大断面矩形顶管临时后靠结构设计与应用

陈雪华

(广州金土岩土工程技术有限公司，广东 广州 510070)

0 引言

20世纪末，由我国自主研发的2.5m×2.5m，3.8m×3.8m矩形顶管机在上海地铁某出入口和过街通道建设中的成功应用，开启了我国矩形顶管行业发展的大门[1-2]。历经20多年的工程实践后，机械法矩形顶管暗挖技术已逐渐应用于过街通道、地铁出入口、地下综合管廊、车行隧道、地铁车站、地下商业街等地下工程的建设中[3-8]。目前，该技术在我国城市浅层地下空间开发中的应用受到越来越多的关注和重视[9]。

通常，矩形顶管施工需从地面向下建设始发井，因此，已有不少针对始发井和后靠土体稳定性的研究。黄坚生[10]对工作井的位移、应力特征及顶推力与后靠墙变形关系进行了数值模拟分析；王宁等[11]根据现场实测数据，研究了后背土体水平位移和土压力的变化规律；黄章君等[12]分析了顶推反力荷载对墙后土体位移、应力、孔隙水压力的影响及有关因素对墙后土体水平位移的影响。

实际上，并非所有矩形顶管工程都具备工作井建设条件，如：繁华城区内因建(构)筑物密集，施工场地狭小受限；穿越市政道路、高速公路、铁路等结构的高路堤边坡时，矩形顶管埋深过小，后靠土体极少；既有基坑或建(构)筑物地下室始发等。因此，需摒弃原有思路，探寻新型始发后靠结构。但当前我国对新型后靠结构的研究少之又少，尤其在矩形顶管穿越施工节点时，更缺乏无始发井顶进施工的工程经验。因此，新型后靠结构的研究具有重要意义。

本文依托南京灵山北路西延过土城头路隧道工程，提出一种用于大断面矩形顶管始发的临时后靠结构，阐述其结构组成和设计要点，总结施工工艺流程和施工要点，分析顶管施工对临时后靠结构的影响，以期为类似工程施工提供参考。

1 工程概况

1.1 项目概况

隧道位于南京仙林新区灵山北路与土城头路相交处(见图1)，设计为双向四车道+人非通道，机动车道宽3.5m，人行道和非机动车道宽均为3m，隧道覆土厚5～6.6m。土城头路为双向两车道、宽约7m的沥青路，道路两侧50m范围内为明代外郭城墙遗址。城墙本体横剖面呈梯形，底部宽约19.0m，顶部宽约12.0m，残存高度0.1～1.5m，埋深1.0～2.0m，与拟建隧道竖向净距>1m，已纳入南京市文物保护范围。由于明城墙遗址本体对土体变形极敏感，对地面变形控制要求严格，因此不宜采用传统明挖法或浅埋暗挖法施工，选择绿色、安全、环保、高效的机械法矩形顶管暗挖施工，可有效控制土体变形。

图1 顶管工程卫星平面

1.2 地质概况

本工程地貌类型属低山丘陵区和山岗地区，区域内土层分布自上而下依次为素填土、粉质黏土、强风化石英闪长斑岩，顶管工程纵断面(北侧)如图2所示，土层分布及特性如表1所示。地下水类型为浅层孔隙潜水，主要分布于素填土层中，水位埋深1.46～4.53m(受地形高差影响)，其余岩土层含水弱～微弱，基本不透水，为相对隔水层。顶管隧道穿越地层主要为粉质黏土。

图2 顶管工程纵断面(北侧)

表1 土层分布及特性

1.3 设计概况

顶管隧道设计为4段平行顶进，其中2段车行隧道顶管断面尺寸为10.2m×6.6m，2段人非通道断面尺寸为7.0m×5.0m，均采用钢筋混凝土预制管节，长1.5m/节，分别重76.6，41.3t，混凝土强度等级为C50，抗渗等级为P8，管节接口采用F形承插式，其他参数如表2所示。

表2 顶管施工参数

灵山北路海拔较土城头路低9.0～11.0m，较周边建筑群低2.0～4.0m，沿线道路施工采用放坡开挖，下穿节点处采用顶管法施工。根据现场实际情况，放坡开挖后不具备施作工作井的条件。即使施作工作井，隧道贯通后仍需挖除工作井及后靠加固区，工程成本较高。因此，决定采用临时后靠结构为矩形顶管始发及正常顶进施工提供有效反力。

