武 兆 玉

(中鐵上海工程局集團(tuán)華海工程有限公司，上海 200000)

0 引言

隨著城市綜合管廊、海綿城市等新興建筑市場(chǎng)發(fā)展的方興未艾，頂管技術(shù)由于其施工時(shí)間短，對(duì)工程周邊環(huán)境影響小，不需要開(kāi)挖面層就能穿越地下構(gòu)筑物、道路、河道等障礙物，較明挖法和暗挖法相比優(yōu)勢(shì)比較明顯，在目前的城市地下工程中逐漸得到應(yīng)用。本文以某城市綜合管廊項(xiàng)目的頂管施工工程為例，介紹大斷面長(zhǎng)距離矩形頂管施工技術(shù)在城市綜合管廊中的應(yīng)用。

1 工程概述

1.1 工程概況

該項(xiàng)目位于某市城北東路與齊門(mén)北大街相交處附近，設(shè)計(jì)里程為GCB2+180.786～GCB2+414.386段，頂進(jìn)長(zhǎng)度233.6 m，頂管施工段平均管頂覆土厚度約為9 m。綜合管廊采用斷面尺寸為5.5 m×9.1 m，壁厚650 mm，內(nèi)徑為4.2 m×7.8 m。管節(jié)長(zhǎng)度為1.5 m/節(jié)，單節(jié)重約66.8 t；管節(jié)混凝土強(qiáng)度為C50，抗?jié)B等級(jí)為P8。頂管結(jié)構(gòu)全部采用預(yù)制矩形鋼筋混凝土管節(jié)，管節(jié)接口采用“F”型承插式。管廊頂管標(biāo)準(zhǔn)斷面圖見(jiàn)圖1，頂管施工完成后斷面圖見(jiàn)圖2。

1.2 工程地質(zhì)

頂管穿越地層為粉砂夾粉土、粉土層，局部下穿元和塘河道處頂管頂部存在淤泥，地下水豐富。為確保結(jié)構(gòu)物的安全，頂管擬采用組合式刀盤(pán)的土壓平衡式矩形頂管機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)施工，控制地面沉降。設(shè)計(jì)縱坡度-3‰。

2 施工特點(diǎn)

1)本工程綜合管廊矩形頂管斷面尺寸9.1 m×5.5 m，屬超大斷面頂管，且一次頂進(jìn)長(zhǎng)度233.6 m，為目前國(guó)內(nèi)非開(kāi)挖矩形頂管工程最長(zhǎng)距離頂管，也是目前國(guó)內(nèi)綜合管廊建設(shè)中的首創(chuàng)。施工時(shí)容易產(chǎn)生土體擾動(dòng)等質(zhì)量問(wèn)題。

2)頂管施工穿越地層含容易產(chǎn)生液化的含水粉砂夾粉土、粉砂層，易導(dǎo)致涌水、涌砂及地面坍塌的發(fā)生，施工風(fēng)險(xiǎn)大。頂管機(jī)始發(fā)、接收均需采取針對(duì)性措施，長(zhǎng)距離頂進(jìn)施工阻力較大。

3)距離頂管接收井11.225 m處為元和塘河，河寬39.01 m，頂管位于元和塘河床下約3.5 m深度穿越，河水常水位深2.8 m，覆土厚度較薄，工程地質(zhì)及水文條件復(fù)雜。

4)管廊近鄰齊門(mén)立交，距離齊門(mén)立交承臺(tái)最近水平距離為0.8 m，位于承臺(tái)以下5.0 m，距離最近樁基礎(chǔ)水平距離為1.1 m，頂進(jìn)施工風(fēng)險(xiǎn)高。

