葉麗宏,蔣少煒

(1.浙江工程建設管理有限公司,浙江 杭州 310012；2.杭州經濟技術開發(fā)區(qū)人力資源開發(fā)有限公司,浙江 杭州 310018)

雖然我國在盾構地下管廊和隧道施工技術上有了一定的成就,但對于超長大截面矩形“盾構式”頂推施工的案例卻相對較少,其施工過程遇到的技術問題仍需進行不懈地研究和積累。而盾構技術問題主要包括隧道管片設計問題、開挖面的穩(wěn)定問題、盾構姿態(tài)控制問題以及盾構施工對周圍環(huán)境的影響問題[1-2]。在此,本文針對項目中的超長大截面“盾構式”頂推施工特點進行論述,以解決施工中遇到的以上幾個問題。

1 項目綜述

杭州市德勝路(機場路—九環(huán)路)地下綜合管廊工程Ⅱ標段西起杭甬高速西側,全長2 561.38 m。本次非開挖矩形頂管工程共兩段,一段為下穿杭甬高速,全長154.6 m；另一段為下穿三污干管段,全長106.5 m。矩形管廊管節(jié)外輪廓尺寸為7.5 m×5.4 m,頂板和底板厚度為0.55 m,中隔墻厚度為0.30 m,標準管節(jié)長度1.50 m。矩形頂管機型號：CTE7520×5 420,主機總長5 668 mm,總重約250 t。

1.1 工程概況

1.1.1 工作井概況

矩形頂管下穿杭甬高速段1、2號工作井基坑圍護采用800 mm厚地下連續(xù)墻；下穿三污干管段3、4號工作井基坑圍護采用1 000 mm厚地下連續(xù)墻。地下連續(xù)墻實施前先進行圍護結構壁的坑內外三軸水泥攪拌樁槽壁加固,地下連續(xù)墻完成后對坑內土體進行滿堂三軸水泥攪拌樁地基加固,加固深度為坑底至坑底以下3 m。

1.1.2 頂管結構概況

頂管采用土壓平衡式矩形盾構頂管法施工,分南北兩幅。矩形頂管結構下穿杭甬高速,結構頂距離高速路面約8.6 m,結構邊距離德勝出口匝道橋樁基礎最近約3.05 m,頂管工作井距離高速道路邊線最近距離約為19.8 m。矩形頂管結構下穿三污干管,結構頂距離三污干管底面約4.25 m。頂管完成后與構筑物相交處進行結構外側側邊、頂面二次注漿加固。

1.2 技術概況

1.2.1 頂管主要施工流程

施工流程如下：

1)頂管機設備吊裝；2)頂管頂進施工；3)頂管出渣；4)頂管管節(jié)吊裝；5)頂管管節(jié)拼裝。

1.2.2 頂進施工過程控制

劉毅[3]采用理論計算與數值擬合相結合的方法,計算土倉和掘進面的等效壓力,從而推導出隧道開挖所需的頂進推力。

1)頂進推力控制 頂管機頂進推力由設置于始發(fā)工作井的頂推系統(tǒng)提供(圖1),頂推力隨頂管頂進不斷增加,頂推系統(tǒng)中的液壓千斤頂使用數量也逐漸增加,保證頂進過程中千斤頂所能提供頂推力的70%大于所需頂推力。

頂推油缸最大工作壓力可達到35 MPa,最大頂推力可達到60 610 kN。

圖1 頂推系統(tǒng)示意圖

2)土倉壓力控制 頂管機正面設置有隔膜壓力計,施工前根據地質情況及埋深,初步設定土倉壓力控制值,頂進過程中通過沉降觀測及時調整土倉壓力的實際控制值。施工中利用頂管機的頂推速度和螺旋輸送機的出土速度共同來控制土倉內土壓力。

3)頂進速度控制 本工程頂管斷面大、覆土淺,必須緩慢、勻速向前推進。初始階段一般控制在5～10 mm/min,正常施工階段可控制在10～15 mm/min。

按平均10 mm/min計算,頂管每分鐘出土量0.4 m3,土斗設計容積為9 m3,土體按照1.16倍的松散系數計算,土斗實際容納土方約7.8 m3,每斗土頂進出土時間約為19.5 min,頂進約0.2 m。

