曾冬勤

（中鐵二十局集團(tuán)第三工程有限公司，重慶 400000）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市智能管廊的建設(shè)對(duì)推動(dòng)新型城市化進(jìn)程具有重大意義[1]。新建地下工程常會(huì)對(duì)現(xiàn)有各種地下管線、道路交通和周圍的建筑（構(gòu)筑物）產(chǎn)生一定影響[2]。頂管施工方法對(duì)周圍土體的擾動(dòng)小，工期推進(jìn)速度快，自動(dòng)化程度高，對(duì)道路交通和周圍建筑（構(gòu)筑物）影響較小[3]。大截面矩形頂管施工技術(shù)是一種能保證大截面矩形頂管在復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境中順利通過已有排水管涵，并對(duì)箱涵結(jié)構(gòu)毫無影響的新技術(shù)，近幾年在國(guó)內(nèi)逐步得以推廣[4]。該文根據(jù)工程概況，分析了大截面矩形頂管施工工藝及重難點(diǎn)，提出有效的高精度頂進(jìn)姿態(tài)、頂管始發(fā)與接收以及大截面矩形頂管在粉質(zhì)黏土中的掘進(jìn)控制措施，并將該技術(shù)運(yùn)用于城市管廊建設(shè)中。智能管廊是保障城市安全的關(guān)鍵，它能有效提高管線的安全管理水平，降低管線安全風(fēng)險(xiǎn)，減少管線安全隱患。大截面矩形頂管作為“綠色、安全、環(huán)?！钡摹胺情_挖工程”，其優(yōu)點(diǎn)為不封閉交通，不拆除管線，對(duì)周邊環(huán)境的影響較小，施工快捷，安全可靠，必將被越來越多的工程所采用。

1 工程概況

該項(xiàng)目位于平原地區(qū)，基本地震裂度為6 度，從管廊開挖場(chǎng)地向下延至45m 的地層中，頂管土層共分5 個(gè)大層次，見表1。

表1 頂管土層分類

城市智慧管廊施工中，大截面矩形頂管施工于一個(gè)十字路口交會(huì)點(diǎn)，其交通量大，地下管線復(fù)雜[5]。綜合考慮后決定采用大截面矩形頂管法進(jìn)行施工，其頂管截面尺寸為10.1m×6.3m，預(yù)制管節(jié)單環(huán)長(zhǎng)2.0m，頂管總長(zhǎng)2.0m×45.0m=90m。該項(xiàng)目采用b×h=8.78m×6.32m 的土壓平衡式長(zhǎng)方管，預(yù)制廠房采用內(nèi)襯式2.0m 的管節(jié)，生產(chǎn)并運(yùn)輸?shù)焦さ亍ｍ敼軝C(jī)設(shè)備包括65t 前殼體、50t 后殼體、15t 前殼體大刀盤驅(qū)動(dòng)件和2 臺(tái)15t 螺旋式挖土機(jī)。采用5個(gè)組合刀片在頂管前端進(jìn)行切割，整體切削率大于92.5%。頂管機(jī)后頂系統(tǒng)包括15 個(gè)3m 沖程的千斤頂，其工作壓力可達(dá)45MPa。頂入完畢后，使用水泥加水玻璃的雙液漿替代，頂升過程中在管件背面注入抗磨損的泥漿。

2 大截面矩形頂管施工工藝及重難點(diǎn)分析

2.1 施工工藝流程

大截面矩形頂管施工在城市智慧管廊建設(shè)中的工藝流程主要包括準(zhǔn)備工作→設(shè)備安裝→始發(fā)施工→正常頂進(jìn)→接收工作→收尾工作。其具體內(nèi)容如圖1 所示。