3 頂進(jìn)施工關(guān)鍵點(diǎn)的控制

3.1 機(jī)械設(shè)備的選擇

3.1.1矩形頂管機(jī)的選型

采用多刀盤(pán)土壓平衡頂管機(jī)，基本原理是電機(jī)通過(guò)安裝在隔艙板上的減速器驅(qū)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)，刀盤(pán)切削掌子面并將切削下來(lái)的泥土在泥土倉(cāng)內(nèi)進(jìn)行土體改良形成塑性體泥團(tuán)，通過(guò)螺旋出土器控制排土量來(lái)平衡土壓力和地下水壓力。頂管機(jī)下部設(shè)有螺旋輸送機(jī)喂料口，切削下來(lái)的土體通過(guò)螺旋輸送機(jī)排出。由于前殼體被隔艙板隔離成前面的土壓倉(cāng)和后面的動(dòng)力倉(cāng)兩部分，地下水無(wú)法滲透進(jìn)來(lái)，因此多刀盤(pán)土壓平衡頂管機(jī)可在高地下水位以下進(jìn)行頂管施工，有效控制地面沉降。

3.1.2頂管機(jī)頭

本工程采用土壓平衡式9 100×5 500矩形頂管機(jī)掘進(jìn)施工，頂管機(jī)機(jī)頭共布置7個(gè)刀盤(pán)進(jìn)行切削，其中1個(gè)大刀盤(pán)直徑4 200 mm；2個(gè)中等刀盤(pán)直徑為2 980 mm；2個(gè)中等刀盤(pán)直徑2 520 mm；2個(gè)小刀盤(pán)直徑1 450 mm。同時(shí)2個(gè)螺旋出土機(jī)配合特制的斗車(chē)出土。

3.1.3推進(jìn)系統(tǒng)

推進(jìn)系統(tǒng)采用主頂設(shè)備30臺(tái)200 t千斤頂，有效頂程35 cm。頂管頂進(jìn)長(zhǎng)度達(dá)233.6 m，設(shè)置2道中繼間，布置80臺(tái)50 t千斤頂，有效頂程30 cm。糾偏系統(tǒng)由24臺(tái)200 t雙作用油缸及控制閥件組成，油缸呈斜向45°正交布置，每個(gè)糾偏油缸都通過(guò)萬(wàn)向鉸將頂管掘進(jìn)機(jī)前后殼體連接在一起，使頂管機(jī)能在一定范圍內(nèi)任意做出糾偏動(dòng)作。糾偏行程20 cm，糾偏角度水平1.3°，上下2.3°。

3.2 頂管機(jī)進(jìn)、出洞施工技術(shù)

3.2.1頂管進(jìn)洞段施工

1)始發(fā)井基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ1 200@1 400 mm鉆孔灌注樁支護(hù)，外側(cè)設(shè)雙排φ850@600三軸攪拌樁作止水帷幕，鉆孔樁采用C30水下混凝土。鉆孔樁與止水帷幕、雙排鉆孔樁之間接縫采用φ800@400 mm高壓旋噴樁進(jìn)行止水及接縫處理。始發(fā)井端頭采用φ850@600 mm三軸攪拌樁加固，加固寬度19.2 m，厚度7.0 m，深度15.50 m。后靠墻采用φ850@600 mm三軸攪拌樁扇形加固，加固寬度20.50 m～44.50 m，厚度12.00 m，深度15.50 m。

2)始發(fā)及接收洞門(mén)鑿除采用先降水后鑿除的方法。測(cè)量放線確定始發(fā)門(mén)鑿除范圍，洞門(mén)止水圈預(yù)留約20 cm的建筑空隙。在洞門(mén)圈范圍布設(shè)9個(gè)水平取芯鉆探觀察孔，通過(guò)芯樣觀察判斷端頭加固區(qū)土體加固狀況，再根據(jù)芯樣及滲水情況，決定是否對(duì)土體進(jìn)行補(bǔ)充加固。對(duì)預(yù)留洞口處頂管機(jī)頂進(jìn)時(shí)所遇到的樁做標(biāo)記，從上往下，由外向內(nèi)間隔清除鉆孔樁，每次鑿除厚度1/2樁徑，約600 mm厚，每次鑿除前，先用水鉆進(jìn)行鉆孔取樣。當(dāng)發(fā)現(xiàn)樁后軟弱或存在涌水、塌陷及其他不良地質(zhì)時(shí)，要及時(shí)與設(shè)計(jì)聯(lián)系，地質(zhì)未經(jīng)加固處理前不得鑿除洞門(mén)。等頂管機(jī)設(shè)備安裝調(diào)試完成再鑿除樁身剩余的一部分，樁身全部破除完成并清理完后推進(jìn)頂管機(jī)機(jī)頭。

