頂進(jìn)法在南京地鐵聯(lián)絡(luò)通道施工中的應(yīng)用
摘 要 地鐵聯(lián)絡(luò)通道的施工方法有多種，采用頂進(jìn)法施工南京地鐵一號線珠江路站至新街口站區(qū)間隧道的聯(lián)絡(luò)通道是一次新的嘗試。文章較詳細(xì)地敘述了施工過程，并對頂進(jìn)法在今后的推廣應(yīng)用中應(yīng)作進(jìn)一步的改進(jìn)和完善發(fā)表了見解，可供類似工程借鑒。?
關(guān)鍵詞 地鐵隧道 聯(lián)絡(luò)通道 頂進(jìn)法施工技術(shù)
一、工程概況?
一般地鐵工程，在上下行線隧道間設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道（簡稱旁通道），以便在地鐵運營中，當(dāng)其中一條區(qū)間隧道發(fā)生火災(zāi)或意外事件時，乘客下車后，可立即通過所設(shè)置的旁通道，安全地疏散至另一條隧道。?
南京地鐵一號線珠江路站至新街口站區(qū)間隧道（長932.044m，隧道內(nèi)徑為5.5m，外徑6.2m，管片厚350mm，管片寬1.20m）的聯(lián)絡(luò)通道的里程為下行線K8+810（對應(yīng)394環(huán)和395環(huán)接縫），通道外形斷面尺寸寬1.68m、高2.8m、長12.90m；通道頂面標(biāo)高為-3.556m，底面標(biāo)高為-6.356m，兩隧道的中心標(biāo)高為-4.75m，中心線距離為17.20m（凈距11.00m）；頂覆土厚7.054～7.414m，基本處于粉質(zhì)粘土層中（見圖1）。?
聯(lián)絡(luò)通道采用頂進(jìn)法施工，由上行線向下行線方向頂進(jìn)。聯(lián)絡(luò)通道相應(yīng)的地面位置，為與長江路交匯處以北20m左右的中山北路路下，地面上無建筑物。
?
二、工程地質(zhì)條件?
從圖1中可知，旁通道上部2.0m處于③1－2b層粉質(zhì)粘土中，下部處在③2－2b層粉質(zhì)粘土中。各土層的物理力學(xué)指標(biāo)見表1。
表1 各土層物理力學(xué)指標(biāo)?
根據(jù)地質(zhì)資料，土層③1－2b粉質(zhì)粘土的特性為褐黃～灰黃色，軟流塑，夾薄層粉土、粉細(xì)砂，局部為粉土～粉砂與粉質(zhì)粘土交互層，具中等壓縮性，其塑性指數(shù)為14.6、液性指數(shù)為0.85、水平滲透系數(shù)為5.854×10-6cm/s、垂直滲透系數(shù)為2.558×10-6cm/s；土層③2－2b的特性為褐灰～灰色，軟～流塑。局部為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土及粘土，具有中高壓縮性，其塑性指數(shù)為15.3、液性指數(shù)為1.11、水平滲透系數(shù)為14.601×10-6cm/s、垂直滲透系數(shù)為2.857×10-6cm/s。可見，旁通道頂進(jìn)施工所穿越的兩層土基本上是微透水性，并具有一定的自立性，抗剪強度較高，為采用網(wǎng)格式機頭頂進(jìn)施工提供了良好的條件。?
三、頂進(jìn)施工?
1、頂進(jìn)方案
(1)聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)
聯(lián)絡(luò)通道長12.9m（寬×高為1.68m×2.8m），由9節(jié)管節(jié)組成（管節(jié)間采用法蘭螺栓連接），中間7節(jié)為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，每節(jié)長1.5m，通道口的2節(jié)均長1.2m；管節(jié)為復(fù)合型結(jié)構(gòu)，即鋼殼內(nèi)有鋼筋混凝土內(nèi)襯（管壁厚20cm）；通道口四周的管片為鋼管片，管片預(yù)留孔的寬×高為1.7m×2.82m（管節(jié)與開口孔之間的周邊間隙僅有10mm，要求頂進(jìn)施工中管節(jié)中心軸線偏差控制在±10mm內(nèi)，難度極大，但有利于間隙的防滲漏處理）；兩端頭的管節(jié)鋼殼與鋼管片直接電焊，形成了聯(lián)絡(luò)通道。?
(2)機頭形式?
