上海地铁隧道工程中顶管法施工运用分析

杨坤

上海隧道工程有限公司  200032

摘要：随着城市化进程不断加快，城市轨道交通的运行量也逐渐提高，城市轨道交通土建工程包含多种施工方法，顶管法、冰冻法、MJS工法是最为常见的几种施工工序。本文以上海地铁隧道工程15号线土建工程为例，对顶管法施工运用进行了简要分析，以顶管机选型为切入点，逐步介绍了施工工艺流程，施工前准备工作以及项目施工中技术措施运用，顶管法的应用为城市轨道交通设计提供了更高效的施工方案，一定程度上推动了城市交通的发展。

关键词：地铁隧道工程；顶管法；运用分析

前言：随着国民经济水平持续增长，地铁隧道工程建设规模逐渐扩大，在地铁隧道设计与建设的过程中探讨加强安全风险认识，利用科学的管控方式对工程项目进行监督，合理的规划工程进度，结合施工现场的工况条件，选择适合的施工方式。建筑单位要强化施工管理，对施工中各个环节加强监管，严格按照国家和地方规定的标准展开施工。在绿色工程不断发展的背景下，还要尽量使用环保建材，以更好的达到节能降耗的目标。

1工程概况

本工程的具体位置位于上海市徐汇区上海南站北广场，工程名称为上海市轨道交通15号线工程土建10-1标上海南站换乘大厅土建结构。工程建设单位为上海轨道交通15号线发展有限公司。工程设计单位为同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司。其中换乘大厅总建筑面积为9357.5㎡。

工程项目包含两条平行换乘通道，分别是沪闵高架以及柳州路呈东西走向。在施工过程中我方项目经理主要采用矩形顶管法施工，顶管通道的总长度分别为99.3米和99.5米，顶管通道最大坡度为-1.80%，覆土厚度约为4.487m-6.282m。顶管通道与沪闵高架位置关系如图1所示。顶管通道穿越的土层结构主要有灰色淤泥质粉质粘土与灰色淤泥质粘土，土壤呈可塑状或者流塑状，夹杂少量粉性土，具有一定的压缩性。

图 1 顶管通道与沪闵高架平面位置关系图

项目施工区域潜水水位埋深，距离地表大概0.3-0.5m，在降水量大的季节，或者地表水产生变化的情况下，水深会发生变化，水位季节性波动较明显。工程施工位置紧靠沪闵高架，在施工过程中需要每天至少进行两次数据监测，根据监测数据及时调整施工方案，项目管理部需要全面监管施工流程。昼间施工遗留的废弃泥浆和渣土要及时的排入到浆池中，等到其固化后在夜间将其运出，以免影响第二天施工进度。

该施工区域公交车辆较多，人流量较大，在施工过程中要兼顾车辆和人群的流动，因此，给工程施工带来了一定难度。为保证施工进度，并且对该区域的交通运输环境不造成影响，需要避开高峰期，在施工期间还要控制好噪音影响，减少使用高分贝的机械设备，保证文明施工。使用顶管法工法桩施工时，工法桩桩中心位置与高架至少间隔 50cm，与高架承台位置相碰的两根桩调整为 270°摆喷，尽量缩减其尺寸，保证工程施工的质量。

在展开施工之前，我方负责人对管理人员以及施工人员需要做好技术交底，使其明确图纸设计要求，并且严格按照流程展开施工，在施工时要做好安全措施，并且明确施工顺序。在施工之时要提前对施工区域的障碍物进行清理，平整施工区域的土地，并按照图纸设计要求将需要使用的机械设备安置在合适的位置，以加快后续施工进度，准备工作完成后，才可展开施工。

2顶管法施工运用

2.1顶管机选型

针对本工程项目施工，在顶管机选型时需要满足以下要求：第一，在特殊地段施工时，要满足防背土设计要求，采用机型中心为大刀盘设计，边缘偏心多轴刀盘的组合式错层布置的矩形顶管机，顶管机顶部设置有防背土装置，以减少土体同壳体的摩擦力，防止背土现象的发生。第二要满足防偏转设计要求，采用中心大刀盘设计，能通过大刀盘的反向作用来有效调整机头的偏转。第三，要满足深覆土长距离顶进设计，顶管机总推力分别达到65000kN和30000kN，配置主动铰接系统可实现上下±1.7度，左右±1.0度的角度纠偏，配置纠偏中继间总顶力达75000kN和30000kN，纠偏角度可实现上下±1.2度，左右±0.8度辅助纠偏，可实现深覆土长距离顶管的顶进[1]。

