顶进法在南京地铁联络通道施工中的应用
摘 要 地铁联络通道的施工方法有多种，采用顶进法施工南京地铁一号线珠江路站至新街口站区间隧道的联络通道是一次新的尝试。文章较详细地叙述了施工过程，并对顶进法在今后的推广应用中应作进一步的改进和完善发表了见解，可供类似工程借鉴。?
关键词 地铁隧道 联络通道 顶进法施工技术
一、工程概况?
一般地铁工程，在上下行线隧道间设置联络通道（简称旁通道），以便在地铁运营中，当其中一条区间隧道发生火灾或意外事件时，乘客下车后，可立即通过所设置的旁通道，安全地疏散至另一条隧道。?
南京地铁一号线珠江路站至新街口站区间隧道（长932.044m，隧道内径为5.5m，外径6.2m，管片厚350mm，管片宽1.20m）的联络通道的里程为下行线K8+810（对应394环和395环接缝），通道外形断面尺寸宽1.68m、高2.8m、长12.90m；通道顶面标高为-3.556m，底面标高为-6.356m，两隧道的中心标高为-4.75m，中心线距离为17.20m（净距11.00m）；顶覆土厚7.054～7.414m，基本处于粉质粘土层中（见图1）。?
联络通道采用顶进法施工，由上行线向下行线方向顶进。联络通道相应的地面位置，为与长江路交汇处以北20m左右的中山北路路下，地面上无建筑物。
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二、工程地质条件?
从图1中可知，旁通道上部2.0m处于③1－2b层粉质粘土中，下部处在③2－2b层粉质粘土中。各土层的物理力学指标见表1。
表1 各土层物理力学指标?
根据地质资料，土层③1－2b粉质粘土的特性为褐黄～灰黄色，软流塑，夹薄层粉土、粉细砂，局部为粉土～粉砂与粉质粘土交互层，具中等压缩性，其塑性指数为14.6、液性指数为0.85、水平渗透系数为5.854×10-6cm/s、垂直渗透系数为2.558×10-6cm/s；土层③2－2b的特性为褐灰～灰色，软～流塑。局部为淤泥质粉质粘土及粘土，具有中高压缩性，其塑性指数为15.3、液性指数为1.11、水平渗透系数为14.601×10-6cm/s、垂直渗透系数为2.857×10-6cm/s。可见，旁通道顶进施工所穿越的两层土基本上是微透水性，并具有一定的自立性，抗剪强度较高，为采用网格式机头顶进施工提供了良好的条件。?
三、顶进施工?
1、顶进方案
(1)联络通道结构
联络通道长12.9m（宽×高为1.68m×2.8m），由9节管节组成（管节间采用法兰螺栓连接），中间7节为标准节，每节长1.5m，通道口的2节均长1.2m；管节为复合型结构，即钢壳内有钢筋混凝土内衬（管壁厚20cm）；通道口四周的管片为钢管片，管片预留孔的宽×高为1.7m×2.82m（管节与开口孔之间的周边间隙仅有10mm，要求顶进施工中管节中心轴线偏差控制在±10mm内，难度极大，但有利于间隙的防渗漏处理）；两端头的管节钢壳与钢管片直接电焊，形成了联络通道。?
(2)机头形式?
在上行线隧道内，将顶出的4块钢管片上的圆弧板割去，成网格形式，组成顶进施工的机头。网格板表面支护正面土体，起到正面土体不失稳的作用；土体被顶力挤入格孔中，在工作面内被挖除。由于机头的上下边不在同一垂直面上，为了解决机头与管节的连接，特制作了1个垂直法兰（见图2），不但解决了与管节的连接问题，也起到了使4块钢管片连成一个整体、完善了顶进机头的作用。?
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(3)轴线的控制?
为了使机头准确地进入下行线隧道的预留孔内，在第一节管节与垂直法兰之间设置1个中继间，在中继间四角各设有3只400kN的液压千斤顶作纠偏用，控制机头的顶进方向，确保机头顺利进入预留洞口。? (4)后靠设计?