在上行線隧道內(nèi)，將頂出的4塊鋼管片上的圓弧板割去，成網(wǎng)格形式，組成頂進(jìn)施工的機頭。網(wǎng)格板表面支護(hù)正面土體，起到正面土體不失穩(wěn)的作用；土體被頂力擠入格孔中，在工作面內(nèi)被挖除。由于機頭的上下邊不在同一垂直面上，為了解決機頭與管節(jié)的連接，特制作了1個垂直法蘭（見圖2），不但解決了與管節(jié)的連接問題，也起到了使4塊鋼管片連成一個整體、完善了頂進(jìn)機頭的作用。?
?
(3)軸線的控制?
為了使機頭準(zhǔn)確地進(jìn)入下行線隧道的預(yù)留孔內(nèi)，在第一節(jié)管節(jié)與垂直法蘭之間設(shè)置1個中繼間，在中繼間四角各設(shè)有3只400kN的液壓千斤頂作糾偏用，控制機頭的頂進(jìn)方向，確保機頭順利進(jìn)入預(yù)留洞口。? (4)后靠設(shè)計?
頂進(jìn)施工時的頂力，必須由隧道內(nèi)的另一側(cè)管片來承受，因此，用1個弧形受力墊作為頂進(jìn)的后靠（見圖3），后靠縱向長度為14m，沿半徑（2750mm）方向的弧長為3888mm，后靠與隧道接觸面積是54.4m2，保證隧道管片所受的力小于被動土壓力。?
① 頂力計算?
② 后靠土體穩(wěn)定條件計算?
旁通道頂進(jìn)施工時，頂力通過后靠傳至隧道管片上，所以后靠的穩(wěn)定是由管片的穩(wěn)定（不產(chǎn)生移位）來保證的；而管片的另一側(cè)是土體，土體起到支承管片的作用，只要作用于管片上的單位壓力小于被動土壓力，就能達(dá)到穩(wěn)定后靠的目的。?
通過計算，頂進(jìn)時管片單位面積所受到最大壓力為86.3kN，管片外產(chǎn)生的被動土壓力為544.7kN/m2，安全系數(shù)K＝544.7÷86.3＝6.312。?
2、頂進(jìn)中采取的技術(shù)措施?
(1)頂進(jìn)施工的配套設(shè)備（見圖3）?
頂進(jìn)施工的設(shè)備除中繼間、后靠支撐系統(tǒng)外，還必須配有主頂裝置、頂鐵和導(dǎo)軌。?
① 主頂裝置?
主頂裝置由6臺1000 kN的千斤頂組成，千斤頂沿旁通道中心左右對稱布置于千斤頂支架上，支架不僅用作固定安裝千斤頂，并有導(dǎo)向功能；千斤頂油壓由高壓變量油泵（25CSY14－1B）提供，工作油壓60MPa；液壓換向閥控制千斤頂?shù)纳炜s。?
② 頂鐵?
主頂千斤頂?shù)男谐讨挥?0cm，而管節(jié)長150cm，為完成1節(jié)管節(jié)的頂進(jìn)，必須加頂鐵，以保證千斤頂回縮后與管節(jié)之間的空間能安裝1節(jié)管節(jié)；配制2個56cm厚的框形頂鐵和6個柱形墊柱，來確保最后一節(jié)管節(jié)到位。?
③ 導(dǎo)軌?
由2根平行的、可以拆卸的18＃工字鋼作為活絡(luò)導(dǎo)軌，按設(shè)計軸線鋪置，保證將鋼管節(jié)穩(wěn)固地運送到頂進(jìn)軸線的正確位置上，并能使管節(jié)和頂鐵在導(dǎo)軌上平穩(wěn)地向前滑行。?
(2)頂進(jìn)施工前的準(zhǔn)備?
① 復(fù)緊旁通道軸線位置前后各10環(huán)管片的縱、環(huán)向螺栓，以提高頂進(jìn)時隧道的整體抗變形能力，同時從隧道管片壓漿孔壓注水硬性漿液，固化原來施工時壓注的漿液，從而加強了隧道外土體的被動抗壓力，防止旁通道孔口間隙發(fā)生滲漏，影響頂進(jìn)施工。?
② 按頂進(jìn)軸線安裝、固定后靠，正確放置千斤頂支架，牢固安裝6只千斤頂，保證千斤頂軸線平行頂進(jìn)軸線，施工時不能發(fā)生移位和傾斜。?
③ 安裝垂直法蘭，將準(zhǔn)備頂出的4塊管片與其連成一個整體，作為頂進(jìn)施工的機頭。拆除準(zhǔn)備頂出的鋼管片的縱向螺栓，并割去部分鋼管片，使其的大小與洞口的內(nèi)凈尺寸相同（見圖4），便于頂進(jìn)和進(jìn)洞。?
