翟之阳
上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司上海200092
摘要：本文以上海市某工程顶管下穿既有地铁高架线路为背景，对顶管穿越高架线路的设计方案，有限元分析、工程实际施工要求及实际监测结果，进行相关介绍。
关键词：超大直径顶管；穿越施工；有限元；监测
1工程背景
上海市污水治理白龙港片区南线输送干线完善工程（东段输送干管）管道起点自外环线和罗山路交叉口，与原南线西段相接，沿外环线和迎宾大道自西向东敷设，至远东大道后折向北，沿远东大道自南向北敷设，至龙东大道后折向东，与中线，南干线一起，沿龙东支路分别进入白龙港污水厂，处理后外排长江，干管总长约26.1km，采用2根内径4m钢筋混凝土顶管。管道需在华洲路、远东大道西侧穿越2号地铁东延伸段。此处2号线为架空段，顶管管道需从线路承台下方穿越。
2设计方案
顶管管道穿越处2号地铁东延伸段高架承台中心距约为28.4m，华洲路跨线桥承台中心距约为20.0m。为避让两者的承台支撑桩基，采用直线顶管方案，2-DN4000钢筋混凝土顶管分别在华洲路跨线桥两跨承台之间和2号地铁东延伸段一跨承台之间垂直穿越。穿越处，地坪标高约为4.000m，管道内底标高约为-10.450m，管道距承台最近距离为2.83m，距承台下桩基最近距离为3.8m。管道顶管穿越2号地铁东延伸段处平剖面图如图1、2所示。
图2顶管穿越2号地铁东延伸段处剖面图
该段顶管管道工作井采用单管圆形工作井，内径11m，接收井采用双管矩形接收井，内尺寸16.5mx7m。顶管工作井、接收井均采用现浇钢筋混凝土沉井结构，不排水下沉、水下封底。为尽可能减小顶管井在下沉过程中对2号地铁东延伸段及周围建筑物的影响，在沉井外侧先加做一圈φ850三轴水泥搅拌桩（搭接250，间隔插置型钢，高度从沉井的起沉标高至沉井刃脚底以下5m）作为隔水帷幕及挡土结构。
在顶管穿越处2#线承台外侧先采用2φ900“MJS”工法的高压旋喷桩（搭接300mm）进行桩侧土体加固，总宽度约1.50m，深度从管顶以上4.0m至管底以下4.0m，以减小顶进过程中土体对承台的挤压效应。
该工程中顶管管节进行了单独设计，与普通的顶管管道相比，在F型接头处设置了双道橡胶密封圈，有效地减小管道接口渗漏水现象发生。另外为了确保该段主干管的正常运行，在内壁再增加一道不锈钢板止水，采用双保险防止管道渗漏发生。
3有限元分析
根据工程设计方案，采用MIDAS-GTS岩土与隧道分析系统的专用有限元分析软件模拟顶管顶进对桩基、承台影响。
有限元分析作如下假定：（1）在顶管顶进过程中忽略土体变形的时间效应；（2）顶管管道为各向同性的线弹性材料；（3）假定各土层均呈匀质水平层状分布；（4）不考虑受施工扰动影响范围内的土体物理力学参数的改变。
为方便计算，分析采用2维有限元模型，将各土层、承台的支撑桩、顶管等整体性建模，模拟顶管顶进过程中土体、桩基的变化。土体采用摩尔库伦模型，根据工程地质勘察报告确定模拟计算的参数，共分为7层；顶管管节、承台、桩基采用梁单元，材料属性根据钢筋混凝土材料确定，考虑不同截面影响；桩侧土体加固考虑采用土体属性修改完成。有限元模型如图3所示。
模拟施工阶段分为以下3个步骤：（1）桩侧土体加固，土体固结完成；（2）左侧顶管土体挖除，顶管管道顶进；（3）右侧顶管土体挖除，顶管顶进。