2.2施工工艺流程

2.2.1顶管施工技术基本原理及基本流程

目前，顶管法施工已经被广泛应用于城市隧道建设，主要集中在软土层条件小直径隧道，地层含水量丰富且淤泥质地较软。顶管法施工主要借助主千斤顶的顶推力，将隧道掘进机顶入地下土层中，随着开挖深度逐渐加深，再依次将管节顶入其后直到由始发井贯穿到接收井，从而完成整个施工过程，顶管施工法基本原理示意图如图2所示、顶管法施工工艺流程图如图3所示。顶推力是顶管法施工的重要影响因素之一，顶推荷载由掘进机头部阻力和管道周围摩擦力组成，可最大限度降低管道和井壁破损风险。同时，在施工过程中还要考虑沉降和遭遇障碍物等问题。

图 2 顶管施工法基本原理示意图

图 3 顶管法施工工艺流程图

2.2.2顶管施工沉降问题研究

地面沉降问题不仅会影响施工进度、施工质量、施工技术的应用及拓展，而且还会影响施工安全以及施工成本。在施工期间，如果打破了土体平衡，造成水土流失，泥浆压力不足，就会引发地面沉降，引起土体沉降的类型及原因如表1所示。为防止该现象发生要控制基坑土方开挖步序、加强支撑的及时性与稳定性控制、加强监测等措施外，从施工安排上，将基坑“化大为小”、“化 整为零”，分区、分段对称均衡施工。同时，从预防控制上，采取全过程的监测监控指导施工全过程，实行信息化管理，并采取跟踪注浆措施，发现隐患，及时控制，将基坑施工对地铁的影响减到最小。

表 1 顶管掘进施工引起的土体沉降类型及原因

地面变形区段	沉降类型	变形状态及原因	应力扰动	变形机理
Ⅰ	初始挤压或坍塌	管道掘进面土体受挤压面压密或掏空	空隙水压力增长，有效应力增加	孔隙比减小，土体固结
Ⅱ	顶管工作面前方的土体隆起或下降	工作面处施加的土压力：过大时，向上隆起；过小时，向下沉降	孔隙水压力增加或减少，总应力增加	土体压缩，产生弹塑性变形
Ⅲ	顶管通过的沉降	土地施工扰动，顶管与土体间剪切，出土量过多	土体应力释放	弹塑性变形
Ⅳ	顶管与土体间隙引起的沉降	注浆不及时或注浆不足	土体应力释放	弹塑性变形
Ⅴ	后期土体次固结沉降	土体后期蠕变	土体应力松弛	蠕变变形

2.2.3顶管施工障碍物处理问题研究

顶管机掘进过程中不可避免会遇到钢筋混凝土块、建筑垃圾以及孤石等影响，不仅会影响施工进度、施工质量，而且会带来较大的安全隐患。为确保工程顺利施工，对顶管施工障碍物处理问题进行研究是十分必要的，其中八种障碍物处理技术如表2所示。

表 2 八种障碍物处理技术对比

技术分类	竖井开挖	钻孔清除	慢速磨顶	开舱清除	套管障碍	顶进对接	钻爆清除	顶管回退
成本	较高	较高	低	较低	适中	高	较高	较低
是否开挖	是	是	否	否	否	否	否	否
环境影响	大	较大	极小	小	较小	小	中	较小
施工难度	低	较低	极低	较高	高	极高	高	较高
安全性	高	高	高	较低	较高	高	较低	较高
障碍物类	所有	可清除类	易磨、体积较小	可清除类	可清除、体积不宜过大	可清除、尺寸不超过对接管直径	坚硬	所有

2.3施工前准备工作

沪闵高架桥是主要的交通干道，在穿越过程中容易产生差异沉降，影响道路的正常运行安全，在施工开始之前需要合理控制施工参数，注重周边桩基的影响。在顶管推进前，需要提前连接好水电通道以及照明设备。施工材料以及施工中所用的机具要运输到指定位置。基础位置应当合理、稳定,在顶进中接受的各种载荷不移动、不变形、不下沉。与基础自身垂直程度和轴线的垂直程度，对顶管顶进工程的影响很重要。钢后靠顶进要在始发井内衬壁留出一些缝隙，使二者之间完全对接，并确保在顶管顶进中产生的反顶力均匀分布地排列于内衬壁上。

