頂進法在南京地鐵聯絡通道施工中的應用
摘 要 地鐵聯絡通道的施工方法有多種，采用頂進法施工南京地鐵一號線珠江路站至新街口站區間隧道的聯絡通道是一次新的嘗試。文章較詳細地敘述了施工過程，并對頂進法在今后的推廣應用中應作進一步的改進和完善發表了見解，可供類似工程借鑒。?
關鍵詞 地鐵隧道 聯絡通道 頂進法施工技術
一、工程概況?
一般地鐵工程，在上下行線隧道間設置聯絡通道（簡稱旁通道），以便在地鐵運營中，當其中一條區間隧道發生火災或意外事件時，乘客下車后，可立即通過所設置的旁通道，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間隧道（長932.044m，隧道內徑為5.5m，外徑6.2m，管片厚350mm，管片寬1.20m）的聯絡通道的里程為下行線K8+810（對應394環和395環接縫），通道外形斷面尺寸寬1.68m、高2.8m、長12.90m；通道頂面標高為-3.556m，底面標高為-6.356m，兩隧道的中心標高為-4.75m，中心線距離為17.20m（凈距11.00m）；頂覆土厚7.054～7.414m，基本處于粉質粘土層中（見圖1）。?
聯絡通道采用頂進法施工，由上行線向下行線方向頂進。聯絡通道相應的地面位置，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。
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二、工程地質條件?
從圖1中可知，旁通道上部2.0m處于③1－2b層粉質粘土中，下部處在③2－2b層粉質粘土中。各土層的物理力學指標見表1。
表1 各土層物理力學指標?
根據地質資料，土層③1－2b粉質粘土的特性為褐黃～灰黃色，軟流塑，夾薄層粉土、粉細砂，局部為粉土～粉砂與粉質粘土交互層，具中等壓縮性，其塑性指數為14.6、液性指數為0.85、水平滲透系數為5.854×10-6cm/s、垂直滲透系數為2.558×10-6cm/s；土層③2－2b的特性為褐灰～灰色，軟～流塑。局部為淤泥質粉質粘土及粘土，具有中高壓縮性，其塑性指數為15.3、液性指數為1.11、水平滲透系數為14.601×10-6cm/s、垂直滲透系數為2.857×10-6cm/s。可見，旁通道頂進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，為采用網格式機頭頂進施工提供了良好的條件。?
三、頂進施工?
1、頂進方案
(1)聯絡通道結構
聯絡通道長12.9m（寬×高為1.68m×2.8m），由9節管節組成（管節間采用法蘭螺栓連接），中間7節為標準節，每節長1.5m，通道口的2節均長1.2m；管節為復合型結構，即鋼殼內有鋼筋混凝土內襯（管壁厚20cm）；通道口四周的管片為鋼管片，管片預留孔的寬×高為1.7m×2.82m（管節與開口孔之間的周邊間隙僅有10mm，要求頂進施工中管節中心軸線偏差控制在±10mm內，難度極大，但有利于間隙的防滲漏處理）；兩端頭的管節鋼殼與鋼管片直接電焊，形成了聯絡通道。?
(2)機頭形式?
在上行線隧道內，將頂出的4塊鋼管片上的圓弧板割去，成網格形式，組成頂進施工的機頭。網格板表面支護正面土體，起到正面土體不失穩的作用；土體被頂力擠入格孔中，在工作面內被挖除。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的連接，特制作了1個垂直法蘭（見圖2），不但解決了與管節的連接問題，也起到了使4塊鋼管片連成一個整體、完善了頂進機頭的作用。?
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(3)軸線的控制?
為了使機頭準確地進入下行線隧道的預留孔內，在第一節管節與垂直法蘭之間設置1個中繼間，在中繼間四角各設有3只400kN的液壓千斤頂作糾偏用，控制機頭的頂進方向，確保機頭順利進入預留洞口。? (4)后靠設計?
頂進施工時的頂力，必須由隧道內的另一側管片來承受，因此，用1個弧形受力墊作為頂進的后靠（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 后靠土體穩定條件計算?
旁通道頂進施工時，頂力通過后靠傳至隧道管片上，所以后靠的穩定是由管片的穩定（不產生移位）來保證的；而管片的另一側是土體，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，就能達到穩定后靠的目的。?
通過計算，頂進時管片單位面積所受到最大壓力為86.3kN，管片外產生的被動土壓力為544.7kN/m2，安全系數K＝544.7÷86.3＝6.312。?
2、頂進中采取的技術措施?
(1)頂進施工的配套設備（見圖3）?
頂進施工的設備除中繼間、后靠支撐系統外，還必須配有主頂裝置、頂鐵和導軌。?