4)出土量控制 頂進施工中出土量采用容積控制法,每環(huán)出土量約58 m3,每環(huán)頂進、出土須7.5個循環(huán)。

根據每次統(tǒng)計出土量,核算1環(huán)頂進完成后出土總量是否符合要求。頂進速度控制流程見圖2。

圖2 頂進速度控制流程圖

1.2.3 注漿系統(tǒng)控制

1)渣土改良 根據設計圖紙及施工現(xiàn)場實際情況,頂管掘進區(qū)段為①1層黏質粉土、①2層砂質粉土、 ②2粉砂夾粉土,且含水量豐富。

頂管機配置膨潤土和泡沫兩套改良系統(tǒng),可單獨使用,也可同時使用。6個刀盤的每根輻條上均布置碴土改良孔,掘進過程中,通過管路將碴土改良劑送至土倉,改良土體,使渣土具有較好的塑性、流動性和止水性。

2)觸變泥漿 頂管管節(jié)設置16(14)個觸變泥漿注漿孔,壓注觸變泥漿填充管道的外周空隙以減少地層損失，控制地面沉降和減少頂進阻力。頂進時及時壓漿,注漿壓力控制在0.5～0.9 MPa,確保形成完整、有效的泥漿套,并遵循“先壓后頂、隨頂隨壓、及時補漿”的原則。觸變泥漿配比見表1。

表1 觸變泥漿配比

1.2.4 頂管姿態(tài)控制

1)機頭旋轉控制 矩形頂管由6個刀盤組成,兩側刀盤轉動為對向啟動,保證機頭平衡(圖3)。黃健[4]論證了不同結構的刀盤適應于不同的工程環(huán)境。本項目據此針對異型盾構技術的難點開展了相關的研究和工程實踐活動：當頂進過程中出現(xiàn)機頭旋轉角度過大后,采取旋轉超高側增加配重，泥土泵打土，調節(jié)左右兩個螺旋機出土速度等措施逐步糾偏。

圖3 機頭旋轉控制示意圖

2)軸線偏移控制 頂管機掘進過程中偏離設計軸線不大于±30 mm,推進過程中密切關注導向系統(tǒng)測量情況,適時啟動糾偏系統(tǒng)油缸,確保頂管姿態(tài)偏差在允許范圍內。同時,每2天進行一次人工測量,修正導向系統(tǒng)測量數據。

2 頂管施工過程中的重點控制

2.1 頂管始發(fā)或到達的安全控制

頂管的始發(fā)與到達是頂管施工中最易出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié),常會因為頂管施工始發(fā)或到達過程中定位不準確,方向控制不好,或者端頭加固的質量問題,導致始發(fā)、到達時出現(xiàn)坍塌、突泥、涌水,嚴重影響施工安全。同時,由于盾構頂管到達時容易造成掌子面土體破壞,頂管施工的觸變泥漿泄露,導致地層沉降超限,管節(jié)摩擦力超限,頂推無法實施。

2.2 頂管施工的沉降控制

由于頂管和管節(jié)頂板面積巨大,上覆土形成受力拱的作用大大減弱,上覆土發(fā)生沉降的敏感度較強。

同時,由于頂管機開挖橫斷面增大后,存在碴土改良的不均勻性,超大斷面矩形土倉內各點的土壓力可能會有差別,對開挖面的穩(wěn)定帶來不利影響。而螺旋輸送機數量的增加,又增加了各點出土量控制的難度,開挖面有可能出現(xiàn)局部超挖。

2.3 頂管施工的姿態(tài)控制

由于矩形盾構頂管橫斷面尺寸增大,同時可能存在開挖面各點壓力差別,調向糾偏的難度增大,或者超大斷面矩形盾構頂管在推進的過程中可能由于側向受力不均,或者地層不均勻導致矩形盾構頂管扭轉或者姿態(tài)難以控制；特別是由于橫斷面尺寸大,頂管或管節(jié)發(fā)生滾轉偏差對管廊凈空位置的影響明顯,滾轉的糾偏也因此變得困難。

3 施工風險對策

3.1 頂管始發(fā)、到達的安全風險對策

加強頂管在始發(fā)、到達段的推進控制?？刂坪庙敼茏藨B(tài),在保證出碴量正常的前提下,盡量快速完成頂管的始發(fā)與到達。

3.1.1 頂管始發(fā)

按照要求完成端頭加固,對加固區(qū)域進行垂直取芯,檢查其加固的完整性和強度?？刂剖及l(fā)臺安裝和調試后,對地下水應該嚴格控制,設置端頭降水井,降低地下水水位。動態(tài)防水、洞圈保壓功能采用雙層橡膠簾布板+雙層折頁板裝置。頂管始發(fā)期間,控制頂進速度5～10 mm/min勻速推進。

