段寶元 蔣貴亮

(中國(guó)水利水電第四工程局有限公司，青海 西寧 810007)

?

矩形土壓平衡頂管技術(shù)在地鐵施工中的應(yīng)用

段寶元 蔣貴亮

(中國(guó)水利水電第四工程局有限公司，青海 西寧 810007)

針對(duì)城市地面交通繁忙，地下管線復(fù)雜的現(xiàn)狀，以深圳地鐵7號(hào)線地下矩形通道為例，采用土壓平衡頂管法施工，介紹了大斷面矩形頂管施工原理、工藝流程及關(guān)鍵控制技術(shù)，以期為今后類似工程的施工提供參考。

大斷面，矩形頂管，施工工藝，矩形通道

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程簡(jiǎn)介

本工程矩形通道位于華強(qiáng)北路與振華路交匯處，是7號(hào)線華強(qiáng)北站和華新站之間的地下通道，單條通道長(zhǎng)度為41 m，共設(shè)3條矩形通道。地下通道采用鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)鋼筋混凝土管節(jié)75節(jié)，管節(jié)內(nèi)徑6 000 mm×4 000 mm，單節(jié)重約42 t，連接處設(shè)置異形鋼管節(jié)2節(jié)，每節(jié)長(zhǎng)7 m，鋼管節(jié)總重164 t。通道線路與地面的振華路呈“正交”關(guān)系，振華路作為交通要道，若采用明挖法施工，交通疏解非常困難，且地下管線多、遷改周期較長(zhǎng)，因此采用土壓式頂管法施工。

頂管始發(fā)和接收工作井利用南北兩端的已成型車站建筑物內(nèi)。考慮到3條矩形頂管通道之間間距較小，為減小相鄰?fù)ǖ理斶M(jìn)施工的影響，3條通道施工按照“先兩側(cè)后中間”頂進(jìn)的順序，即按照①→③→②的順序從華強(qiáng)北站始發(fā)，由北向南頂進(jìn)。

1.2 地質(zhì)條件

頂管范圍右線土質(zhì)主要為中砂、粗砂和少量素填土，左線土質(zhì)主要為礫質(zhì)黏性土和少量粉質(zhì)粘土。地下水位埋深3.80 m～4.60 m。

1.3 施工特點(diǎn)

本工程地下矩形通道采用土壓平衡頂管法施工，具有以下主要特點(diǎn)：開(kāi)挖斷面尺寸大、頂管通道埋深淺、通道之間凈距小、距既有管線較近、地表沉降要求高。

矩形通道斷面尺寸6.9 m×4.9 m，頂進(jìn)阻力較大，頂進(jìn)中易對(duì)土體原狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞失去穩(wěn)定。3條通道之間凈距為2.15 m，小間距頂進(jìn)時(shí)，頂進(jìn)中產(chǎn)生的側(cè)壓力易引起附近通道和土層的位移、變形。通道頂部覆土約3.5 m，頂管機(jī)掘進(jìn)時(shí)“背土”效應(yīng)明顯。通道與上方污水管正交，兩者最小凈距離331 mm；通道與下方地鐵2號(hào)線隧道正交，與2號(hào)線頂端僅550 mm～670 mm，施工時(shí)容易對(duì)既有污水管和2號(hào)線產(chǎn)生影響。通道上方地面交通繁忙，兩側(cè)多為高層商業(yè)建筑物，環(huán)境保護(hù)要求高。