1.4 设备选型

根据本工程地质情况、覆土深度、周边环境条件、工程特点及要求等，采用多刀盘组合式土压平衡矩形顶管机掘进施工。车行通道采用10.2m×6.6m顶管机掘进施工，该顶管机设计为3个前置φ4 020刀盘+3个后置φ3 500刀盘组成的6个多刀盘结构形式(见图3a)，整个刀盘切削率为90%。人非通道采用7.0m×5.0m顶管机掘进施工，该顶管机设计为1个后置φ2 980刀盘+2个后置φ2 800刀盘+3个前置φ2 400刀盘组成的6个多刀盘结构形式(见图3b)，整个刀盘切削率为91.5%。

图3 矩形顶管机刀盘布置

2 结构组成与设计要点

临时后靠结构即指在矩形顶管穿越施工节点时，遇到施工场地受限不具备施作顶管始发井的条件或顶进完成后需挖除始发井结构而造成大量成本浪费等情况，为满足顶管施工工艺要求并为顶管机和管节的顺利顶进提供有效顶推反力而施作的一种结构。即在顶管始发平台后方施作的一种嵌固于地层或既有结构中，顶进完成后再拆除的新型后靠结构，优先采用钢筋混凝土结构。

2.1 结构组成

临时后靠结构主要由桩基础、底板、后靠墙和肋墙等组成，如图4所示。后靠墙垂直于顶管顶进轴线，且与底板垂直，直接承受来自千斤顶的顶推反力；底板将顶推反力均匀传递至桩基础；肋墙连接后靠墙和底板，作为重要的支撑和传力结构；桩基础包含冠梁和工程桩，为最主要的传力结构，冠梁设于底板内，可保证工程桩的整体受力，工程桩嵌入土层一定深度，将顶推反力传递至地基土体。

图4 临时后靠结构

采用顶管工艺始发和顶进时临时后靠结构底部受力较大，为避免后靠墙底部与底板连接处发生剪切破坏，可将底板和冠梁厚度适当加厚，使底部千斤顶所提供的顶推反力传递至底板上。同时，为保证承载力和稳定性，控制差异变形，为顶管始发及顶进施工提供有效的顶推反力，组成临时后靠结构的各构件间应采用刚性连接形式。

2.2 设计要点

临时后靠结构设计需考虑的主要因素为千斤顶通过后靠钢结构装置施加的顶推反力及结构基础所处地基土体的特性。设计时，临时后靠结构的容许承载力不应小于千斤顶所能提供的最大顶力，千斤顶总顶力不小于顶管顶推力的1.5倍[13]。

地基土体对临时后靠结构的影响主要体现在底板与地基土体的摩擦力、地基土体对工程桩的侧向压力和摩擦作用。工程桩是最终的传力构件，也是隐蔽工程，确保工程桩的承载能力和稳定性是设计的关键；影响工程桩的最重要因素之一是土体特性。因此，设计前应确定临时后靠结构的布设位置，查明区域范围内地质情况和土层分布，分析土体物理力学特性，选择合适的桩型和施工工艺。

矩形顶管在始发与正常顶进过程中，临时后靠结构的受力状态在不断变化，可能存在2种受力状态，如图5所示(q0为顶推反力；q1为地基土体对前排工程桩的侧向压力；q2为地基土体对后排工程桩的侧向压力；q3为地基土体对底板的竖向支反力；f1为地基土体对前排工程桩的摩擦力，方向可能向上也可能向下；f2为地基土体对后排工程桩的摩擦力；f3为地基土体对底板的摩擦力；W为上部结构自重)。

图5 结构受力分析

根据受力分析结果，认为临时后靠结构设计与验算需包括：单桩水平承载力、抗弯承载力和抗拔承载力验算，底板抗弯承载力验算，后靠墙抗弯、抗剪承载力验算，肋墙抗剪承载力验算，冠梁与工程桩连接处混凝土结构的稳定性验算，地基土体承载力与稳定性验算。具体设计与验算参照JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》[14]，GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》(2015年版)[15]。其中，底板抗弯承载力验算时，若始发平台与底板设计为整体，可将二者作为整体一起验算，并考虑顶管后配套设施的影响。

临时后靠结构设计要点如下。

1)桩基础 根据顶推反力、场地条件和地质条件确定桩型、桩径、桩长、桩距和桩数，优选摩擦桩和刚度较大的桩型；设计多排桩，每排桩中心点连线相互平行，且与顶管顶进方向垂直；同一排桩按等间距布置，不同排桩按跳桩布置，平面上呈等腰三角形；每排桩顶部设冠梁使其连接成整体。

