胡小沖，張國(guó)強(qiáng)，葉建榮

(廣東省基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510620)

1 國(guó)內(nèi)矩形頂管發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)90年代以后，矩形頂管技術(shù)逐漸在我國(guó)得到應(yīng)用。1999年上海地鐵2號(hào)線陸家嘴車站5號(hào)出入口地下人行通道首次成功應(yīng)用了矩形頂管施工技術(shù)，斷面尺寸為3.8m×3.8m、頂進(jìn)長(zhǎng)度約為62.25m，穿越了凈距僅為1.56m的延安東路南線引道段結(jié)構(gòu)底板；2006年上海軌道交通6號(hào)線浦電路站過(guò)街出入口通道截面尺寸6.24m×4.36m，頂進(jìn)長(zhǎng)度為40.5m，管廊的頂面距離DN450污水管為1.07m；2017年蘇州城北路地下綜合管廊元和塘土壓平衡矩形頂管截面尺寸9.1m×5.5m，頂進(jìn)長(zhǎng)度為233.6m。而本項(xiàng)目針對(duì)大截面長(zhǎng)距離泥水平衡矩形頂管施工技術(shù)進(jìn)行研究，頂管與既有建(構(gòu))筑物的最小凈距0.72m，小于規(guī)范規(guī)定的1.0m，截面達(dá)7.7m×4.5m且一次頂進(jìn)長(zhǎng)度226m，國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)有此類相關(guān)文獻(xiàn)及施工技術(shù)報(bào)道。

2 工程概況

廣花一級(jí)公路地下綜合管廊與道路快捷化改造配套工程(K0+000—K5+900)位于廣州市白云區(qū)廣花一路，主要施工內(nèi)容包括地下綜合管廊和道路快捷化改造兩部分。其中地下綜合管廊下穿機(jī)場(chǎng)高速平沙出口南側(cè)匝道段(K3+745—K4+137)和華南快速高架橋段(K3+143—K4+372)采用矩形泥水平衡頂管法施工，管廊截面尺寸為7 700mm×4 500mm，管壁厚度為600mm，管片采用工廠化預(yù)制、每節(jié)管長(zhǎng)1.5m。分3段頂進(jìn)，頂進(jìn)長(zhǎng)度分別為226m(1號(hào)頂管段)、169m(2號(hào)頂管段)和206m(3號(hào)頂管段)，管節(jié)覆土厚度8.7～10.1m，頂進(jìn)范圍地層主要為粉質(zhì)黏土和粗礫砂，地下水豐富。

3 施工條件分析

1號(hào)頂管段施工環(huán)境最為復(fù)雜，需從均禾涌、機(jī)場(chǎng)高架橋墩、機(jī)場(chǎng)高速平沙出口I匝道及DN1 350污水管下穿，頂管邊線與橋臺(tái)最小凈距為5.5m，頂管頂面與污水管最小凈距為0.72m。

2號(hào)頂管段下穿機(jī)場(chǎng)高速平沙出口K匝道和D2 200污水管，頂管頂面與污水管最小凈距為0.82m。機(jī)場(chǎng)高架下部構(gòu)造采用柱式橋墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)；DN1 350污水管采用鋼筋混凝土管，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長(zhǎng)2m，承插式F形接頭，頂管法施工；D2 200污水管采用鋼管，頂管法施工。

3號(hào)頂管段(5號(hào)井—4號(hào)井)依次下穿嘉禾涌、華南快速、DN2 400西江引水鋼管。其中嘉禾涌涌底與頂管隧道頂板之間的凈距僅約0.5m，且涌底存在約1.5m厚的磚渣等回填物，不滿足頂管施工的覆土要求，需對(duì)河涌進(jìn)行清底壓蓋處理；隧道與華快高架橋橋墩之間的最小凈距為3.13m，與西江引水管道斜交角度為53°，豎向與西江引水管道之間的凈距約為1.0m。

