史国坤，郭曼丽，赵红书

（中电建生态环境设计研究有限公司，江苏 苏州 215131）

由于顶管技术日趋完善，顶管施工技术在国内的工程中得到广泛的应用。经查阅相关的资料及文献，其大多数是研究顶管的施工方法及施工工艺在实际工程中的应用。文章以南昌市水环境综合治理工程（前湖水系及乌沙河上游段）一级水力调控工程（以下简称“工程”）为背景，研究顶管近距离下穿快速路、上穿地铁、横穿桥墩的问题，分析评价施工阶段和运行阶段顶管对快速路、地铁、桥墩的影响。工程已经施工完毕并投入使用，到目前为止未发现顶管对快速路、地铁、桥墩造成任何负面影响。通过对该设计方案的研究，解决了顶管近距离穿越建筑物的问题，希望能为以后类似的工程设计提供参考。

1 工程背景

工程由一级泵站和一级补水管道组成，主要任务是从赣江取水经一级补水管道提水至前湖调节池，经前湖干流向前湖进行补水。一级补水管道位置交通示意图如图1所示，一级补水管道起于一级泵站，位于生米大桥上游230m处，然后沿祥云大道南侧规划生态绿廊铺设，沿途穿越赣江南大道、三清山大道、九龙大道、圭峰大道、学府南大道，最后到达前湖调节池。一级补水管道总长约4.2km（单管），采用K9级球墨铸铁管双管布置，管径DN1200，设计流量为3m3/s，单管设计流量1.50m3/s。文章主要针对一级补水管道穿越三清山大道进行详细说明。

图1 一级补水管道位置交通示意图

2 施工条件

2.1 位置条件

一级补水管道在桩号为K0+827.593～K1+092.858垂直下穿三清山大道。三清山大道的西向车道下面为南昌地铁2号线，一级补水管道需从地铁2号线上穿过。一级补水管道在竖直方向还需避开雨水管、燃气管、电力检查井；在水平方向需避开生米大桥西互通A匝道和G匝道的桥墩。

2.2 地质条件

根据勘探成果，一级补水管道下穿三清山大道顶管段主要穿过③粉质黏土层、①-2人工填土层，其中③层为均匀土层，①-2层为非均匀土层，适宜采用顶管施工，但在顶进过程中应对①-2层进行提前加固处理，以防顶管施工后地表有过大的下沉。在顶进过程中若遇孤石等不良地质，应采取有效措施破除孤石，并适时进行纠偏，防止管道偏离错位。另外，该顶管段上方距离燃气、雨污、电力和通信等管道较近，顶管施工时应引起充分注意，防止施工过程中管道偏离错位，破坏上方管道设施。

3 工程布置

一级补水管道下穿三清山大道示意图如图2所示，一级补水管道下穿三清山大道设置两个工作井和一个接收井。1#工作井位于生米大桥西互通G匝道西面，2#工作井位于三清山大道和生米大桥西互通A匝道之间的绿化带中，接收井位于金领驾校内。

图2 一级补水管道下穿三清山大道示意图

3.1 管道水平方向布置

由图2可知，一级补水管道从生米大桥西互通A匝道和G匝道的第一跨穿过，A匝道和G匝道的桥墩成为制约管道水平方向的重要因素之一。经到生米大桥管理处收集相关资料，生米大桥西互通A匝道第一跨的净间距为17.72m，由于一级补水管道和A匝道之间的夹角为48.00°，A匝道在管道方向上的净间距为7.83m。管道（双管）的净间距为3.7m，管道布置时，确定管道和第一跨桥台的净距离为2.03m，和第一跨桥墩承台的净距离为2.12m。生米大桥西互通G匝道第一跨的净间距为17.68m，由于一级补水管道和G匝道之间的夹角为48.00°，G匝道在管道方向上的净间距为9.47m。管道（双管）的净间距为3.7m，管道布置时，确定管道和第一跨桥台的净距离为2.95m，和第一跨桥墩承台的净距离为2.82m。