3)頂管機(jī)刀盤(pán)正面為全斷面的三軸攪拌樁水泥土，為保護(hù)刀盤(pán)，頂進(jìn)速度控制在0.5 cm/min～1 cm/min。螺旋機(jī)出土困難時(shí)，可加入適量清水來(lái)軟化或潤(rùn)滑水泥土。頂管機(jī)進(jìn)入原狀土后，為防止機(jī)頭“磕頭”，宜適當(dāng)提高頂進(jìn)速度，使正面土壓力稍大于理論計(jì)算值，以減少對(duì)正面土體的擾動(dòng)及出現(xiàn)地面沉降。

頂管機(jī)徹底進(jìn)入洞門(mén)后，需檢查洞口止水裝置是否有損壞，如有損壞應(yīng)立即整修，確保泥水、漿液的不外漏。

3.2.2頂管正洞段頂進(jìn)施工

1)頂進(jìn)速度。

本段頂管基本處于同一地層，頂進(jìn)過(guò)程可以根據(jù)監(jiān)測(cè)變形情況動(dòng)態(tài)調(diào)整頂進(jìn)速度。初始階段不宜過(guò)快，一般控制在5 mm/min～10 mm/min左右，正常施工階段可控制在10 mm/min～20 mm/min左右。此外，在采取注漿減阻措施后可根據(jù)頂力情況合理調(diào)整頂進(jìn)速度。

2)出土量控制。

嚴(yán)格控制出土量，防止超挖或欠挖，正常情況下出土量控制在理論出土量的98%～100%，一節(jié)管節(jié)的理論出土量為75 m3。考慮加入土體改良劑因素，實(shí)際一節(jié)管節(jié)出土量在80 m3～85 m3左右。采用礦物類(lèi)改良劑，其主要材料為膨潤(rùn)土，改良劑試驗(yàn)主要確定膨潤(rùn)土漿液、泡沫劑與土體的配比，初始配合比為膨潤(rùn)土98 kg、粘土392 kg、水812 kg。

頂管工程中，嚴(yán)格控制土體切削掌握的尺度，防止超量出土，確?？刂坡菪鐾亮颗c頂管機(jī)頭刀盤(pán)削土量應(yīng)相一致，減小對(duì)管節(jié)周?chē)耐馏w影響，從而才能保證地面不受影響。

3)姿態(tài)測(cè)量控制。

a.頂管機(jī)監(jiān)測(cè)：頂進(jìn)過(guò)程中，如果有變化立即糾偏，糾偏過(guò)程中不能大起大落，避免頂管機(jī)走“蛇”形。在頂管機(jī)胸板上設(shè)置3個(gè)光靶，采用三臺(tái)激光儀對(duì)頂管機(jī)姿態(tài)(軸線、水平、扭轉(zhuǎn))進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)每天采用全站儀進(jìn)行一次人工復(fù)測(cè)，以確保測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。每天將測(cè)量數(shù)據(jù)整理繪制頂管機(jī)實(shí)際頂進(jìn)路線，與設(shè)計(jì)路線進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)設(shè)備自身的監(jiān)測(cè)儀和傾斜儀上的數(shù)據(jù)決定是否糾偏及如何糾偏。在頂進(jìn)過(guò)程中重點(diǎn)注意機(jī)頭的轉(zhuǎn)角，機(jī)頭一旦出現(xiàn)微小轉(zhuǎn)角，應(yīng)立即采取刀盤(pán)反轉(zhuǎn)、加壓鐵等措施回糾。

b.管節(jié)監(jiān)測(cè)：管節(jié)安裝完畢后，在管節(jié)中部及兩側(cè)位置標(biāo)示出測(cè)量點(diǎn)，在頂進(jìn)過(guò)程中定期監(jiān)測(cè)管節(jié)姿態(tài)及位移，并作好記錄。頂進(jìn)軸線偏差控制要求：高程+30 mm，-50 mm；水平：+50 mm。