綜合管廊與相鄰地下管線及地下構(gòu)筑物的最小凈距應(yīng)滿足GB50838—2015《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》。本項(xiàng)目綜合管廊與地下管線交叉垂直凈距分別為0.72m和0.82m，小于《城市綜合管廊工程規(guī)范》規(guī)定的1.0m，在這種地層和環(huán)境條件下，采用7.7m×4.5m矩形頂管一次頂進(jìn)長(zhǎng)度226m，沒(méi)有類似的施工經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)有的大截面泥水平衡頂管工藝無(wú)法滿足施工要求，需要研制新的泥水平衡頂進(jìn)工藝以解決施工中遇到的技術(shù)難題，確保工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量和施工安全，有效控制周邊的土體變形及建(構(gòu))筑物的沉降，縮短施工工期，節(jié)約施工成本。

4 重點(diǎn)施工技術(shù)研究

4.1 研制矩形頂管中繼間

4.1.1中繼間設(shè)計(jì)與加工

研發(fā)一種矩形頂管中繼間，該中繼間動(dòng)力系統(tǒng)由40個(gè)50t液壓千斤頂組成，千斤頂行程為30cm。中繼間外包尺寸7 700mm×4 500mm，殼體采用40mm厚Q345鋼板，為增強(qiáng)中繼間整體剛度以滿足受力要求，在殼體內(nèi)設(shè)置30mm厚縱橫鋼板肋。中繼間分前、后2節(jié)，為承插式鉸接連接，接頭安裝2道橡膠止水圈進(jìn)行止水。

4.1.2中繼間安裝與使用

中繼間在安放時(shí)，第1只中繼間應(yīng)放在比較前面一些。因?yàn)榫蜻M(jìn)機(jī)在推進(jìn)過(guò)程中推力會(huì)因土質(zhì)條件變化而有較大變化。所以，當(dāng)總推力達(dá)到中繼間總推力40%～60%時(shí)，就應(yīng)安放第1只中繼間，以后每當(dāng)達(dá)到中繼間總推力的70%～80%時(shí)，安放1只中繼間。而當(dāng)主頂油缸達(dá)到中繼間總推力的90%時(shí)，就必須啟用中繼間。中繼間設(shè)計(jì)允許轉(zhuǎn)角1°，每道中繼間安裝1套行程傳感器及限位開(kāi)關(guān)。中繼間在管道上的分段安放位置，可通過(guò)頂進(jìn)阻力計(jì)算確定。

為減少中繼間接力頂進(jìn)的時(shí)間損耗，提高頂進(jìn)速度，將每個(gè)中繼間通過(guò)傳感器及數(shù)據(jù)線統(tǒng)一連接至程控室，自前向后對(duì)中繼間進(jìn)行連續(xù)編號(hào)識(shí)別，并建立PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)中繼間的遠(yuǎn)程操控，控制系統(tǒng)主界面可實(shí)時(shí)反映每個(gè)中繼間的千斤頂行程、油壓等數(shù)據(jù)。

當(dāng)主頂系統(tǒng)頂推力達(dá)到允許值后，優(yōu)先試啟動(dòng)最后方的中繼間，根據(jù)主界面反映出的油壓數(shù)據(jù)，判斷其是否具備頂推前方管道前進(jìn)的能力，若不具備，立即停止該中繼間的啟動(dòng)，再試啟動(dòng)倒數(shù)第2個(gè)中繼間，直至試啟動(dòng)的中繼間具備頂推其前方管道前進(jìn)的能力，則利用此處中繼間進(jìn)行接力頂進(jìn)，而其前方的中繼間可暫不啟動(dòng)，如此可最大限度減少中繼間接力啟動(dòng)的數(shù)量。

通過(guò)中繼間遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，對(duì)大截面長(zhǎng)距離矩形頂管中各中繼間的啟動(dòng)工作均在程控室統(tǒng)一執(zhí)行，主界面實(shí)時(shí)反映各中繼間的姿態(tài)信息，能有效消除傳統(tǒng)單點(diǎn)啟動(dòng)中繼間所引起的溝通不暢、操作失誤等問(wèn)題，使得中繼間接力頂進(jìn)連續(xù)順暢，提高頂管頂進(jìn)效率。