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的伸縮。?
② 頂鐵?
主頂千斤頂的行程只有80cm，而管節長150cm，為完成1節管節的頂進，必須加頂鐵，以保證千斤頂回縮后與管節之間的空間能安裝1節管節；配制2個56cm厚的框形頂鐵和6個柱形墊柱，來確保最后一節管節到位。?
③ 導軌?
由2根平行的、可以拆卸的18＃工字鋼作為活絡導軌，按設計軸線鋪置，保證將鋼管節穩固地運送到頂進軸線的正確位置上，并能使管節和頂鐵在導軌上平穩地向前滑行。?
(2)頂進施工前的準備?
① 復緊旁通道軸線位置前后各10環管片的縱、環向螺栓，以提高頂進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生滲漏，影響頂進施工。?
② 按頂進軸線安裝、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軸線，施工時不能發生移位和傾斜。?
③ 安裝垂直法蘭，將準備頂出的4塊管片與其連成一個整體，作為頂進施工的機頭。拆除準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凈尺寸相同（見圖4），便于頂進和進洞。?
④ 調整隧道內的運輸軌道，安裝活動導軌。?
⑤ 為防止在割制網格式機頭時正面土體的坍塌，對出洞孔處土體進行注漿加固，經加固的土體應有很好的自立性、均質性；要求無側限抗壓強度達到0.5～0.8MPa。?
注漿加固的主要技術參數及漿液配合比見表2、表3。?
⑥ 割除鋼管片的外弧鋼板，使4塊鋼管片形成網格機頭。網格孔口尺寸為20cm×40cm，共16格，開口面積為1.28m2，開口率達27%，為確保施工安全，預先制作16塊封插式胸板，當正面出現突發事件時，可立即關閉網格孔。?
⑦ 頂進施工的控制軸線，應是出、進洞口中心實際位置（在區間隧道的上、下行線施工中，因環縫壓密的差異，產生管片里程誤差和管片成環的高程控制誤差，使旁通道預留孔的位置發生變化）的連線。因此，將根據地面控制網（作方向傳遞測量）測得的控制點固定在管片上（與后靠系統不能有任何牽連），該位置作為頂進施工測量控制臺；并按這控制點來調整后靠、千斤頂組合中心及導軌等空間位置，使其符合頂進施工的要求。在施工中必須定時、定期作復測，以確保頂進測量的準確性。?
⑧ 在頂進施工時，為了將附近隧道圓環的變形控制在允許范圍內，須對旁通道兩側各6環管片進行加固，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200kN的液壓千斤頂，施加預應力。
3、出洞頂進施工?
(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；確認各項準備工作就緒后，則升高油壓，開始出洞頂進施工。?
(2)在千斤頂的作用下（控制最大工作油壓為3200kPa），網格前的土體受局部擠壓進入網格內，然后由人工把泥土運走。開始頂進時，一般控制頂進速度在1cm/min左右，每節管節總出土量控制在7m3。頂進速度與進網格的土條長度有關，通過計算，每頂進管節1cm，出土的土條長度為14cm。施工中還可根據地層變形監測資料，及時調整控制值。?
(3)頂鐵與管節用螺栓連接；管節間采用法蘭連接，在管節連接時，應特別注意管節四周接縫的平整度，接縫防水采用線接觸形式，即兩節管節間墊1圈2cm寬、6mm厚的遇水膨脹橡膠條。?
(4)頂進軸線與機頭姿態的控制?
利用中繼間的糾偏千斤頂長度差異來控制頂進軸線；本機頭為組合型（兩段單鉸）頂進機頭，通過主頂千斤頂的優化編組（開啟只數的變化）、上下、左右的移位以及千斤頂軸線的調整，可控制機頭的姿態和頂進軸線；還可采用調整網格機頭進土孔的位置，使作用于機頭的外合力位置產生變化，達到控制機頭姿態和頂進軸線的目的。?
(5)地層變形控制?
地層變形的主要因素是頂進施工中正面土體流失和引起的土體擾動，因此，必須嚴格控制頂進速度（一般以3～5cm/min為宜）與出土量（土條長度為42～70cm）。每頂進一節管節，必須測量機頭的姿態，控制平面、高程偏差及推進軸線值在要求范圍內。?
4、進洞施工?
(1)接收導軌鋪設?
在機頭進洞前，應在下行線隧道內的頂進軸線位置安裝好導軌。導軌坡度、標高，根據頂進機頭的實際姿態而定，一般情況下，導軌的坡度與旁通道坡度相同，而標高必須略低于機頭的實際標高，防止機頭啃住導軌端面；導軌要固定，不能因頂進時機頭的扭動而變形，或整體扭曲。?