4)采取管節(jié)外涂蠟和觸變泥漿兩種方式減少頂進(jìn)減阻。

在頂管管節(jié)吊裝下井前，對(duì)預(yù)制管節(jié)外壁四周涂蠟、烤烘處理，利于管節(jié)頂進(jìn)施工。觸變泥漿原材料采用膨潤(rùn)土、水、純堿和CMC，每立方米配合比分別為400 kg,850 kg,6 kg和2.5 kg。壓漿時(shí)必須堅(jiān)持“隨頂隨壓、逐孔壓漿、全線補(bǔ)漿、漿量均勻”的原則。每節(jié)管節(jié)上均勻布置14個(gè)DN25鋼管壓漿孔，從底部往上部的順序開(kāi)始?jí)簼{。每節(jié)管節(jié)觸變泥漿理論量為1.58 m3/環(huán)，注漿壓力大于0.18 MPa。

3.2.3頂管出洞段頂進(jìn)施工

1)接收井基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與始發(fā)井相同，接收端加固采用φ850@600 mm三軸攪拌樁加固，加固寬度18.0 m，厚度5.0 m，深度15.50 m。接收洞門(mén)鑿除順序與始發(fā)井相同，待頂管機(jī)靠近鉆孔灌注樁50 cm左右，再鑿除剩余一半的混凝土結(jié)構(gòu)，完成后頂管機(jī)頂進(jìn)接收坑。2)在頂管到達(dá)距接收井6 m后，開(kāi)始停止第一節(jié)管節(jié)的壓漿，并在以后頂進(jìn)中壓漿位置逐漸后移，保證頂管接收前形成完好的6 m左右的土塞，防止頂管機(jī)頂進(jìn)接收井時(shí)帶出水、土，發(fā)生涌砂涌泥等不良現(xiàn)象。3)在頂管機(jī)刀盤(pán)進(jìn)入接收井洞口加固區(qū)域時(shí)，應(yīng)適當(dāng)減慢頂進(jìn)速度，調(diào)整出土量，逐漸減小頂管機(jī)掌子面頂力，以確保前方土體穩(wěn)定及洞口結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

3.3 施工監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)初始值的測(cè)量時(shí)間為頂管施工前先進(jìn)行，測(cè)量出未施工前各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的初始值。

監(jiān)測(cè)開(kāi)始時(shí)間與頂管始發(fā)時(shí)間同步，結(jié)束時(shí)間為頂管頂進(jìn)完成后一個(gè)月或者沉降穩(wěn)定后。

監(jiān)測(cè)頻率為：頂進(jìn)始發(fā)時(shí)及經(jīng)過(guò)重要結(jié)構(gòu)物時(shí)按1次/d，正常頂進(jìn)過(guò)程中按1次/d～2次/d，頂管貫通道后按1次/3 d～1次/5 d。

3.4 接縫防水施工

1)采用預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度為C50，抗?jié)B等級(jí)為P8。管節(jié)接口采用“F”型承插式。2)每節(jié)管節(jié)安裝前,管節(jié)立面先粘貼止水圈及木襯墊，管節(jié)與管節(jié)的接口部分按采用雙組分聚硫密封膏填充嵌填。3)頂進(jìn)完成后，利用觸變泥漿注孔注入1∶1的水泥漿填充料，將管壁外觸變泥漿置換為水泥漿，增加管外壁土體的密實(shí)度，固結(jié)通道連成整體防止管節(jié)出現(xiàn)不均勻沉降的現(xiàn)象。4)過(guò)河段管節(jié)與管節(jié)之間采用剛性連接連成整體，防止不均勻沉降導(dǎo)致管節(jié)縫滲水。