④ 調(diào)整隧道內(nèi)的運輸軌道，安裝活動導(dǎo)軌。?
⑤ 為防止在割制網(wǎng)格式機頭時正面土體的坍塌，對出洞孔處土體進(jìn)行注漿加固，經(jīng)加固的土體應(yīng)有很好的自立性、均質(zhì)性；要求無側(cè)限抗壓強度達(dá)到0.5～0.8MPa。?
注漿加固的主要技術(shù)參數(shù)及漿液配合比見表2、表3。?
⑥ 割除鋼管片的外弧鋼板，使4塊鋼管片形成網(wǎng)格機頭。網(wǎng)格孔口尺寸為20cm×40cm，共16格，開口面積為1.28m2，開口率達(dá)27%，為確保施工安全，預(yù)先制作16塊封插式胸板，當(dāng)正面出現(xiàn)突發(fā)事件時，可立即關(guān)閉網(wǎng)格孔。?
⑦ 頂進(jìn)施工的控制軸線，應(yīng)是出、進(jìn)洞口中心實際位置（在區(qū)間隧道的上、下行線施工中，因環(huán)縫壓密的差異，產(chǎn)生管片里程誤差和管片成環(huán)的高程控制誤差，使旁通道預(yù)留孔的位置發(fā)生變化）的連線。因此，將根據(jù)地面控制網(wǎng)（作方向傳遞測量）測得的控制點固定在管片上（與后靠系統(tǒng)不能有任何牽連），該位置作為頂進(jìn)施工測量控制臺；并按這控制點來調(diào)整后靠、千斤頂組合中心及導(dǎo)軌等空間位置，使其符合頂進(jìn)施工的要求。在施工中必須定時、定期作復(fù)測，以確保頂進(jìn)測量的準(zhǔn)確性。?
⑧ 在頂進(jìn)施工時，為了將附近隧道圓環(huán)的變形控制在允許范圍內(nèi)，須對旁通道兩側(cè)各6環(huán)管片進(jìn)行加固，采用8根25＃雙榀槽鋼，形成柱狀的門式鋼支撐，并用楔形墊塊墊在管片間(見圖5)，每根鋼支撐的支撐力不小于500kN；在各鋼支撐的頂端設(shè)200kN的液壓千斤頂，施加預(yù)應(yīng)力。
3、出洞頂進(jìn)施工?
(1)將中繼間與垂直法蘭連接，接觸面要求平整，外圈絕對不能有凸出現(xiàn)象（否則在出洞口時有可能與洞口相卡），安裝好頂鐵（伸出千斤頂頂住頂鐵，但不加油壓），并與中繼間連接；確認(rèn)各項準(zhǔn)備工作就緒后，則升高油壓，開始出洞頂進(jìn)施工。?
(2)在千斤頂?shù)淖饔孟拢刂谱畲蠊ぷ饔蛪簽?200kPa），網(wǎng)格前的土體受局部擠壓進(jìn)入網(wǎng)格內(nèi)，然后由人工把泥土運走。開始頂進(jìn)時，一般控制頂進(jìn)速度在1cm/min左右，每節(jié)管節(jié)總出土量控制在7m3。頂進(jìn)速度與進(jìn)網(wǎng)格的土條長度有關(guān)，通過計算，每頂進(jìn)管節(jié)1cm，出土的土條長度為14cm。施工中還可根據(jù)地層變形監(jiān)測資料，及時調(diào)整控制值。?
(3)頂鐵與管節(jié)用螺栓連接；管節(jié)間采用法蘭連接，在管節(jié)連接時，應(yīng)特別注意管節(jié)四周接縫的平整度，接縫防水采用線接觸形式，即兩節(jié)管節(jié)間墊1圈2cm寬、6mm厚的遇水膨脹橡膠條。?
(4)頂進(jìn)軸線與機頭姿態(tài)的控制?
利用中繼間的糾偏千斤頂長度差異來控制頂進(jìn)軸線；本機頭為組合型（兩段單鉸）頂進(jìn)機頭，通過主頂千斤頂?shù)膬?yōu)化編組（開啟只數(shù)的變化）、上下、左右的移位以及千斤頂軸線的調(diào)整，可控制機頭的姿態(tài)和頂進(jìn)軸線；還可采用調(diào)整網(wǎng)格機頭進(jìn)土孔的位置，使作用于機頭的外合力位置產(chǎn)生變化，達(dá)到控制機頭姿態(tài)和頂進(jìn)軸線的目的。?