2)底板 根据现场条件、顶管工艺及受力要求，确定底板设计位置及尺寸；底板下方需设置垫层；冠梁与底板连成整体共同受力。

3)后靠墙 与顶管顶进轴线方向垂直，与底板垂直；顶部设置暗梁与肋墙顶部相连。

4)肋墙 与后靠墙和底板垂直，按等间距布设，其间距结合工程桩的桩距及受力特点进行综合设计；建议采用直角梯形，既能保证结构受力合理，又节省材料。

3 工程应用

3.1 顶管顶力计算

根据T/CECS 716—2020《矩形顶管工程技术规程》第5.7.1条及T/CMEA 14—2020《综合管廊矩形顶管技术标准》[16]，矩形顶管顶进施工总顶力F由顶管机迎面阻力Py和总摩阻力Ff组成。考虑最不利情况，提出改进总顶力的计算公式：

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为掌子面土压力(kPa)；Pw为掌子面水压力(kPa)；B1为矩形顶管外边宽(m)；H1为矩形顶管外边高(m)；f0为管节与土体接触面的综合摩阻力(kPa)；γ为顶管机穿越范围内土的平均重度(kN/m3)；H0为管顶至原状土地面覆土厚度(m)；Ld为矩形顶管顶进长度(m)；W为管节重力(kN/m)；f为管节重力在土中的摩擦系数，取0.5。

根据上述公式计算得到，在未考虑触变泥浆减阻的情况下，南京灵山北路顶管隧道施工总顶力计算结果如表3所示。车行隧道和人非通道顶管段的最大顶力分别为26 073.0，15 415.3kN。

表3 总顶力计算结果

3.2 临时后靠结构设计

临时后靠结构的容许承载力按下式计算：

Fj≥μF

(5)

[Fb]≥Fj

(6)

式中：Fj为主顶千斤顶油缸的总顶力(kN)；[Fb]为临时后靠结构的容许承载力(kN)；μ为安全系数，建议取1.5[13]。

计算得到主顶千斤顶油缸的最大总顶力不应小于39 109.5，23 123.0kN。为便于受力计算，故临时后靠结构的容许承载力分别取为40 000，25 000kN。

本工程采用2台断面尺寸分别为10.2m×6.6m，7.0m×5.0m的土压平衡式矩形顶管机同时施工。受场地条件限制，为减少设备转场时间，将临时后靠结构分设于顶管隧道东西两端，并将车行隧道和人非通道顶管的临时后靠结构设计为整体结构共同受力，如图6所示。

图6 临时后靠结构平面布置

该临时后靠结构设计总宽度为19.2m，总长度为9.0m(不包含始发平台)，后靠墙最大高度为7.6m，最小高度为5.5m，如图7,8所示。其中，后靠墙顶部暗梁尺寸为12m×0.8m×1.0m+7.2m×0.8m×1.0m，墙身高6.6，4.5m，底板尺寸为19.2m×9.0(8.0)m×1.0m，冠梁尺寸为19.2m×1.5m×1.0m。底板下铺设0.2m厚C15素混凝土垫层。工程桩共设2排，采用钻孔灌注桩，前排桩桩径为 1 200mm，桩间距1.6m，桩长13.0m；后排桩桩径为1 200mm，桩间距3.2m，桩长10.0m，前、后2排桩的间距为7.5，6.5m，桩身混凝土强度等级为C30。工程桩桩身范围内施工地层为粉质黏土层和强风化石英闪长斑岩层，桩端持力层位于中风化石英闪长斑岩层中。

图7 结构设计平面

图8 结构设计纵剖面

3.3 临时后靠结构施工

临时后靠结构施工流程为：工程桩→垫层→底板、冠梁→后靠墙、肋墙、暗梁。

1)工程桩施工 按设计图纸要求，准确测量放线，确定桩位，按钻孔灌注桩施工工艺要求施工，待工程桩达到设计强度后，凿除桩顶部分施工冠梁，冠梁与工程桩顶部钢筋进行有效搭接，从而将工程桩连成整体。