出洞洞门密封圈的安装是施工前准备中最为关键的一个环节，洞圈与管节之间存在一定的建筑空隙，由于顶管出洞和顶进极易引发安全事故。为避免产生安全隐患，在钢洞圈内井壁大约30㎝处焊接一圈加固的薄钢板，其宽度要大于20㎝，还要在间距30㎝的位置焊接一块三角筋板，作为顶管出洞的钢袜套。为保证帘布橡胶板的密封性能，还需要用橡胶板对其进行密封。钢袜套和橡胶袜套形成双袜套确保顶管出洞及正常顶进过程中的施工安全。

2.4项目施工中技术措施运用

2.4.1加强监测

在施工过程中要加强监测，我方项目负责人需要监测施工整个流程以准确的把控好施工中的各项参数。在施工过程中，由于土层结构的变化路面、管线以及桥桩在外力作用下可能会产生沉降以及侧向变形等情况。一旦产生上述现象，项目负责人需及时与管理人员以及施工人员沟通，调整施工方案，以确保道路以及管线能够安全进洞。施工人员要严格按照要求执行，对于Φ2000上水管、Φ1800雨水管等重要管线需要严密监控，以避免桥桩产生变形等情况。每施工阶段都需要有全面监管施工流程的负责人，及时的记录相关数据并进行反馈，通过电脑软件测算的结果预测施工强度可能给周边环境带来的影响，保证文明施工。

2.4.2控制纠偏

在顶管法施工过程中要控制纠偏，当管道穿越重要的管线时，尽量需要避免从正面施工，减少对正面土体的扰动。要不断调整施工中的各项参数以降低纠偏，在正上方Φ2000上水管、Φ1800雨水管区域施工时，需要放慢施工速度，减少对土层的振动，控制好地面沉降。在施工过程中，顶管机机头会发生旋转等现象，影响施工正常进行，施工人员需要克服这种现象，对顶管机中间的刀盘进行利用，通过反复切换其角度保持转头平衡[2]。

2.4.3均衡顶进速度

在穿越土层和桥桩时要控制好顶管机的速度，保持其均衡性，以均匀持续的状态推进顶管机，一般情况下需要将速度控制在每分钟20㎜左右。均衡施工的方法能够有效避免在施工过程中延误施工进度，在加固及过重要管线定进工程中，需要进一步减缓施工速度，此时应保持每分钟10㎜，顶进速度的均衡性可以减少对土层结构的破坏，在重要管线以及负责环境施工时，控制顶进速度是减少施工失误状况产生的最优途径。在施工过程中还要选择车辆通行较少的时间段，减少车辆通行振动的影响。

2.4.4及时补压浆

施工过程中对空隙的部分能够更加迅速充分的对其进行填充。施工人员需要根据实测的沉降状况及时进行补浆，保证管道上部土层结构稳定。在顶进结束后，需要在各三节顶管位置注浆，此时的浆液属于双液浆，等到超过24小时之后要及时打开管节上的注浆孔，防止触变泥浆沁水后发生沉降，在补压浆的过程中要注意压实程度，使各位置压入量控制在和正常沉降路面程度的基础上进行压实。

2.4.5顶管机轴线控制

在顶管机正常顶进的过程中，需要高度关注顶进轴线的位置，分段对每节管道进行顶进，顶进结束后，需要及时调整顶管机机头，使其纠偏量不必过大。在该项目工程施工中选用的顶管机是矩形结构，相对于圆形顶管机来说，矩形顶管机在管道横向水平施工中要求要相对较高，在顶进过程中，要控制好机头转角角度，通过刀盘反转等对机头进行平衡，使其轴线位置保持均衡，纠偏量不必过大。

2.4.6地面沉降控制

在顶进过程中，应控制好机器的纠偏程度，对顶进速度做好控制，以保证连避免出现工程长期被搁置等现象。施工人员需要记录好施工中的各项数据，将数据反馈给项目负责人，通过科学的方式对工程施工数据进行测算，不断调整土压设定值，当其符合施工标准后再展开施工，施工人员需要严格控制出土量，防止挖土过多或者挖掘程度过小，影响工程的顺利推进。