顶进施工时的顶力，必须由隧道内的另一侧管片来承受，因此，用1个弧形受力垫作为顶进的后靠（见图3），后靠纵向长度为14m，沿半径（2750mm）方向的弧长为3888mm，后靠与隧道接触面积是54.4m2，保证隧道管片所受的力小于被动土压力。?
① 顶力计算?
② 后靠土体稳定条件计算?
旁通道顶进施工时，顶力通过后靠传至隧道管片上，所以后靠的稳定是由管片的稳定（不产生移位）来保证的；而管片的另一侧是土体，土体起到支承管片的作用，只要作用于管片上的单位压力小于被动土压力，就能达到稳定后靠的目的。?
通过计算，顶进时管片单位面积所受到最大压力为86.3kN，管片外产生的被动土压力为544.7kN/m2，安全系数K＝544.7÷86.3＝6.312。?
2、顶进中采取的技术措施?
(1)顶进施工的配套设备（见图3）?
顶进施工的设备除中继间、后靠支撑系统外，还必须配有主顶装置、顶铁和导轨。?
① 主顶装置?
主顶装置由6台1000 kN的千斤顶组成，千斤顶沿旁通道中心左右对称布置于千斤顶支架上，支架不仅用作固定安装千斤顶，并有导向功能；千斤顶油压由高压变量油泵（25CSY14－1B）提供，工作油压60MPa；液压换向阀控制千斤顶的伸缩。?
② 顶铁?
主顶千斤顶的行程只有80cm，而管节长150cm，为完成1节管节的顶进，必须加顶铁，以保证千斤顶回缩后与管节之间的空间能安装1节管节；配制2个56cm厚的框形顶铁和6个柱形垫柱，来确保最后一节管节到位。?
③ 导轨?
由2根平行的、可以拆卸的18＃工字钢作为活络导轨，按设计轴线铺置，保证将钢管节稳固地运送到顶进轴线的正确位置上，并能使管节和顶铁在导轨上平稳地向前滑行。?
(2)顶进施工前的准备?
① 复紧旁通道轴线位置前后各10环管片的纵、环向螺栓，以提高顶进时隧道的整体抗变形能力，同时从隧道管片压浆孔压注水硬性浆液，固化原来施工时压注的浆液，从而加强了隧道外土体的被动抗压力，防止旁通道孔口间隙发生渗漏，影响顶进施工。?
② 按顶进轴线安装、固定后靠，正确放置千斤顶支架，牢固安装6只千斤顶，保证千斤顶轴线平行顶进轴线，施工时不能发生移位和倾斜。?
③ 安装垂直法兰，将准备顶出的4块管片与其连成一个整体，作为顶进施工的机头。拆除准备顶出的钢管片的纵向螺栓，并割去部分钢管片，使其的大小与洞口的内净尺寸相同（见图4），便于顶进和进洞。?
④ 调整隧道内的运输轨道，安装活动导轨。?
⑤ 为防止在割制网格式机头时正面土体的坍塌，对出洞孔处土体进行注浆加固，经加固的土体应有很好的自立性、均质性；要求无侧限抗压强度达到0.5～0.8MPa。?
注浆加固的主要技术参数及浆液配合比见表2、表3。?
⑥ 割除钢管片的外弧钢板，使4块钢管片形成网格机头。网格孔口尺寸为20cm×40cm，共16格，开口面积为1.28m2，开口率达27%，为确保施工安全，预先制作16块封插式胸板，当正面出现突发事件时，可立即关闭网格孔。?
⑦ 顶进施工的控制轴线，应是出、进洞口中心实际位置（在区间隧道的上、下行线施工中，因环缝压密的差异，产生管片里程误差和管片成环的高程控制误差，使旁通道预留孔的位置发生变化）的连线。因此，将根据地面控制网（作方向传递测量）测得的控制点固定在管片上（与后靠系统不能有任何牵连），该位置作为顶进施工测量控制台；并按这控制点来调整后靠、千斤顶组合中心及导轨等空间位置，使其符合顶进施工的要求。在施工中必须定时、定期作复测，以确保顶进测量的准确性。?
⑧ 在顶进施工时，为了将附近隧道圆环的变形控制在允许范围内，须对旁通道两侧各6环管片进行加固，采用8根25＃双榀槽钢，形成柱状的门式钢支撑，并用楔形垫块垫在管片间(见图5)，每根钢支撑的支撑力不小于500kN；在各钢支撑的顶端设200kN的液压千斤顶，施加预应力。
3、出洞顶进施工?