2 土壓平衡式矩形頂管機(jī)介紹

本工程選用的多刀盤土壓平衡頂管機(jī)，全長(zhǎng)約6.403 m，總重約205 t，主要由切削攪拌系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、糾偏及液壓系統(tǒng)、殼體、螺旋輸送機(jī)、測(cè)量顯示系統(tǒng)、電氣操作系統(tǒng)等組成。頂管機(jī)頭采用6個(gè)切削式刀盤，其中3個(gè)φ2 600刀盤前置，3個(gè)φ2 800刀盤后置，各刀盤軸向位置布置有1寸土體改良劑注入孔，2個(gè)φ560孔徑螺旋出土機(jī)，16個(gè)150 t糾偏油缸，在頂管機(jī)中部靠上位置設(shè)置兩個(gè)450 mm×600 mm人工清障進(jìn)出口。推進(jìn)系統(tǒng)主頂裝置采用頂鎬16只，行程2 450 mm，頂力2 000 kN/只。機(jī)頭正面圖和側(cè)視圖見(jiàn)圖1，圖2。

3 頂管法工作原理及工藝控制要點(diǎn)

3.1 工作原理

頂管施工就是在待埋設(shè)管道段兩端設(shè)工作井，借助于主頂油缸及中繼間等的推力，把工具管或掘進(jìn)機(jī)及緊隨的管道從一端頂推穿過(guò)土層直到另一端的非開(kāi)挖敷設(shè)地下管道的施工方法。

本工程采用的是土壓式頂管法施工工藝，是在頂進(jìn)過(guò)程中，利用土倉(cāng)內(nèi)的泥土壓力和螺旋機(jī)排土來(lái)平衡地下水壓和土壓力，并采取渣土改良、注漿減阻等輔助方法，保持開(kāi)挖面的穩(wěn)定，以減少推進(jìn)對(duì)地層的擾動(dòng)，從而控制施工對(duì)周邊環(huán)境的影響。

3.2 頂管施工關(guān)鍵工藝控制

3.2.1 頂管進(jìn)出洞

頂管進(jìn)出洞口施工是頂管推進(jìn)中的一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)，其中涉及到洞口土體加固、止水裝置安裝、測(cè)量定位、頂管機(jī)就位、掘進(jìn)參數(shù)確定等諸多因素。

1)洞口土體加固采用“門式加固法”，是對(duì)管道兩側(cè)和頂部一定寬度和長(zhǎng)度范圍內(nèi)的土體進(jìn)行加固，加固的方式有：注漿法、高壓噴射攪拌法、凍結(jié)法。本工程始發(fā)、接收端土體加固采用φ600@450雙管旋噴樁，始發(fā)端頭加固長(zhǎng)度3.2 m，寬度為31.65 m；接收端加固長(zhǎng)度3.65 m，寬度為33 m。

2)洞門簾布橡膠板安裝在預(yù)埋好的洞口鋼環(huán)板上，預(yù)埋鋼環(huán)采用8 mm厚Q235鋼板，并在延長(zhǎng)洞門上預(yù)留注漿口等應(yīng)急措施。

3)洞口測(cè)量及頂管機(jī)導(dǎo)軌定位采用全站儀、水準(zhǔn)儀施工放樣，確保通道的軸線、坡度、高程符合設(shè)計(jì)要求。頂管安裝順序?yàn)榉戳馨惭b→推進(jìn)油缸安裝→前盾安裝→盾尾安裝→刀盤安裝→輸送機(jī)安裝→U型頂鐵安裝。

4)土壓力初設(shè)值按Rankine壓力理論公式計(jì)算，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)確定。頂進(jìn)推力為初始推力與管道和土層的摩阻力之和，頂進(jìn)推力隨頂進(jìn)距離長(zhǎng)短而增減，出洞前降低頂推力。

3.2.2 頂管機(jī)姿態(tài)的控制

矩形頂管機(jī)方向控制難度大，為使通道按設(shè)計(jì)要求埋設(shè)，在頂進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)隨時(shí)掌握頂管機(jī)和已完通道的軸線空間位置數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整頂管機(jī)姿態(tài)，按照“先糾高低偏差，后糾左右平面偏差，最后糾正機(jī)頭自轉(zhuǎn)角”的原則進(jìn)行。