2)底板施工 底板与工程桩桩顶冠梁同时施工；底板钢筋绑扎与立模的同时预埋后靠墙与肋墙连接钢筋，对连接处进行加密配筋。

3)后靠墙施工 除在后靠墙与底板连接处进行钢筋加密外，还需在交角处设置附加钢筋。

4)肋墙施工 肋墙与后靠墙的混凝土浇筑同步进行，以减少施工缝，使桩基础、底板、后靠墙和肋墙形成整体共同受力。钢筋混凝土墙体施工完成后，在肋墙间回填黏性土进行压重。

5)暗梁施工 墙顶部暗梁按梁结构设计要求绑扎钢筋并浇筑混凝土。由于局部墙身高度变化，因此变阶处暗梁施工需加密钢筋并同步浇筑混凝土。

除上述要点外，还应符合混凝土结构施工相关规范、标准的要求。

3.4 顶管施工对临时后靠结构的影响

在实际顶进施工过程中，有可能出现顶推反力接近甚至超过临时后靠结构的容许承载力而导致结构出现开裂、滑移、倾斜、倾覆等变形过大或失稳的情况，可能原因如下。

1)顶进姿态控制与纠偏不当，导致顶管机与管节同周边土体的摩阻力突然增大。

2)因地质或地下结构探测不明，导致顶管顶进时遭遇不良地质情况，如卵砾石、孤石、抛填石等，或遇到地下障碍物、废弃箱涵等结构物，造成顶力剧增。

3)人为增大顶推力，进行保压出土，使实际顶力过大，增大了后靠结构受力的负担。

因此，顶进施工时需实时监测临时后靠结构的位移和变形，并采取相关措施来减小实际顶推力或提高临时后靠结构的承载力和稳定性。建议措施如下。

1)顶进前加强地质情况和地下结构探测，掌握顶进范围内不良地质及障碍物情况，采取预处理措施。

2)加强监测，严格控制顶进姿态，避免出现顶进姿态与设计轴线不符、顶进不顺利而导致顶力突然增大的情况。

3)顶进过程中遭遇孤石、抛填石或障碍物时，尽快采取开舱或其他措施进行清理，避免停顶时间过长，再次开顶时顶力增大。

4)注浆润滑减阻，向顶进的管节外注入优质减阻泥浆，有效减小管节与周边土体的摩阻力，从而减小顶推力。

5)尽量连续顶进，减少停顿时间，防止掌子面和土舱内土体固结而导致顶管机开机时顶力剧增。

6)堆载反压，在临时后靠结构的肋墙间堆填土方，以提高后靠墙的抗剪和抗弯能力，增大底板与地基土体的摩阻力。

7)预先在底板下施作地锚梁，增大地基土体对底板的摩阻力。

8)将临时后靠结构的底板与始发平台结构的钢筋进行有效连接，并浇筑为整体，提高底板的摩擦阻力，依靠管节和后靠设施提高底板的抗倾覆能力。

9)加密工程桩，采用高压旋喷桩或水泥土搅拌桩对底板下的地基土体进行加固。

10)针对长距离顶管，尤其要增加墙体厚度和加强结构本身的整体稳定性。

该工程顶进过程中发现，因保压出土，临时后靠结构肋墙上出现微小裂缝，但通过采取减小千斤顶油缸顶力、全程注浆减阻、严控顶进姿态、后靠墙肋墙间回填堆载反压等相关措施后，裂缝并未持续发展。现场监测数据显示，顶进全程临时后靠结构的最大水平位移约为8mm，小于设计允许变形值25～30mm，未出现变形过大或失稳的情况。

4 结语

本文依托南京灵山北路西延过土城头路隧道工程，提出一种大断面矩形顶管始发用临时后靠结构，讨论了其主要结构组成和设计要点，总结了施工工艺流程及施工要点，分析了顶管施工对临时后靠结构的影响，得到以下结论。

1)因施工场地受限不具备施作始发井的条件或顶进完成后需挖除始发井结构造成大量成本浪费时，可优先采用临时后靠结构用于顶管始发顶进。

2)临时后靠结构主要包括桩基础、底板、后靠墙和肋墙等，设计时应对结构和地基土体进行承载力和稳定性验算，要求临时后靠结构的容许承载力不应小于千斤顶所能提供的最大顶力。

3)临时后靠结构实施过程中应严格按设计和相关规范要求施工，把控施工要点，并结合现场监测数据，顶管施工全程对后靠结构的影响控制在设计允许范围内，较好地验证了临时后靠结构的可靠性和应用价值。

4)临时后靠结构的应用，可扩大机械法矩形顶管技术的适用范围，可为类似工程施工提供参考。