胡寶生

(中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司， 重慶 401121)

隨著我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，越來越多的城市正加速現(xiàn)代化進(jìn)程，城市發(fā)展的容量和體量越來越大，因此要求基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)采用先進(jìn)工藝工裝，以減少征遷工作量、減少對既有運(yùn)營交通的影響、減少對周圍居民及行人的影響，因此盾構(gòu)頂管施工技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。盾構(gòu)頂管法是繼盾構(gòu)法之后發(fā)展起來的一種地下空間施工技術(shù)，它是借助于頂管機(jī)主頂油缸及中繼間的頂推力，使掘進(jìn)機(jī)從工作井內(nèi)始發(fā)穿越既有設(shè)施，并掘進(jìn)至接收井起吊，預(yù)制管片跟隨掘進(jìn)同步安裝。此技術(shù)無需破壞既有設(shè)施，能夠穿越公路、鐵路、河川、地面建筑物、地下構(gòu)筑物以及各種地下管線，具有安全、快捷、施工干擾小等特點(diǎn)。

1 我國矩形隧道掘進(jìn)機(jī)施工技術(shù)現(xiàn)狀

自從英國人布魯諾首次采用矩形盾構(gòu)機(jī)修建倫敦泰晤士河底隧道以來，至今已逾170多年，在之后的發(fā)展進(jìn)程中，盾構(gòu)機(jī)作為地下工程設(shè)備，幾經(jīng)發(fā)展和變化，施工工藝和設(shè)備也在不斷的實(shí)踐中得到發(fā)展和提高[1]。20世紀(jì)50年代我國開始進(jìn)行頂管施工技術(shù)試驗(yàn)和研究，最初為手掘式頂管，設(shè)備簡陋；20世紀(jì)60年代至70年代，上海成功研制出小口徑土壓式機(jī)械頂管機(jī)；1978年前后，上海成功研制擠壓法頂管；1984年前后，隨著我國改革開放政策的推廣，全國各地相繼引進(jìn)國外先進(jìn)的機(jī)械頂管設(shè)備，同時(shí)引進(jìn)一些頂管分析理論、施工技術(shù)和管理經(jīng)驗(yàn)，此后機(jī)械頂管技術(shù)和理論出現(xiàn)飛躍發(fā)展，由泥水(土壓)平衡掘進(jìn)機(jī)和多刀盤土壓平衡掘進(jìn)機(jī)等先進(jìn)頂管設(shè)備和技術(shù)代替簡單的手掘式頂管施工。頂管管節(jié)也由最初的圓形頂管，演變成了矩形頂管、類矩形頂管等各類異形頂管。

目前，我國矩形頂管裝備制造及施工工藝已非常成熟，矩形頂管法施工技術(shù)已廣泛應(yīng)用于地鐵隧道、高速公路下穿、市政主干道下穿、地下停車場、綜合管廊、電纜隧道等領(lǐng)域的工程建設(shè)，在全國已有數(shù)十個(gè)項(xiàng)目的成功應(yīng)用，如表1所示。

表1 代表性矩形盾構(gòu)頂管隧道

隨著我國矩形斷面隧道的廣泛應(yīng)用，大斷面、長距離及曲線頂進(jìn)的矩形隧道不斷涌現(xiàn)，越來越多設(shè)備的制造商集中開發(fā)盾構(gòu)設(shè)備、研究盾構(gòu)適應(yīng)技術(shù)，而對大斷面類矩形盾構(gòu)頂管施工風(fēng)險(xiǎn)的研究卻少之又少；鑒于施工風(fēng)險(xiǎn)分析是項(xiàng)目是否可行的關(guān)鍵，項(xiàng)目實(shí)施前，風(fēng)險(xiǎn)和對策研究對矩形盾構(gòu)頂管技術(shù)的應(yīng)用至關(guān)重要，因此，筆者就矩形盾構(gòu)頂管施工技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和對策的關(guān)鍵問題進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和綜述。