4.2 矩形頂管機(jī)改造

根據(jù)依托項(xiàng)目頂管隧道主要位于中粗砂層的情況，為避免砂粒堆積在機(jī)頭前方底部，造成機(jī)頭被動(dòng)抬升，經(jīng)項(xiàng)目研究主要采取兩種應(yīng)對(duì)措施：一是常規(guī)措施，即頂進(jìn)過(guò)程中嚴(yán)格控制進(jìn)漿濃度，根據(jù)模擬試驗(yàn)要求達(dá)到25′以上；二是對(duì)既有頂管機(jī)進(jìn)行適應(yīng)性改造，在機(jī)頭前端底部增加4個(gè)高壓噴頭，發(fā)現(xiàn)砂粒堆積時(shí)，利用噴頭壓入高壓泥水，將堆積體沖散排出。

4.3 研制頂管自動(dòng)糾偏系統(tǒng)

頂管掘進(jìn)機(jī)在頂進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)10組糾偏千斤頂?shù)牟煌炜s量，控制頂管掘進(jìn)機(jī)的走勢(shì)，使到頂管掘進(jìn)機(jī)前后段相對(duì)產(chǎn)生一定的角度來(lái)實(shí)現(xiàn)糾偏。頂管掘進(jìn)機(jī)頂進(jìn)過(guò)程中的姿態(tài)如：頂管掘進(jìn)機(jī)相對(duì)于管線是往上仰或下俯的趨勢(shì)、扭轉(zhuǎn)等，是通過(guò)安裝在頂管掘進(jìn)機(jī)前段的“雙向角度傳感器”來(lái)感知。在頂進(jìn)前，將頂管掘進(jìn)機(jī)放置在導(dǎo)軌上，然后對(duì)角度傳感器顯示儀調(diào)零，此時(shí)頂管掘進(jìn)機(jī)的角度傳感器的角度為零。頂管掘進(jìn)機(jī)頂進(jìn)過(guò)程中，角度傳感器測(cè)量出頂管掘進(jìn)機(jī)的前后傾角和頂管掘進(jìn)機(jī)的旋轉(zhuǎn)度。假如頂進(jìn)過(guò)程中機(jī)頭上仰，角度增大0.2°，基本上可以判斷出掘進(jìn)機(jī)有向上的趨勢(shì)，可以頂出上部的糾偏千斤頂，讓傾斜角度回到0°左右。反之亦然，可以通過(guò)頂出下部糾偏千斤頂讓傾斜角度回到0°左右。在這個(gè)過(guò)程中，激光點(diǎn)在光靶上移動(dòng)不大，通過(guò)角度傳感器顯示儀的數(shù)字變化(見(jiàn)圖1)，可知頂管掘進(jìn)機(jī)即將發(fā)生偏差的趨勢(shì)。

圖1 傾斜-扭轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)傳輸顯示

當(dāng)機(jī)頭扭轉(zhuǎn)時(shí)，扭轉(zhuǎn)角度顯示儀數(shù)據(jù)發(fā)生變化，可以調(diào)整刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)方向來(lái)控制機(jī)頭的扭轉(zhuǎn)。刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)方向與機(jī)頭扭轉(zhuǎn)方向一致，刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，機(jī)頭產(chǎn)生一個(gè)與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的扭矩，機(jī)頭在扭矩作用下慢慢回轉(zhuǎn)，當(dāng)然回轉(zhuǎn)過(guò)程可能很長(zhǎng)時(shí)間，也可能不能回轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，但可以控制機(jī)頭扭轉(zhuǎn)趨勢(shì)。如能隨時(shí)掌握頂管掘進(jìn)機(jī)的偏差趨勢(shì)，就能夠在偏差出現(xiàn)之前提前控制。所以在頂進(jìn)過(guò)程中更需注意角度傳感器顯示儀的變化，才能夠保證高精度頂進(jìn)。

4.4 優(yōu)化觸變泥漿配合比

大截面長(zhǎng)距離矩形頂管施工中，降低頂進(jìn)阻力最有效的方法是進(jìn)行注漿。使管周外壁形成泥漿潤(rùn)滑套，從而降低頂進(jìn)時(shí)的摩阻力。其中壓漿設(shè)備對(duì)長(zhǎng)距離頂管的漿液供應(yīng)能力會(huì)影響壓漿質(zhì)量。依托項(xiàng)目頂管一次頂進(jìn)長(zhǎng)度226m，設(shè)置了2臺(tái)壓漿機(jī)，1臺(tái)BW-250專供管道最前50m觸變泥漿管，頂進(jìn)過(guò)程不間斷壓漿，另一臺(tái)BW-150供其他管節(jié)注漿，頂進(jìn)過(guò)程不間斷補(bǔ)漿。