(5)地層變形控制?
地層變形的主要因素是頂進(jìn)施工中正面土體流失和引起的土體擾動，因此，必須嚴(yán)格控制頂進(jìn)速度（一般以3～5cm/min為宜）與出土量（土條長度為42～70cm）。每頂進(jìn)一節(jié)管節(jié)，必須測量機頭的姿態(tài)，控制平面、高程偏差及推進(jìn)軸線值在要求范圍內(nèi)。?
4、進(jìn)洞施工?
(1)接收導(dǎo)軌鋪設(shè)?
在機頭進(jìn)洞前，應(yīng)在下行線隧道內(nèi)的頂進(jìn)軸線位置安裝好導(dǎo)軌。導(dǎo)軌坡度、標(biāo)高，根據(jù)頂進(jìn)機頭的實際姿態(tài)而定，一般情況下，導(dǎo)軌的坡度與旁通道坡度相同，而標(biāo)高必須略低于機頭的實際標(biāo)高，防止機頭啃住導(dǎo)軌端面；導(dǎo)軌要固定，不能因頂進(jìn)時機頭的扭動而變形，或整體扭曲。?
(2)應(yīng)力釋放?
當(dāng)機頭即將靠近進(jìn)洞口的管片時，為避免因頂力擠壓正面土體而造成的隧道側(cè)向變形，應(yīng)將鋼管片兩旁的壓漿孔打開，釋放應(yīng)力，還應(yīng)根據(jù)實際工況，必要時可在進(jìn)洞口鋼管片的外弧板上開孔放土。?
(3)施工參數(shù)?
當(dāng)機頭進(jìn)入洞口區(qū)域時，為控制機頭的軸線，應(yīng)放慢頂進(jìn)速度，一般頂進(jìn)速度控制在1cm/min左右。為了減少對洞門的壓力和減少土體涌入下行線隧道內(nèi)，機頭的正面土體必須出清。
在施工中加強對正面的觀察，保證網(wǎng)格式機頭的切口中心位置偏離軸線控制在±5mm內(nèi)。嚴(yán)禁機頭頂下行線隧道管片。?
(4)割除弧形網(wǎng)格?
當(dāng)網(wǎng)格式機頭進(jìn)洞時，其的外凸弧形切土面與鋼管片外凸弧形面相接觸，出現(xiàn)上下開口不一致的狀況（上部開口為53cm，下部開口為118cm）。在拆洞門鋼管片時，為保證土體穩(wěn)定，先割除部分弧形網(wǎng)格鋼管片，后頂進(jìn)，以減少上下開口尺寸的差距；通過反復(fù)割除凸形網(wǎng)格（每次割除量以20～40cm為宜），使凸形網(wǎng)格在頂進(jìn)時逐漸形成凹面網(wǎng)格，完全緊貼于洞口凸形鋼管片面上（見圖6）。?
圖6 兩弧面接觸時位置?
(5)拆除進(jìn)洞口鋼管片?
首先拆除洞口鋼管片與隧道鋼管片的所有縱、環(huán)向螺栓；檢查施工實況，了解機頭姿態(tài)，布置鋼管片的拆拉吊點，結(jié)合頂進(jìn)、頂力條件，逐塊拆除鋼管片，盡量縮短進(jìn)洞的時間；鋼管片拆除后，及時將旁通道的鋼管節(jié)頂?shù)皆O(shè)計位置。?
(6)洞門封堵?
因管節(jié)與洞口之間存有一定間隙，為阻止地層土體從間隙流入上下行線隧道內(nèi)，而產(chǎn)生地層變形，故在旁通道最后一節(jié)管節(jié)頂進(jìn)到位后，應(yīng)立即封堵旁通道兩端的洞口。根據(jù)設(shè)計要求，用鋼板作連接材料，直接用電焊連接洞口處的鋼管片與管節(jié)。?
(7)壓注漿液?
兩端洞口封堵后，為防止地面后期過量的沉降變形，提高管節(jié)間接縫的防水性能，通過管節(jié)預(yù)留壓漿孔向管節(jié)外地層壓注水硬性漿液，壓注量以施工形成的建筑理論空隙的150%～250%為宜，壓注壓力以靜止土壓力為佳。?
5、頂進(jìn)施工的注意點?