2 大斷面類矩形盾構(gòu)頂管工法主要施工風(fēng)險(xiǎn)及對策

2.1 超大斷面開挖引起地表沉降風(fēng)險(xiǎn)[2]

根據(jù)不同工程需要進(jìn)行不同刀盤開挖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，矩形盾構(gòu)頂管施工關(guān)鍵是控制地表沉降[3]，針對不同地層巖性，對矩形掘進(jìn)機(jī)開挖方式進(jìn)行對比分析，以期找到更適宜項(xiàng)目的開挖技術(shù)，如表2所示。分析表2可知，采用組合多刀盤聯(lián)合[4]開挖方式，對土體擾動小，設(shè)備加工相對簡單，設(shè)備后期運(yùn)行可靠性較高。

表2 矩形掘進(jìn)機(jī)開挖方式

2.2 超大斷面管片吊裝、運(yùn)輸、安裝風(fēng)險(xiǎn)

目前已有2車道的施工案例，如鄭州市紅專路下穿中州大道隧道(斷面10.12 m×7.27 m)，天津黑牛城道下穿項(xiàng)目(斷面10.42 m×7.57 m)。3車道矩形頂管隧道方面，如浙江嘉興環(huán)城快速路項(xiàng)目(斷面14.9 m×9.46 m)，目前該項(xiàng)目已完成設(shè)計(jì)和招標(biāo)工作。超大斷面管片吊裝運(yùn)輸?shù)膯栴}可通過模塊化設(shè)計(jì)、分塊組裝的方式解決，即分塊運(yùn)輸、現(xiàn)場組裝[5]。預(yù)制管節(jié)分塊現(xiàn)場組裝示意如圖1所示，管節(jié)翻身如圖2所示。

2.3 長距離掘進(jìn)軌跡精確控制風(fēng)險(xiǎn)

1) 長距離掘進(jìn)軸線控制

采用UNS測量導(dǎo)向系統(tǒng)[6]和多維度位姿控制技術(shù)，為保證頂進(jìn)的測量精度，施工前對測區(qū)內(nèi)導(dǎo)線網(wǎng)與水準(zhǔn)網(wǎng)等進(jìn)行校核，對始發(fā)井和接收井坐標(biāo)及高程進(jìn)行聯(lián)測，以減少測量系統(tǒng)誤差。頂進(jìn)期間，利用UNS導(dǎo)向系統(tǒng)，隨時(shí)了解掘進(jìn)軌跡，發(fā)現(xiàn)誤差及時(shí)糾偏。其中，掘進(jìn)機(jī)標(biāo)靶測量[7]時(shí)，管內(nèi)控制測量采用支導(dǎo)線法、施工測量時(shí)觀測機(jī)頭標(biāo)靶的三維坐標(biāo)，對其水平偏差、垂直偏差及掘進(jìn)里程進(jìn)行復(fù)核。

(a) 管片分塊現(xiàn)場組裝

(b) 管片現(xiàn)場組裝成環(huán)

(a) 預(yù)制管節(jié)吊具

(b) 管節(jié)翻身架

管節(jié)軌跡偏移測量[8]時(shí)，在管節(jié)法蘭連接處，將水平尺兩端卡在管節(jié)上并保持水準(zhǔn)氣泡居中，觀測水平尺上反射片的十字絲得出三維坐標(biāo)(a,b,c)，根據(jù)坐標(biāo)反算可得測點(diǎn)處的里程S，依次推算出此里程處的設(shè)計(jì)值(X,Y,Z)，此里程的實(shí)際坐標(biāo)為(x,y,z)，其中：x=a,y=b,z=c+L-R，由實(shí)際值和理論值比較得出偏差值(ΔX,ΔY,ΔZ)。

2) 設(shè)備方面

通過調(diào)向系統(tǒng)的力位混合控制與雙螺旋輸送機(jī)協(xié)調(diào)出渣控制，保證姿態(tài)的穩(wěn)定。對于滾轉(zhuǎn)控制，盾殼上設(shè)計(jì)有水平傾角傳感器[9]，實(shí)時(shí)監(jiān)測滾轉(zhuǎn)姿態(tài)，并設(shè)置報(bào)警系統(tǒng)。在前盾周圈預(yù)留壓漿口，通過注入泥漿進(jìn)行糾偏；每個(gè)刀盤旋轉(zhuǎn)速度及方向均可調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)盾體滾轉(zhuǎn)糾偏。