一级补水管道与生米大桥西互通A匝道和G匝道的空间关系如图3、图4所示。

图3 管道与A匝道空间关系图

图4 管道与G匝道空间关系图

3.2 管道竖直方向布置

根据《南昌地铁2号线正线纵断面线路图》（左线施工图），一级补水管道与地铁2号线交叉处的隧道顶高程为11.87m。根据物探探测及实测结果，一级补水管道轴线上，电力检查井底高程17.80m、φ800雨水管底高程18.16m、φ500燃气管底高程18.58m、三清山路面高程20.39m。根据竖直方向上的制约因素，为了既不影响三清山大道快速路和南昌地铁2号线的正常运行，也不损坏雨水管和燃气管等管道，经得轨道、燃气、电力等部门的认可，一级补水管道中心高程定为16.97m。此时，一级补水管线和三清山大道快速路路面距离为2.82m，和地铁2号线的净距离为4.50m，和φ800雨水管的净距离为0.59m，和φ500燃气管的净距离为1.00m，满足相关规范要求。

3.3 工作井布置

一级补水管道下穿三清山大道顶管长度为228m（单管），其中1#工作井至2#工作井顶管长度为162m（单管），2#工作井至接收井顶管距离66m（单管）。1#工作井、2#工作井、接收井距离地铁2#线的距离分别为89.40m、55.60m、125.60m，顶管井与地铁2#线的净距离均大于50m，满足相关规范要求。穿三清山大道顶管段平面布置及纵断面情况如图5、图6所示。

图5 穿三清山大道顶管平面布置图

图6 穿三清山大道顶管段纵断面图

4 安全评价

4.1 一级补水管道对桥基的安全评价

（1）结构关系概况。一级补水管道在桩号为K0+827.593～K1+092.858处垂直穿越三清山大道。一级补水管道与生米大桥西互通A匝道和G匝道的结构关系如下：①水平方向。一级补水管道从桥梁桩基中间穿过，管道离桥梁桩基A7的最小间距为2.12m，离桥梁桩基A8的最小间距为2.03m，离桥梁桩基G7的最小间距为2.82m，离桥梁桩基G8的最小间距为2.95m。两补水管道的中心距离为2.50m。②竖直方向。桩基承台高2m，A7桩长为24.50m，A8桩长为30.37m，G7桩长为25.50m，G8桩长为27.36m，桩径均为1m，地面距补水管道距离为3.6m。一级补水管道与桥梁桩基横剖面图如图7所示。

图7 一级补水管道与桥梁桩基横剖面图

（2）有限元分析模型。一级补水管道与桥梁桩基有限元计算模型如图8所示，一级补水管道与桥梁桩基位置关系如图9所示。

图8 一级补水管道与桥梁桩基有限元计算模型

图9 一级补水管道与桥梁桩基位置关系

（3）有限元计算结果。①施工期。经计算，一级补水管道施工过程会引起临近桥梁桩基侧向变形，X、Y、Z方向的位移最大值分别为0.1074mm、0.2510mm和0.0142mm，由此可知，最大变形在Y方向为0.2510mm，但小于规范控制安全标准（6mm）。A匝道A8号桥梁桩基的位移最大，且越靠近补水管道的桥梁桩基水平位移值越大；施工引起A匝道相邻两桥墩的沉降差为0.0058mm，引起桥面形成的附加纵坡为2.23×10-7，施工引起B匝道相邻两桥墩的沉降差为0.0004mm，引起桥面形成的附加纵坡为1.60×10-8，远小于规范要求的0.2%。施工过程会对桥梁桩基产生附加内力，其中桥梁桩基最大附加应力为0.143kPa，小于规范规定的附加应力控制值20kPa和C25混凝土的抗拉强度设计值。②运营期。经计算，一级补水管道运营期间会引起临近桥梁桩基侧向变形，X、Y、Z方向的位移最大值分别为0.1075mm、0.3725mm和0.01735mm，由此可知，最大变形在Y方向为0.3725mm，但小于规范控制安全标准（6mm）。A匝道A8号桥梁桩基的位移最大，且越靠近补水管道的桥梁桩基水平位移值越大；运营期间引起A匝道相邻两桥墩的沉降差为0.0118mm，引起桥面形成的附加纵坡为4.47×10-7；运营期间引起B匝道相邻两桥墩的沉降差为0.0074mm，引起桥面形成的附加纵坡为2.96×10-7，远小于规范要求的0.2%。运营期间会对桥梁桩基产生附加内力，其中桥梁桩基最大附加应力为3.54kPa，小于规范规定的附加应力控制值20kPa和C25混凝土的抗拉强度设计值。