2.4.7管节摩擦

土体与管道在施工期间会形成一定摩阻力，为降低摩阻力带来的影响，施工人员通常会在管道外壁压住触变泥浆，泥浆经过静置会形成一圈泥浆套，基于此，其受到摩阻力影响较小。在泥浆调配过程中要控制好含水量，同时对混合的浆液做好搅拌，以达到浆液不粘结，没有沉淀固体凝结块。施工人员在施工期间要严格操作规程施工，这样才能有效降低阻力也可预防地表沉降等情况。在压浆期间要先压后顶，边顶边压，及时进行补浆，并严格执行压浆顺序。

2.5顶管机进洞端施工

在顶管机进洞施工阶段，要优先安排好顶管机位置，并确定好顶管机对应方向，调整好其摆放状态以更好地进行复核测量。当顶管机投在接收井附近使，要加快测量精度和频率，应避免轴偏差带来的影响，确保顶管机能够顺利进洞。在通道贯通前要做好二次复核，再次确认顶管机所在方位和状态，使顶管机在进洞时所维持的状态符合预定实施方案标准。当顶管机顺利进洞后，在接受井口加固区域要减慢顶进速度，适当降低压力，用来减少接收井围护的挤土效果。同时在二次进洞时，要减少洞门外土体暴露时间，等到机头搭接至结构内衬300m处后停止推进，与此同时需要做好机头和洞门对接，对该位置进行加固处理[3]。

2.6顶管机正常段顶进施工

2.6.1管节嵌缝

本顶管工程设计采用外形尺寸4.88m×9.5m的矩形钢筋混凝土预制管节，管节壁厚0.50m，标准管节单节长1.5m，混凝土强度等级C50，抗渗等级P8。顶进施工结束后，要及时对管节缝隙进行填充，在嵌缝之前要做好清理工作，用配置好的聚硫膏在缝隙处刮涂，在刮涂中要注意气泡影响，对其强度和水密性做好控制。

2.6.2浆液固化

顶管机推进到指定位置后，施工人员应立即用弧形钢板进行焊接封堵，一方面是对洞口进行加固，确保洞口封堵严实，另一方面是避免在洞门空隙出形成涌土和流砂。做好封堵工作后要注入双液浆，避免浆液置换对土体形成二次扰动，在固化结束后要进行井接头施工，将管节和工作井钢洞门衔接成一体，再进行混凝土浇筑和工作内壁浇平[4]。

2.7顶管二次衬砌施工

换乘通道与2号消防疏散口连接处采用复合管节混凝土（C50 P8）。顶管推进式惯用钢管节，在推进完成后需要及时铺设钢筋，等到钢筋结构铺设平整后进行组合模板安装。二次混凝土衬砌使用简易衬砌拱架，利用手脚架将断面和边墙架设起来。采用商品砼，将其运输到泵经竖井下料管位置，砼浇筑一般分为两次进行，先浇筑仰拱，再浇筑边墙以及拱顶，采用HBT60拖式砼输送泵分层、水平、两边对称浇筑，顶部安装1m长外露管，通过砼输送泵加压灌注直至外露管溢出混凝土后停止。拱架采用I18的工字钢，边墙及拱顶拱架每榀拱架由4片组成，拱架之间用I16工字钢连接成一个整体，每次浇注长度约为20m。拱架共配置1套，每套10榀，施工过程应严格遵照施工方案。模板位置依旧使用组合模板，采用U型卡固定连接，用L型扣件进行固定相连。二次衬砌养护中施工人员需要进行人工洒水，以保障其养护效果。

结论：综上所述，我国的地下轨道交通建设在未来仍旧有广阔的开发空间，使用顶管法对交通轨道进行设计和施工符合当下地下轨道设计的要求，能够克服传统地铁轨道施工技术的诸多不足，在有限的施工空间中，能够保障地下轨道施工的安全，同时还能够提升工程施工质量，缩短工程施工周期。在施工期间，建筑单位负责人需要做好全程监管，根据反馈数据及时调整施工方案，以确保工程施工质量，为城市轨道交通的平稳发展奠定基础。

参考文献：

[1]杨涛.浅析顶管法在工程中的应用和优化[J].中国建材科技,2022,31(03):143-144+11.

[2]刘洪波,周顺华,吴迪.双层大断面顶管法在上海轨道交通14号线静安寺站施工中的应用[J].城市轨道交通研究,2022,25(06):159-162.

[3]赵启超.顶管技术在南通地铁洪江路站富水砂层中的应用[J].江苏建筑,2022(01):80-83+88.

[4]褚硕.MJS工法在地铁工程围护结构止水帷幕中的应用[J].江西建材,2022(05):145-146+151.