2.4 長距離掘進(jìn)頂力不足風(fēng)險(xiǎn)

1) 注漿減摩技術(shù)[10]

在盾構(gòu)頂管施工過程中，有效降低頂推力是保證工程順利實(shí)施的一個(gè)關(guān)鍵因素。降低頂進(jìn)摩擦阻力最有效的方法是向盾體及管節(jié)外壁注入觸變泥漿，形成完整的潤滑漿套，將干摩擦滑動變成濕潤滑動，從而降低頂進(jìn)時(shí)的摩擦阻力，其綜合摩擦阻力比沒有注潤滑泥漿時(shí)低1/4～1/3。減摩泥漿系統(tǒng)分為同步注漿系統(tǒng)與補(bǔ)漿系統(tǒng)；同步注漿的目的是在設(shè)備掘進(jìn)的同時(shí)及時(shí)填充開挖間隙形成泥漿套，要求邊掘進(jìn)、邊注漿，壓力控制在0.1 MPa～0.15 MPa左右。補(bǔ)漿時(shí)，一般從機(jī)頭往后壓，一環(huán)一環(huán)的進(jìn)行補(bǔ)壓漿，先開后一環(huán)再關(guān)前一環(huán)，防止壓力過高擊穿泥漿套以及對閥門的破壞，壓力一般保持在0.1 MPa左右。

2) 中繼系統(tǒng)[11]

在減少摩擦力的同時(shí)，為了確保項(xiàng)目順利實(shí)施，還需配備中繼系統(tǒng)。頂進(jìn)過程中，先由若干個(gè)中繼間(中繼間間距根據(jù)頂力計(jì)算確定)按先后順序把管節(jié)向前推進(jìn)至油缸行程大小距離后，再由主頂油缸推進(jìn)最后一個(gè)區(qū)間的管節(jié)，這樣不斷地重復(fù)，一直到把管節(jié)從始發(fā)井頂?shù)浇邮站?。管?jié)貫通后，中繼間按先后順序拆除其內(nèi)部油缸后合龍。

2.5 淺覆土和周邊建(構(gòu))筑物沉降控制風(fēng)險(xiǎn)

控制沉降和保護(hù)周邊建(構(gòu))筑物[12]是盾構(gòu)頂管項(xiàng)目最關(guān)鍵的技術(shù)，因此在盾構(gòu)設(shè)計(jì)、制造[13]和施工工藝控制[14]上均須高度重視。

1) 采用多刀盤低擾動開挖系統(tǒng)[15]

該開挖系統(tǒng)由于多刀盤直徑較小，因此刀盤開挖邊緣線速度較小，即對上部土層擾動?。涣硗?，由于多刀盤在切削時(shí)，各個(gè)刀盤旋轉(zhuǎn)方向不一致，使掌子面受力相互抵消。此外，根據(jù)土拱效應(yīng)分析，單刀盤形成的土拱區(qū)域面積較大，容易造成土體沉降，因此對覆土要求高；而多刀盤由于刀盤直徑較小，會形成多個(gè)小的聯(lián)拱，因此能夠更好地實(shí)現(xiàn)超淺覆土及超小間距施工。

同時(shí)，多刀盤開挖將攪拌扭矩分散到多個(gè)小刀盤上，攪拌能力更強(qiáng)，所以矩形頂管機(jī)更能適應(yīng)滿倉掘進(jìn)，對開挖掌子面頂部形成有效支撐，能更好地控制沉降。多刀盤低擾動開挖系統(tǒng)工作示意如圖3所示。

圖3 不同開挖斷面刀盤速度分析

2) 合理設(shè)計(jì)矩形頂管盾體結(jié)構(gòu)[16]