1)頂管施工前，測(cè)量所使用的儀器儀表送專業(yè)機(jī)構(gòu)做全面檢定，并在使用過(guò)程中經(jīng)常檢查。2)每次頂進(jìn)后應(yīng)測(cè)量管節(jié)左右平面位置、高程、轉(zhuǎn)角，分析偏差，調(diào)整頂管糾偏油缸的動(dòng)作。3)頂進(jìn)中頂管高程出現(xiàn)偏差，不宜改變土倉(cāng)壓力、排土量，糾偏油缸調(diào)整量不應(yīng)太大。應(yīng)根據(jù)土質(zhì)情況，分析記錄的數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整千斤頂微量糾偏。4)頂進(jìn)中頂管左右位置出現(xiàn)偏差，早預(yù)報(bào)、勤量測(cè)，做到勤糾、微糾。頂進(jìn)速度應(yīng)盡量放慢，使刀盤對(duì)正面土體全斷面切削，控制排土量，穩(wěn)定土倉(cāng)壓力并控制在設(shè)定范圍內(nèi)。5)頂進(jìn)中機(jī)頭出現(xiàn)微小轉(zhuǎn)角，采取刀盤糾轉(zhuǎn)裝置、注漿糾轉(zhuǎn)等方法，應(yīng)及時(shí)糾轉(zhuǎn)。

3.2.3 開(kāi)挖面穩(wěn)定施工管理

頂管開(kāi)挖面的穩(wěn)定是防止地面沉降引起周邊建筑物及管線影響的關(guān)鍵因素，根據(jù)土壓平衡式頂管的基本原理，開(kāi)挖面穩(wěn)定的關(guān)鍵是頂管機(jī)前端已切削泥土壓力與正面土層土壓、水壓力保持相等。開(kāi)挖面穩(wěn)定施工管理的重點(diǎn)在于在頂進(jìn)過(guò)程中，不斷分析和調(diào)整頂進(jìn)速度、土壓力、排土量等相關(guān)掘進(jìn)參數(shù)，并結(jié)合地下地上監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，使頂管機(jī)土倉(cāng)壓力和開(kāi)挖面土層土壓、水壓保持平衡。

1)頂進(jìn)速度控制。頂管推進(jìn)速度一方面是保證工程進(jìn)度的保障，另一方面是保證開(kāi)挖面穩(wěn)定、螺旋機(jī)出土量均勻的主要手段。頂管機(jī)的初始頂進(jìn)是為正常掘進(jìn)參數(shù)累積調(diào)整階段，初速控制在10 mm/min以內(nèi)，正常頂進(jìn)速度控制在10 mm/min～20 mm/min。

頂進(jìn)速度的控制通過(guò)調(diào)整機(jī)頭刀盤切削轉(zhuǎn)速、主頂千斤頂?shù)捻斶M(jìn)速度和螺旋輸送機(jī)排土速度來(lái)實(shí)現(xiàn)。本工程礫質(zhì)黏土硬度較高，刀盤扭矩較大，為減小土體的擾動(dòng)，D2 800刀盤的轉(zhuǎn)速控制在1.35 r/min，D2 600刀盤的轉(zhuǎn)速應(yīng)控制在1.58 r/min。

2)土壓力控制。按Rankine公式計(jì)算的土壓力，可作為土壓力的最初設(shè)定值，隨著頂進(jìn)不斷進(jìn)行，土壓力值應(yīng)通過(guò)頂進(jìn)速度、排土量、地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作相應(yīng)的動(dòng)態(tài)調(diào)整。土壓力宜控制在1.5 bar～1.8 bar左右，防止土倉(cāng)壓力不足造成洞頂水土流失，出現(xiàn)土體坍塌。

正常頂進(jìn)過(guò)程中，土壓力的增減控制和頂進(jìn)速度、排土量密切相關(guān)。如果土壓力值過(guò)高，應(yīng)適當(dāng)降低頂進(jìn)速度或增加出土量；反之，要增加頂進(jìn)速度或減少出土量。