有限元分析计算结果如图4~图6所示。从计算结果可以看出，考虑地基加固后的桩基的最大竖向位移约为1.7mm，最大水平向位移约为0.8mm，土体的最大竖向位移约为5.8mm，其值都很小（均为mm级）。经向2号地铁东延伸段运行管理部门——申通公司相关人员咨询，2号地铁东延伸段的轨道支座是可调节的，调节幅度约为1~2cm，由于本工程顶管穿越产生的支座附加变形不足2mm，是不会影响2号地铁东延伸段正常运行的。
故按本方案2-DN4000的钢筋混凝土顶管穿越2号地铁东延伸段在理论上是可行的。
4施工措施
本段顶管施工难度较大，需要满足在顶管施工过程中土体超挖损失量不大于1%、管道轴线水平误差不大于20mm、竖向误差不大于50mm。施工过程中重点控制以下方面：
（1）优选顶管掘进机
采用大刀盘泥水平衡或土压平衡机头。
（2）通过试顶进优化顶进参数
在穿越2号地铁东延伸段前，应合理选定施工参数，严格控制顶进速度，严格控制出土量，穿越施工过程中再根据监测情况及时进行施工参数的调整。
（3）采取合理施工措施
做好触变泥浆压浆控制：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。
加强施工测量，严格控制顶进姿态：顶管姿态取决于顶进测量的精度和纠偏的效果。顶进时做到勤测勤纠，一旦发现偏转趋势就进行纠偏，及时调整顶进姿态。
加强监测，信息化施工：施工时对穿越处采取严密的监测措施，根据监测数据及时调整施工工艺，发现不良情况及时采取应急措施，以保证磁悬浮的安全。
（4）重视穿越后施工措施
顶管施工结束以后，对于穿越2号地铁东延伸段地段及时用迟凝泥浆置换原有的触变浆液、或对触变泥浆进行固化。施工结束后，为解决2号地铁东延伸段后期沉降的问题，要求对2号地铁东延伸段继续进行跟踪监测，施工监测将持续到顶进施工后1～2个月，并做好后期注浆加固，直到沉降基本稳定为止。
6监测
在顶管实施过程中，有第三方监测单位制定并实施了严密的施工监测。监测范围为以顶管管道与2号线的平面相交处为中点，两侧各2根高架立柱（共4根）。监测内容为：（1）立柱垂直位移监测；（2）立柱倾斜位移自动化监测；（3）土体水平位移自动化监测。
根据本工程特点，监测频率及监测进程在“全面、准确、及时”的原则下制定。施工前测量3次初始值；管道进入2号线30m范围处，按2次/日测量；管道离开2号线30m范围处，按1次/日测量；施工结束后，按2次/月测量。
工程施工期间监测报警值根据《上海市轨道交通管理条例》制定：（1）垂直位移>5mm或连续三天同向变化速率>0.5mm/天；（2）水平位移>5mm或连续三天同向变化速率>0.5mm/天。
根据监测结果，本次顶管施工中，对2号线高架影响主要表现为立柱的垂直位移，立柱周边土体的水平位移和倾斜变化量均较小。图7为2号线高架立柱沉降变化曲线，从中可以看出，当顶管顶进时，开挖面土体受到水平应力大于原始应力，使工作面前上方土体受挤压，导致顶管到达2号线监测区时，对2号线高架结构的影响表现为上抬，总沉降量均在4mm内，故本顶管穿越工程对2号线无明显影响。
图72号线高架立柱沉降曲线
7结语
本文介绍了超大直径顶管管道穿越高架线路时的设计方案，有限元分析结果为穿越方案的制定提供了初步参考依据，通过严格的施工控制和严密的监测工作，表明超大直径顶管穿越高架线路是安全、可靠的。
参考文献：
[1]葛春辉，顶管设计与施工，北京，中国建筑工业出版社，2012
[2]杨果岳，刘浩航，尹志政，钟政意，顶管上穿施工对既有地铁隧道的影响，吉首大学学报（自然科学版），2014，35（2），pp.57-60
[3]国家标准，给水排水工程顶管技术规程CECS246：2008，北京，中国计划出版社，2008
作者简介：
翟之阳（1983-），男，江苏常州人，工程师，从事市政工程结构设计工程。