体的卸载和加载会相应引起地铁结构的上抬和下沉，以及地铁管径的扩大与收缩，地铁结构的变形影响在控制范围之内。最后，希望本研究成果为同类工程提供一定的参考。
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