(1)将中继间与垂直法兰连接，接触面要求平整，外圈绝对不能有凸出现象（否则在出洞口时有可能与洞口相卡），安装好顶铁（伸出千斤顶顶住顶铁，但不加油压），并与中继间连接；确认各项准备工作就绪后，则升高油压，开始出洞顶进施工。?
(2)在千斤顶的作用下（控制最大工作油压为3200kPa），网格前的土体受局部挤压进入网格内，然后由人工把泥土运走。开始顶进时，一般控制顶进速度在1cm/min左右，每节管节总出土量控制在7m3。顶进速度与进网格的土条长度有关，通过计算，每顶进管节1cm，出土的土条长度为14cm。施工中还可根据地层变形监测资料，及时调整控制值。?
(3)顶铁与管节用螺栓连接；管节间采用法兰连接，在管节连接时，应特别注意管节四周接缝的平整度，接缝防水采用线接触形式，即两节管节间垫1圈2cm宽、6mm厚的遇水膨胀橡胶条。?
(4)顶进轴线与机头姿态的控制?
利用中继间的纠偏千斤顶长度差异来控制顶进轴线；本机头为组合型（两段单铰）顶进机头，通过主顶千斤顶的优化编组（开启只数的变化）、上下、左右的移位以及千斤顶轴线的调整，可控制机头的姿态和顶进轴线；还可采用调整网格机头进土孔的位置，使作用于机头的外合力位置产生变化，达到控制机头姿态和顶进轴线的目的。?
(5)地层变形控制?
地层变形的主要因素是顶进施工中正面土体流失和引起的土体扰动，因此，必须严格控制顶进速度（一般以3～5cm/min为宜）与出土量（土条长度为42～70cm）。每顶进一节管节，必须测量机头的姿态，控制平面、高程偏差及推进轴线值在要求范围内。?
4、进洞施工?
(1)接收导轨铺设?
在机头进洞前，应在下行线隧道内的顶进轴线位置安装好导轨。导轨坡度、标高，根据顶进机头的实际姿态而定，一般情况下，导轨的坡度与旁通道坡度相同，而标高必须略低于机头的实际标高，防止机头啃住导轨端面；导轨要固定，不能因顶进时机头的扭动而变形，或整体扭曲。?
(2)应力释放?
当机头即将靠近进洞口的管片时，为避免因顶力挤压正面土体而造成的隧道侧向变形，应将钢管片两旁的压浆孔打开，释放应力，还应根据实际工况，必要时可在进洞口钢管片的外弧板上开孔放土。?
(3)施工参数?
当机头进入洞口区域时，为控制机头的轴线，应放慢顶进速度，一般顶进速度控制在1cm/min左右。为了减少对洞门的压力和减少土体涌入下行线隧道内，机头的正面土体必须出清。
在施工中加强对正面的观察，保证网格式机头的切口中心位置偏离轴线控制在±5mm内。严禁机头顶下行线隧道管片。?
(4)割除弧形网格?
当网格式机头进洞时，其的外凸弧形切土面与钢管片外凸弧形面相接触，出现上下开口不一致的状况（上部开口为53cm，下部开口为118cm）。在拆洞门钢管片时，为保证土体稳定，先割除部分弧形网格钢管片，后顶进，以减少上下开口尺寸的差距；通过反复割除凸形网格（每次割除量以20～40cm为宜），使凸形网格在顶进时逐渐形成凹面网格，完全紧贴于洞口凸形钢管片面上（见图6）。?
图6 两弧面接触时位置?
(5)拆除进洞口钢管片?
首先拆除洞口钢管片与隧道钢管片的所有纵、环向螺栓；检查施工实况，了解机头姿态，布置钢管片的拆拉吊点，结合顶进、顶力条件，逐块拆除钢管片，尽量缩短进洞的时间；钢管片拆除后，及时将旁通道的钢管节顶到设计位置。?
(6)洞门封堵?