3)排土量控制。由于頂管機(jī)的結(jié)構(gòu)，我們無(wú)法直觀得到開(kāi)挖面的具體情況，只能通過(guò)排土量的大小及監(jiān)測(cè)儀器數(shù)據(jù)來(lái)判定開(kāi)挖面穩(wěn)定狀況。為此在頂進(jìn)過(guò)程中，需安排專人對(duì)頂管機(jī)螺旋出土輸送機(jī)的排土量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，嚴(yán)格控制出土量，防止超挖或欠挖，本工程單節(jié)管節(jié)的理論出土量為53 m3，實(shí)際出土量控制在理論值的96%～100%。

排土量的控制采取調(diào)整螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速、出土閘門開(kāi)度的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.2.4 注漿減阻

注漿減阻技術(shù)是大斷面頂管施工中一項(xiàng)重要的減少頂進(jìn)阻力的措施。常用的減阻注漿潤(rùn)滑主材有膨潤(rùn)土、人工合成的高分子材料。為使管節(jié)周邊形成“泥套”，減輕頂進(jìn)阻力，泥漿要具備不失水、不沉淀、不固結(jié)，既要有一定的粘度，也要有良好的流動(dòng)性。注漿管路通常布置在頂管機(jī)前盾和成品管節(jié)預(yù)留注漿孔中，注漿孔要求均勻地分布于管道周圍。頂進(jìn)結(jié)束后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行減阻泥漿的置換，置換時(shí)嚴(yán)格控制注漿壓力及注漿量，保證工程質(zhì)量。

3.2.5 監(jiān)測(cè)量控管理

施工前對(duì)周邊地上地下建筑物及管線實(shí)地詳勘，制定合理的監(jiān)測(cè)方案和保護(hù)措施。施工監(jiān)測(cè)主要包括頂管平面軸線和高程監(jiān)測(cè)以及管道周邊環(huán)境沉降監(jiān)測(cè)。頂管機(jī)平面軸線和高程監(jiān)測(cè)通過(guò)設(shè)于井內(nèi)的測(cè)量墩進(jìn)行，發(fā)現(xiàn)偏差應(yīng)及時(shí)采取措施；管道周邊環(huán)境沉降監(jiān)測(cè)則通過(guò)埋設(shè)的沉降觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

監(jiān)測(cè)量控管理的重點(diǎn)是監(jiān)測(cè)量控方案的可行性、信息傳遞的及時(shí)性、預(yù)警反應(yīng)機(jī)制、應(yīng)急方案的可操作性等方面。

3.2.6 小間距大斷面頂進(jìn)

本工程3條通道之間凈距為2.15 m，中間通道小間距頂進(jìn)時(shí)，側(cè)壓力的作用易對(duì)已施工完成的兩側(cè)通道管節(jié)和地面環(huán)境沉降產(chǎn)生影響。為減少小間距頂進(jìn)過(guò)程的影響，須采取以下措施：

1)3條通道施工按照“先兩側(cè)后中間”的頂進(jìn)順序，即按照①→③→②的順序；采取“先保護(hù)后頂進(jìn)”的施工程序，即①和③號(hào)通道頂進(jìn)完成后，采取保護(hù)措施后方可進(jìn)行②號(hào)通道的頂進(jìn)作業(yè)。

2)兩側(cè)頂管通道施工時(shí)，盡量不超挖，優(yōu)化減阻泥漿的參數(shù)，減少對(duì)中間土體的擾動(dòng)。兩側(cè)通道頂進(jìn)結(jié)束后，及時(shí)置換泥漿，對(duì)通道施加預(yù)應(yīng)力，加強(qiáng)縱向整體剛度。