(2)應力釋放?
當機頭即將靠近進洞口的管片時，為避免因頂力擠壓正面土體而造成的隧道側向變形，應將鋼管片兩旁的壓漿孔打開，釋放應力，還應根據實際工況，必要時可在進洞口鋼管片的外弧板上開孔放土。?
(3)施工參數?
當機頭進入洞口區域時，為控制機頭的軸線，應放慢頂進速度，一般頂進速度控制在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，機頭的正面土體必須出清。
在施工中加強對正面的觀察，保證網格式機頭的切口中心位置偏離軸線控制在±5mm內。嚴禁機頭頂下行線隧道管片。?
(4)割除弧形網格?
當網格式機頭進洞時，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，為保證土體穩定，先割除部分弧形網格鋼管片，后頂進，以減少上下開口尺寸的差距；通過反復割除凸形網格（每次割除量以20～40cm為宜），使凸形網格在頂進時逐漸形成凹面網格，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、環向螺栓；檢查施工實況，了解機頭姿態，布置鋼管片的拆拉吊點，結合頂進、頂力條件，逐塊拆除鋼管片，盡量縮短進洞的時間；鋼管片拆除后，及時將旁通道的鋼管節頂到設計位置。?
(6)洞門封堵?
因管節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，而產生地層變形，故在旁通道最后一節管節頂進到位后，應立即封堵旁通道兩端的洞口。根據設計要求，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。?
(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，提高管節間接縫的防水性能，通過管節預留壓漿孔向管節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、頂進施工的注意點?
(1)本工程頂進長度僅13m，而進洞間隙只有±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，尚須摸索頂進規律，因此，頂進速度控制在1cm/min左右；正常頂進速度控制在3～5cm/min左右為宜，而相應的出土條長度為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，及時調整施工參數。
(2)中繼間糾偏千斤頂的使用要慎重，在通過主頂千斤頂編組及調整阻力能控制頂進軸線的情況下，盡量不用糾偏千斤頂。?
(3)為確保機頭能順利進洞，當機頭近洞口時，可使用中繼間糾偏技術。?
(4)采用止水密封橡膠帶是管節接縫防水的唯一措施，密封橡膠帶置于連接螺栓外側，橡膠條接頭必須平面重疊5cm。?
四、結束語?
1、 采用頂進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用，其不僅可消除采用凍結法建造后的許多麻煩，而且具有工期短、經濟效益好等優點。
(1)與凍結法施工相比，其施工工期短，本工程僅用了15天，其中2天的準備工作（后靠安裝，垂直法蘭焊接，井下運輸系統調整及導軌定位等），7天頂進施工（從中繼間安裝開始至頂進到設計位置），后期工作6天（洞口封堵、向地層注漿、通道兩端結構施工，通道內構造施工），而用凍結法施工，至少需要3個月。?
(2)頂進法施工的造價約為凍結法施工的1/2。?
(3)對環境及工程自身后期影響小。?
(4)適用于粘性土的土層（包括粉質粘土、粘質粉土、粘土）。?
2、 通過本工程的實踐，認為今后在采用頂進法建造地鐵聯絡通道時，尚可對其的設計與施工進行一些改進和完善。?
(1)隧道旁通道處頂出管片與洞口管片的徑向接縫方向，應與頂進方向平行，這樣可省去頂進前鋼管片的切割工作；進洞口的尺寸，應略大于進洞鋼管片（機頭）的尺寸，以便于進洞施工。?
(2)頂出管片的外弧板，應設計為裝拆式；其徑向筋板的間距，要結合施工所需的網格尺寸設置，有利于調整正面阻力位置、改善頂進軸線控制的條件、防止施工中正面土體流失等。
(3)兩管節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生接頭不平而出現卡洞口的現象。?
(4)千斤頂的行程應略大于管節長度，則在施工中就不需加墊鋼墊塊，保證了每節管節頂進的連續性，既加快了頂進速度，又有利于頂進軸線的控制，提高施工質量。?
(5)為利用隧道施工中的運輸系統，必須在運輸管節的平板車上，設有固定管節的裝置，固定方法既要簡便，又要牢固，保證管節在長距離運輸中不傾翻。?
(6)導向軌的裝、拆要方便；固定要牢固，頂進施工時不變形、不位移；導向軌的位置要正確，真正起到頂進施工時的導向作用。?
(7)中繼間在旁通道施工中具有糾偏功能，但一般中繼間內糾偏千斤頂伸出量僅4cm，糾偏量不大，因此，在設計時應加以考慮。?
(8)在設計頂進后靠時，應同時考慮采用組合型鋼支撐來加固隧道圓環結構，防止頂進時使隧道圓環產生變形(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