4 解決的關(guān)鍵問(wèn)題

4.1 下穿元和塘河床頂進(jìn)施工

1)在頂管施工前對(duì)河床底板采用800 cm厚鋼筋混凝土板進(jìn)行預(yù)加固，混凝土強(qiáng)度不小于C30，加固范圍為39 m×19.1 m×0.8 m,并進(jìn)行上部堆載反壓。采用半幅河床填筑臨時(shí)圍堰交替施工;2)頂管始發(fā)至穿越前20 m作為穿越前試驗(yàn)段。對(duì)頂進(jìn)參數(shù)、軸線、頂管機(jī)姿態(tài)及地面變形情況等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合匯總分析，指導(dǎo)后續(xù)穿越段施工。核準(zhǔn)穿越段里程并將穿越前后10 m列入穿越段范圍;3)遵循“勤測(cè)勤糾”原則。減少因糾偏產(chǎn)生的對(duì)周邊土體的擾動(dòng)；4)加強(qiáng)穿越過(guò)程中對(duì)河床的監(jiān)測(cè)。并根據(jù)需要通過(guò)管節(jié)預(yù)設(shè)注漿孔及時(shí)進(jìn)行跟蹤注漿；5)頂管穿越河床段時(shí)，加強(qiáng)對(duì)減摩泥漿質(zhì)量、壓力和壓注量的控制，確保減摩泥漿套的完整，減少頂進(jìn)阻力；6)必須在土壓平衡狀態(tài)下進(jìn)行頂管頂進(jìn)，過(guò)程中嚴(yán)格控制出土量；7)在頂管通道內(nèi)裝瓦斯檢測(cè)儀，特別在頂管過(guò)河段施工前需檢測(cè)是否有沼氣，做好通風(fēng)措施。

4.2 近臨齊門(mén)立交橋墩及基礎(chǔ)頂進(jìn)施工

1)在頂管穿越施工前，再次復(fù)核頂管頂進(jìn)路線，確認(rèn)頂管與橋墩樁基的相對(duì)位置，確保頂管以良好的姿態(tài)進(jìn)行穿越。

2)嚴(yán)格控制頂管的施工參數(shù)，防止超挖、欠挖。合理控制頂進(jìn)速度，保持施工的連續(xù)性和穩(wěn)定性，嚴(yán)格控制頂進(jìn)的糾偏量，盡量減少對(duì)正面土體及前方土體的擾動(dòng)。頂進(jìn)過(guò)程中將頂管機(jī)頭通過(guò)橋樁的時(shí)間盡量安排在夜間地面車(chē)輛較少的時(shí)間段，減小地面車(chē)輛行走引起的振動(dòng)荷載對(duì)施工的影響。

3)頂進(jìn)前對(duì)頂管穿越段附近立交橋標(biāo)高進(jìn)行重新測(cè)量，并布置沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)及時(shí)掌握橋樁的沉降情況。

5 結(jié)語(yǔ)

該項(xiàng)目下穿元和塘河和某單位居民樓，近鄰齊門(mén)立交橋墩、新蘇吳天地以及其他八個(gè)建(構(gòu))筑物，下穿地下通信、雨水、給水、信息、電纜、燃?xì)獾雀鞣N管道。采用頂管施工，避免了明挖施工時(shí)產(chǎn)生的交通、拆遷安置、工期無(wú)法保障等諸多的問(wèn)題，具有施工快速、擾民少、工期可控等優(yōu)點(diǎn)，產(chǎn)生了良好的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。目前該工程已順利施工完畢，圓滿克服了以上施工難題，達(dá)到了良好的效果。這項(xiàng)技術(shù)比較具有推廣價(jià)值，為類(lèi)似工程施工提供技術(shù)借鑒作用。

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