因管节与洞口之间存有一定间隙，为阻止地层土体从间隙流入上下行线隧道内，而产生地层变形，故在旁通道最后一节管节顶进到位后，应立即封堵旁通道两端的洞口。根据设计要求，用钢板作连接材料，直接用电焊连接洞口处的钢管片与管节。?
(7)压注浆液?
两端洞口封堵后，为防止地面后期过量的沉降变形，提高管节间接缝的防水性能，通过管节预留压浆孔向管节外地层压注水硬性浆液，压注量以施工形成的建筑理论空隙的150%～250%为宜，压注压力以静止土压力为佳。?
5、顶进施工的注意点?
(1)本工程顶进长度仅13m，而进洞间隙只有±10mm，施工前制定的中心轴线允许偏离值为±8 mm。在出洞施工时，由于对加固后的土体情况不了解，尚须摸索顶进规律，因此，顶进速度控制在1cm/min左右；正常顶进速度控制在3～5cm/min左右为宜，而相应的出土条长度为42～70㎝左右；在施工中加强地面变形观测，通过对观测资料的分析，及时调整施工参数。
(2)中继间纠偏千斤顶的使用要慎重，在通过主顶千斤顶编组及调整阻力能控制顶进轴线的情况下，尽量不用纠偏千斤顶。?
(3)为确保机头能顺利进洞，当机头近洞口时，可使用中继间纠偏技术。?
(4)采用止水密封橡胶带是管节接缝防水的唯一措施，密封橡胶带置于连接螺栓外侧，橡胶条接头必须平面重叠5cm。?
四、结束语?
1、 采用顶进法建造地下旁通道的施工工艺，值得在上海地下铁道工程的旁通道施工中推广应用，其不仅可消除采用冻结法建造后的许多麻烦，而且具有工期短、经济效益好等优点。
(1)与冻结法施工相比，其施工工期短，本工程仅用了15天，其中2天的准备工作（后靠安装，垂直法兰焊接，井下运输系统调整及导轨定位等），7天顶进施工（从中继间安装开始至顶进到设计位置），后期工作6天（洞口封堵、向地层注浆、通道两端结构施工，通道内构造施工），而用冻结法施工，至少需要3个月。?
(2)顶进法施工的造价约为冻结法施工的1/2。?
(3)对环境及工程自身后期影响小。?
(4)适用于粘性土的土层（包括粉质粘土、粘质粉土、粘土）。?
2、 通过本工程的实践，认为今后在采用顶进法建造地铁联络通道时，尚可对其的设计与施工进行一些改进和完善。?
(1)隧道旁通道处顶出管片与洞口管片的径向接缝方向，应与顶进方向平行，这样可省去顶进前钢管片的切割工作；进洞口的尺寸，应略大于进洞钢管片（机头）的尺寸，以便于进洞施工。?
(2)顶出管片的外弧板，应设计为装拆式；其径向筋板的间距，要结合施工所需的网格尺寸设置，有利于调整正面阻力位置、改善顶进轴线控制的条件、防止施工中正面土体流失等。
(3)两管节之间的连接改为承插式，就不存在因接头法兰连接不平整，或因法兰加工误差产生接头不平而出现卡洞口的现象。?
(4)千斤顶的行程应略大于管节长度，则在施工中就不需加垫钢垫块，保证了每节管节顶进的连续性，既加快了顶进速度，又有利于顶进轴线的控制，提高施工质量。?
(5)为利用隧道施工中的运输系统，必须在运输管节的平板车上，设有固定管节的装置，固定方法既要简便，又要牢固，保证管节在长距离运输中不倾翻。?
(6)导向轨的装、拆要方便；固定要牢固，顶进施工时不变形、不位移；导向轨的位置要正确，真正起到顶进施工时的导向作用。?
(7)中继间在旁通道施工中具有纠偏功能，但一般中继间内纠偏千斤顶伸出量仅4cm，纠偏量不大，因此，在设计时应加以考虑。?
(8)在设计顶进后靠时，应同时考虑采用组合型钢支撑来加固隧道圆环结构，防止顶进时使隧道圆环产生变形(成横鸭蛋形)，甚至受到破坏。
原作者：王 祎 何雨保 陈向科
来源：《上海隧道》2004年第3期