(1)本工程頂進(jìn)長度僅13m，而進(jìn)洞間隙只有±10mm，施工前制定的中心軸線允許偏離值為±8 mm。在出洞施工時，由于對加固后的土體情況不了解，尚須摸索頂進(jìn)規(guī)律，因此，頂進(jìn)速度控制在1cm/min左右；正常頂進(jìn)速度控制在3～5cm/min左右為宜，而相應(yīng)的出土條長度為42～70㎝左右；在施工中加強地面變形觀測，通過對觀測資料的分析，及時調(diào)整施工參數(shù)。
(2)中繼間糾偏千斤頂?shù)氖褂靡髦兀谕ㄟ^主頂千斤頂編組及調(diào)整阻力能控制頂進(jìn)軸線的情況下，盡量不用糾偏千斤頂。?
(3)為確保機頭能順利進(jìn)洞，當(dāng)機頭近洞口時，可使用中繼間糾偏技術(shù)。?
(4)采用止水密封橡膠帶是管節(jié)接縫防水的唯一措施，密封橡膠帶置于連接螺栓外側(cè)，橡膠條接頭必須平面重疊5cm。?
四、結(jié)束語?
1、 采用頂進(jìn)法建造地下旁通道的施工工藝，值得在上海地下鐵道工程的旁通道施工中推廣應(yīng)用，其不僅可消除采用凍結(jié)法建造后的許多麻煩，而且具有工期短、經(jīng)濟效益好等優(yōu)點。
(1)與凍結(jié)法施工相比，其施工工期短，本工程僅用了15天，其中2天的準(zhǔn)備工作（后靠安裝，垂直法蘭焊接，井下運輸系統(tǒng)調(diào)整及導(dǎo)軌定位等），7天頂進(jìn)施工（從中繼間安裝開始至頂進(jìn)到設(shè)計位置），后期工作6天（洞口封堵、向地層注漿、通道兩端結(jié)構(gòu)施工，通道內(nèi)構(gòu)造施工），而用凍結(jié)法施工，至少需要3個月。?
(2)頂進(jìn)法施工的造價約為凍結(jié)法施工的1/2。?
(3)對環(huán)境及工程自身后期影響小。?
(4)適用于粘性土的土層（包括粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土、粘土）。?
2、 通過本工程的實踐，認(rèn)為今后在采用頂進(jìn)法建造地鐵聯(lián)絡(luò)通道時，尚可對其的設(shè)計與施工進(jìn)行一些改進(jìn)和完善。?
(1)隧道旁通道處頂出管片與洞口管片的徑向接縫方向，應(yīng)與頂進(jìn)方向平行，這樣可省去頂進(jìn)前鋼管片的切割工作；進(jìn)洞口的尺寸，應(yīng)略大于進(jìn)洞鋼管片（機頭）的尺寸，以便于進(jìn)洞施工。?
(2)頂出管片的外弧板，應(yīng)設(shè)計為裝拆式；其徑向筋板的間距，要結(jié)合施工所需的網(wǎng)格尺寸設(shè)置，有利于調(diào)整正面阻力位置、改善頂進(jìn)軸線控制的條件、防止施工中正面土體流失等。
(3)兩管節(jié)之間的連接改為承插式，就不存在因接頭法蘭連接不平整，或因法蘭加工誤差產(chǎn)生接頭不平而出現(xiàn)卡洞口的現(xiàn)象。?
(4)千斤頂?shù)男谐虘?yīng)略大于管節(jié)長度，則在施工中就不需加墊鋼墊塊，保證了每節(jié)管節(jié)頂進(jìn)的連續(xù)性，既加快了頂進(jìn)速度，又有利于頂進(jìn)軸線的控制，提高施工質(zhì)量。?
(5)為利用隧道施工中的運輸系統(tǒng)，必須在運輸管節(jié)的平板車上，設(shè)有固定管節(jié)的裝置，固定方法既要簡便，又要牢固，保證管節(jié)在長距離運輸中不傾翻。?
(6)導(dǎo)向軌的裝、拆要方便；固定要牢固，頂進(jìn)施工時不變形、不位移；導(dǎo)向軌的位置要正確，真正起到頂進(jìn)施工時的導(dǎo)向作用。?
(7)中繼間在旁通道施工中具有糾偏功能，但一般中繼間內(nèi)糾偏千斤頂伸出量僅4cm，糾偏量不大，因此，在設(shè)計時應(yīng)加以考慮。?
(8)在設(shè)計頂進(jìn)后靠時，應(yīng)同時考慮采用組合型鋼支撐來加固隧道圓環(huán)結(jié)構(gòu)，防止頂進(jìn)時使隧道圓環(huán)產(chǎn)生變形(成橫鴨蛋形)，甚至受到破壞。
原作者：王 祎 何雨保 陳向科
來源：《上海隧道》2004年第3期