3)中間通道初始頂進(jìn)時(shí)，應(yīng)控制好頂管機(jī)姿態(tài)偏差，及時(shí)糾正偏差，保持土倉(cāng)壓力與土體水土壓力的平衡、保持切削土量與排土量的平衡，勻速頂進(jìn)。

4)加強(qiáng)地面沉降、地下頂管機(jī)姿態(tài)監(jiān)測(cè)管理，信息化指導(dǎo)施工，嚴(yán)格控制施工參數(shù)，減小軸線偏差和地表沉降。

3.2.7 上穿2號(hào)線施工

本工程通道上穿2號(hào)地鐵隧道，頂管施工中由于隧道上方土體開(kāi)挖卸荷，易引起通道底部地鐵隧道上浮或沉降，嚴(yán)重時(shí)將造成原有隧道結(jié)構(gòu)變形。為保證地鐵2號(hào)線的安全運(yùn)營(yíng)，須采取以下措施：

1)近鄰地鐵隧道頂進(jìn)施工時(shí)間安排在列車運(yùn)營(yíng)間隙期進(jìn)行，必要時(shí)降低列車在此段的行車速度。2)近鄰地鐵隧道頂進(jìn)過(guò)程中，嚴(yán)格控制頂進(jìn)推力、頂進(jìn)速度及頂管機(jī)的姿態(tài)，做好開(kāi)挖面土壓平衡管理。3)采用預(yù)加固法、堆載壓重法等方法，保證地鐵隧道變形控制在允許范圍內(nèi)。4)在頂管上穿地鐵2號(hào)線期間，對(duì)地面和2號(hào)地鐵隧道內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，依靠監(jiān)測(cè)信息指導(dǎo)施工，按建立的不同安全級(jí)別預(yù)警機(jī)制，制定針對(duì)性強(qiáng)的突發(fā)應(yīng)急方案。

4 結(jié)語(yǔ)

本例頂管施工幾乎涵蓋了當(dāng)前頂管工程中遇到的覆土淺、大斷面、多管小間距、上穿近鄰地鐵隧道、周邊環(huán)境保護(hù)要求高等復(fù)雜、特殊的施工條件。

施工中通過(guò)合理部署施工工序、嚴(yán)控各項(xiàng)施工技術(shù)參數(shù)、嚴(yán)控糾偏量，精心組織開(kāi)挖面土壓平衡管理，優(yōu)化渣土改良，重視注漿管理和監(jiān)控量測(cè)信息管理，確保了本工程安全、順利實(shí)施。從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，貫通誤差±30 mm、沉降量18 mm、隧道位移6 mm以內(nèi)，保證了工程質(zhì)量。

[1] 余彬泉，陳傳燦.頂管施工技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，1998:117.

[2] 王家祥.大斷面小間距矩形頂管施工關(guān)鍵技術(shù)[J].施工技術(shù)，2013(10)：3-4.

[3] 曹海軍.大斷面矩形頂管施工技術(shù)例析[J].建筑，2014(7)：66.

[4] 趙 明.頂管機(jī)及頂管施工技術(shù)(下)[J].工程機(jī)械與維修，2010(9)：132-133.

[5] 葉耀東.大斷面矩形頂管近距離上穿地鐵隧道變形控制探討[J].城市道橋與防洪，2015(7):203-204.

Application of rectangle soil-pressure jacking pipe technology in subway construction

Duan Baoyuan Jiang Guiliang

(ChinaHydropower4thEngineeringBureauCo.,Ltd,Xining810007,China)

In light of busy city ground traffic and complicated underground pipeline status, taking Shenzhen subway line No.7 rectangle channel as an example, applying soil pressure balancing jacking pile construction technology, the thesis introduces the large-section rectangle jacking pile construction principles, technological procedures and critical control techniques, with a view to provide some guidance for similar engineering construction in future.

large section, rectangle jacking pipe, construction technology, rectangle channel

1009-6825(2017)18-0161-03

2017-04-20

段寶元(1976- )，男，工程師

U455.47

A