矩形掘進(jìn)機(jī)刀盤開挖尺寸與前盾尺寸相同，開挖無間隙，且在環(huán)周焊有盾體切刀及切口耐磨層。前盾殼體與尾盾殼體齊平，尾盾殼體外徑要比管節(jié)外徑單邊大10 mm，但該間隙將及時(shí)注入減摩泥漿形成支撐，因此結(jié)構(gòu)上沒有形成沉降的物理空間。盾體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4矩形頂管盾體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Fig.4 Structural design of rectangular pipe jacking shield

3 工程應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目概況

鄭州市紅專路下穿中州大道隧道工程起始端位于紅專路與姚寨路交叉路口，起始點(diǎn)位于紅專路道路中心線，沿紅專路向東，下穿中州大道，終點(diǎn)位于金匯西街與龍湖外環(huán)路交叉口處，工程全長801.263 m，其中頂管段長度105 m。隧道平面布置如圖5所示。

下穿隧道為4條平行隧道，2條機(jī)動車道、2條人行通道，頂管段設(shè)計(jì)長度105 m，覆土3.2 m～4 m，機(jī)動車道斷面尺寸10.12 m×7.27 m，人行通道斷面尺寸7.52 m×5.42 m。隧道橫斷面布置如圖6所示。

圖5 紅專路下穿中州大道隧道平面示意

3.2 地質(zhì)概況

工程場址位于鄭州市區(qū)東北部，所處地貌單元為黃河沖積平原，地面高程85.3 m～94.74 m。土體主要為雜填土(地面下約2.5 m)、第四系全新統(tǒng)(Q4)粉土、粉質(zhì)粘土、粉砂及細(xì)砂。

3.3 項(xiàng)目難點(diǎn)

隧道斷面大(10.12 m×7.27 m)、距離長(105 m)、隧道間距小(最小間距1 m)、覆土淺(最大覆土厚度3 m)，頂管施工難度大。

3.4 采取的措施

本項(xiàng)目施工中采取的先進(jìn)技術(shù)和措施包括：多刀盤低擾動開挖系統(tǒng)；UNS測量導(dǎo)向系統(tǒng)和多維度位姿控制技術(shù)；矩形頂管盾體結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)(尾盾殼體外徑要比管節(jié)外徑單邊大10 mm)；注漿減摩技術(shù)。隧道施工現(xiàn)狀如圖7所示。

(a) 始發(fā)

(b) 掘進(jìn)

(c) 換管節(jié)

(d) 螺機(jī)出渣

(e) 地面出渣

(f) 出洞

圖7紅專路下穿中州大道隧道工程施工圖片

Fig.7 Pictures of tunnel construction Hongzhuan
Road underpass Zhongzhou Avenue

3.5 實(shí)施效果

地表沉降一般控制在15 mm以內(nèi)，個(gè)別點(diǎn)位最大沉降為28.2 mm，無地表隆起；實(shí)測軸線最大高程偏差為+15 mm；最大水平偏差為+26 mm；管節(jié)接頭無滲水，工程實(shí)體各項(xiàng)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)范要求。隧道實(shí)施期間實(shí)測沉降曲線如圖8所示。

圖8 紅專路下穿中州大道隧道工程實(shí)測沉降曲線

4 結(jié)束語

1) 主要從地表沉降、大件吊裝運(yùn)輸、掘進(jìn)軌跡及頂力控制、周邊建(構(gòu))筑物沉降控制等幾方面對大斷面類矩形盾構(gòu)頂管工法的施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析，指出了相應(yīng)對策和控制手段，有助于設(shè)計(jì)和施工管理人員做好各類針對性施工技術(shù)措施及設(shè)備加工措施，將施工風(fēng)險(xiǎn)降至最低。

2) 隨著矩形盾構(gòu)頂管隧道斷面和頂進(jìn)長度的日漸增加，施工中摩阻力和頂力也隨之增加，長距離掘進(jìn)軌跡及頂力控制、地面沉降控制難度均有所提高，因此，需在項(xiàng)目前期做好各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評估并制定相應(yīng)對策，以減少施工風(fēng)險(xiǎn)。