壓漿方式以同步注漿為主，補(bǔ)漿為輔，先注后頂，隨頂隨注，及時(shí)補(bǔ)漿。在頂進(jìn)過(guò)程中，要經(jīng)常檢查各推進(jìn)段的漿液形成情況。在停止頂進(jìn)前以及開(kāi)始頂進(jìn)前應(yīng)進(jìn)行觸變泥漿補(bǔ)漿處理，減少再次頂進(jìn)起動(dòng)的初始頂力。壓漿壓力應(yīng)比地下水高20～40kPa，壓力不應(yīng)過(guò)大，避免擊穿地面影響注漿效果。觸變泥漿密度應(yīng)控制在1.10～1.16g/cm3，黏度控制在30～35s，pH值<10，失水量<25ml/30min，穩(wěn)定性要求靜置24h無(wú)離析。

長(zhǎng)距離頂管中的潤(rùn)滑減阻問(wèn)題直接關(guān)系到頂管工程的成敗。在依托項(xiàng)目矩形頂管中，土層變化復(fù)雜、距離長(zhǎng)，單一性能的觸變泥漿已經(jīng)無(wú)法滿足要求。根據(jù)進(jìn)入不同土層段，觸變泥漿的性能要作適當(dāng)調(diào)整。在積淤泥、淤泥質(zhì)土段，頂管覆土容易隆起；在粉砂、細(xì)砂、中砂及礫砂段，泥漿容易流失，地面發(fā)生沉降。對(duì)該項(xiàng)目中土層的實(shí)際頂管施工進(jìn)行研究，結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益，給今后各類非開(kāi)挖泥水平衡頂管施工提供指導(dǎo)意義。

4.5 頂進(jìn)力監(jiān)測(cè)

在臨近頂管機(jī)工具頭的管片、中繼間前一節(jié)或后一節(jié)管片中預(yù)埋混凝土應(yīng)力計(jì)，每節(jié)管片左右對(duì)稱布置，在頂進(jìn)過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)量上述斷面的管節(jié)軸力，據(jù)此得到頂管端阻力和兩個(gè)測(cè)量斷面之間的側(cè)摩阻力。當(dāng)測(cè)量計(jì)算得出的阻力數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)值偏差較大時(shí)，及時(shí)調(diào)整頂進(jìn)速度、進(jìn)排漿流量、觸變泥漿注漿壓力等參數(shù)。根據(jù)中繼間附近管片軸力數(shù)據(jù)，能夠有針對(duì)性地啟動(dòng)中繼間，在盡可能保持頂進(jìn)工效的前提下，有效降低主頂總推力。1號(hào)頂管段頂進(jìn)距離與預(yù)力關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 1號(hào)頂管段頂進(jìn)距離與頂力關(guān)系曲線

通過(guò)圖2可以發(fā)現(xiàn)，始發(fā)與接收破洞門(mén)時(shí)因需要破除加固體及素混凝土墻，頂力會(huì)快速上升，在破除加固體與素墻后頂力驟降至正常頂進(jìn)水平。在正常頂進(jìn)過(guò)程中，頂力與頂進(jìn)距離會(huì)隨注漿、地質(zhì)等情況不同而有所波動(dòng)，但基本近似于線性增加。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究成果的應(yīng)用，成功實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)目3段矩形頂管隧道的順利貫通，填補(bǔ)了一次頂進(jìn)200m以上大截面長(zhǎng)距離泥水平衡矩形頂管施工的空白。在城市中進(jìn)行綜合管廊、地下通道、地鐵出入口等建設(shè)，由于既有地面建(構(gòu))筑物、地下管線及現(xiàn)狀交通的影響，明挖法施工受到越來(lái)越多的制約，大截面矩形頂管工藝受到越來(lái)越多人的青睞，對(duì)于地下水豐富、砂層較厚的地區(qū)，泥水平衡矩形頂管能夠更好地控制地面沉降，確?，F(xiàn)狀建(構(gòu))筑物、地下管線及市政道路的安全，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。