4.2 一级补水管道对地铁2号线的安全评价

（1）结构关系概况。一级补水管道在桩号为K0+827.593～K1+092.858处垂直穿越三清山大道。在桩号为K0+970.387～K0+989.387处垂直上穿地铁2号线。一级补水管道与地铁2号线净距离为4.5m。

（2）有限元分析模型。有限元整体计算模型如图10所示，X方向为顶管走向，Y方向为地铁2号线隧道走向，Z方向为竖向位移方向，土体四周约束其法向位移，底部约束其竖向位移。在分析一级补水管道对既有地铁2号线隧道影响之前，应对主体结构进行地应力平衡，地应力平衡图如图11所示，地应力平衡时位移数量级达到10-5，由此可知，在分析之前土体与既有地铁隧道已达到地应力平衡。

图10 有限元整体计算模型

图11 地应力平衡图

（3）有限元计算结果。①在施工过程中，一级补水管道全部顶进完成后，地铁2号线衬砌的最大位移出现在衬砌底部，发生隆起，最大隆起值为0.1442mm，如图12、图13所示。一级补水管道运营期间，地铁2号线隧道衬砌最大竖向位移为0.1447mm。由此可知，一级补水管道施工以及运营期间对隧道衬砌的影响非常小。②在施工过程中，补水管道沿着管道轴线X方向的最大位移为0.266mm，沿着管道轴线Y方向的最大位移为1.104mm，竖直方向（Z轴）上最大位移出现在管道与地铁线路相交的位置，下沉了2mm。通过比较可知，施工全过程补水管道的竖向变形相对较大，其他方向的变形相对较小。③补水管道的施工，对于补水管正下方的衬砌影响最大，仍处于变形允许范围内。④以上位移均未达到报警值。

图12 衬砌位移云图

图13 衬砌位移矢量图

5 施工工艺

此次顶进施工主要采用全自动顶进设备施工，各相关机械操作主要通过该系统集中控制台控制相关参数，一般顶进过程主要包含以下步骤：

（1）工具头刀盘转动、开进出泥浆泵。接通电源，将工具头的刀盘转动，当设备的参数稳定后，开进出泥浆泵，开始泥浆循环。

（2）顶进、调整进出泥浆泵流量达到平衡。工具头的操作全部采用在管道外（工作井上）控制台控制，只需1个机手操作，可实现对工具头刀具的转动、纠偏控制、压力显示、实时监控。

（3）泥渣处理。施工中排出的泥水通过吸泥泵排到井上泥浆沉淀池。泥浆池可进行泥浆二次沉淀，经过处理后的泥浆浓度可大大减小，并且过滤后的清水可重复使用。泥浆沉淀后将沉淀渣土从沉淀池中捞出由渣土车运至指定弃土场。

（4）注意事项。顶管顶进主要分为初始顶进和正常顶进；从破洞一直到第三节铁管全部推进入土中的全过程称之为初始顶进。在顶管施工中，初始顶进是一个至关重要的阶段，它的成败将决定于整个顶管过程的成败。

6 结束语

工程已施工完毕，目前在试运行。到目前为止，工程运行正常，未发现对地铁2号线、三清山大道、生米大桥桥墩、市政管网造成影响。工程的施工及试运行的成功，主要是管理得当，设计合理，施工严格。尤其是在设计阶段，弄清工程的边界条件，对地铁2号线和匝道桥基进行安全评估，确保能够顺利施工。只有做到设计合理，才能真正保证工程的成功。