在洞門鑿除前,對要鑿除的洞門范圍內邊角及中心位置分別進行水平和傾斜探孔,孔深以不打穿加固體為好,一旦發(fā)現(xiàn)存在問題即進行二次補充加固,確保加固體的整體、連續(xù),無加固盲區(qū)。預先安裝洞門圈預埋鋼環(huán),始發(fā)時采用延長洞門加2道簾布橡膠板道作為洞門密封,并在延長洞門上預留注漿口,避免在始發(fā)過程中及整個推進過程中管節(jié)長時間摩擦洞門密封導致密封被破壞,以確保工程安全。

3.1.2 頂管接收

頂管機達到接收范圍前,安排測量組對頂管機姿態(tài)進行復測、糾偏。

在頂進最后三環(huán)管節(jié)時,在盾構頂管機后注入高稠度泥漿,防止到達時漏漿。

頂管頂進至設計位置后,對頂管機尾部管節(jié)采用水泥漿進行固結施工,固結完成后方可采用脫管油缸進行機管分離,防止?jié){液流失。到達加固體后、掌子面前,低推力,低轉速,盡可能的多出土,晚破壞掌子面；掌子面破壞后要快速地推出,以防止漏泥漏水。

頂管機脫離管節(jié)后,距洞門環(huán)梁混凝土澆筑存在較長時間,且該部位管節(jié)周邊空隙較大,頂管機脫離后須立即對空隙進行封堵,防止?jié)B漏水的形成。空隙封堵采用磚砌墻+鋼板進行,封堵完成后進行洞門環(huán)梁施工。

3.2 沉降風險對策

頂管以剛度作為結構設計指標,確保矩形平面結構在外土壓力下不變形或變形在允許范圍內,確保泥漿套的平滑和連續(xù)。頂管土倉內上下左右配置9個具有高靈敏度的壓力傳感器,能精確控制土倉壓力并進行土壓管理,以滿足地表沉降控制在允許的范圍內。管節(jié)也采用性能可靠的傳感器進行全面的各點壓力控制。

在頂進過程中密切關注壓力表數值,嚴控土倉壓力值,壓力上下波動值控制在0.2 bar以內。以防止施工過程中土壓控制出現(xiàn)“拉風箱”,破壞原狀地層。在保證土倉壓力的情況下嚴格控制出渣量和推進速度,頂進施工應勻速連續(xù),頂進速度不超過10 mm/min。根據頂進距離嚴格控制出碴量,出碴量以98%～102%為好,在遇到富水砂層等不良地層時,改用膨潤土、聚合物等進行針對性碴土改良。

當頂進過程中出現(xiàn)出土量超多,導致地面沉降的情況,可采用泥土泵進行打土回填,填充密實后再繼續(xù)向前掘進施工。管節(jié)制作過程中確保外壁光滑,能夠有效地減少推進阻力和“背土”現(xiàn)象,有效控制沉降。

3.3 姿態(tài)糾偏對策

1)在盾體設計上將頂管前盾的長度設計得稍短,以便減少鉸接點到刀盤的距離,使鉸接力能夠有效地傳遞到刀盤便于轉向。

2)當發(fā)生滾轉偏差和尾盾中線偏差時,說明前盾的糾偏力已經不足,此時借助于在盾體上的預留孔和糾偏泥漿注入系統(tǒng),在需要的位置向地層注入糾偏泥漿,依靠泥漿對地層的壓力和地層微量的壓縮性進行糾偏。

3)對于導向系統(tǒng),采用激光導向系統(tǒng),控制頂管推進5個方向自由度,保證頂管頂進方向的正確。

4)通過6個刀盤的同向轉動使頂管獲得某個方向的反扭矩,達到輔助滾轉糾偏目的。

4 結 語

截至2018年11月7日，本工程全線順利貫通,下穿滬杭甬高速公路的矩形頂管段長度位居全國第一,亞洲第二,同時也是浙江省矩形頂管口徑最大的綜合管廊。建設期間,高速路網不封閉、不降速、不限流,完全不受施工影響。下穿三污干管矩形頂管段是本次工程中施工難度最大的一段,通過科研攻關,最終將每天的沉降量控制在1 mm以內,累計沉降不超過20 mm,確保了三污干管運營萬無一失。

超長大截面矩形盾構式頂管技術目前在國內僅在上海、鄭州、天津、寧波等城市運用,杭州是首次采用該技術工藝。本工程地質主要為粉質黏土,極易造成地面下沉,同時超大斷面又增加了掘進難度,對施工工藝要求極高。本工程2臺 “雙子星”矩形頂管機,通過兩層六刀盤布置形式,相鄰刀盤的切削區(qū)域相互交叉,極大地提高了斷面開挖覆蓋率；同時多刀盤小范圍掘進方式加上輔助糾偏系統(tǒng),對地層擾動少,地表沉降大大降低。