圖1 施工工藝流程圖

該項(xiàng)目采用計(jì)算機(jī)引導(dǎo)法進(jìn)行糾偏，輸入的原始資料經(jīng)過電腦處理后，可根據(jù)管線的偏移、外力平衡狀態(tài)、刀具管端位置用電腦進(jìn)行校正。在頂進(jìn)過程中，始終貫徹“勤頂、勤測(cè)、勤糾”的方針，使頂進(jìn)中的誤差不超過20mm。在城市智慧管廊施工過程中，施工沉箱在下沉過程中出現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)，在安裝軌道時(shí)將軌道和后座調(diào)整好，當(dāng)施工開始時(shí)，應(yīng)時(shí)刻關(guān)注兩側(cè)千斤頂?shù)闹L(zhǎng)度，并根據(jù)頂板的情況進(jìn)行調(diào)整，直到達(dá)到55m 才能進(jìn)行后部的頂置。利用Wild2 經(jīng)緯儀進(jìn)行測(cè)量，保證其校正誤差不大于15mm，如果發(fā)現(xiàn)誤差，可以使用S3 水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)量矯正。

2.2 重難點(diǎn)分析

在城市智慧管廊工程中，大截面矩形頂管施工首先要進(jìn)行高精度的頂進(jìn)姿態(tài)控制，接收井門架與頂管機(jī)之間的距離為3.5cm，頂管起始井和接收井之間的高度差為18cm，而頂管的下坡坡度為0.32%。如果想準(zhǔn)確地出井，必須對(duì)頂管的頂向和斜率進(jìn)行嚴(yán)格控制。其次，在大截面矩形頂管的施工中應(yīng)重視頂管的起始和接收。頂管開始出洞和接受進(jìn)洞時(shí)，因頂管機(jī)械與洞口之間存在一定的施工間隙，容易產(chǎn)生土壤侵蝕，進(jìn)而引起工作面塌陷，會(huì)導(dǎo)致巖體失穩(wěn)、地面塌陷等安全問題。因此，控制高精度頂進(jìn)姿態(tài)、頂管始發(fā)與接收以及大截面矩形頂管在粉質(zhì)黏土中的掘進(jìn)，是該技術(shù)應(yīng)用在城市智慧管廊建設(shè)中需要著重注意的技術(shù)要點(diǎn)，須制定詳細(xì)的控制措施以方便工程的開展。

3 大截面矩形頂管施工過程控制措施

3.1 高精度頂進(jìn)姿態(tài)控制

3.1.1 控制點(diǎn)引測(cè)及靶臺(tái)安裝

該項(xiàng)目的矩形頂管機(jī)施工控制點(diǎn)由基坑外地表引測(cè)到基坑內(nèi)部，在后斜井和結(jié)構(gòu)內(nèi)壁上設(shè)置了測(cè)控控制點(diǎn)。頂管機(jī)內(nèi)靶臺(tái)糾偏端的安裝分為前、后兩部分。三個(gè)靶臺(tái)安裝在前糾偏區(qū)，兩個(gè)在頂管機(jī)胸面板的左側(cè)和右側(cè)，一個(gè)在前校正部分的尾部。后校正段配有兩個(gè)靶臺(tái)，在修正段前后位置上進(jìn)行安裝。為了避免工地對(duì)靶臺(tái)的影響，將頂管機(jī)械的中段設(shè)置為整體靶臺(tái)安裝區(qū)域。

3.1.2 測(cè)量姿態(tài)

采用全站儀對(duì)頂管機(jī)頂進(jìn)姿態(tài)進(jìn)行定位誤差的測(cè)量，采用人工測(cè)量獲得機(jī)頭靶標(biāo)座標(biāo)位置，并計(jì)算出頂管機(jī)的頂進(jìn)軸線，與設(shè)計(jì)軸線進(jìn)行比較，以此來得出頂管機(jī)的頂進(jìn)姿態(tài)，頂進(jìn)測(cè)量詳見圖2。

圖2 頂管機(jī)姿態(tài)測(cè)量

每30cm 測(cè)一次高程及軸線，采用土壓平衡式矩形頂管進(jìn)行推進(jìn)，以實(shí)測(cè)資料實(shí)時(shí)觀察頂管機(jī)的姿態(tài)偏差，為頂管機(jī)施工提供參考。因此，該工程利用卡西歐5800 軟件程序，對(duì)頂管機(jī)的位姿誤差進(jìn)行快速求解。測(cè)量員利用手機(jī)App 進(jìn)行姿態(tài)運(yùn)算，并將位移信息發(fā)送到操控室，由操作者根據(jù)實(shí)時(shí)上傳的資料，對(duì)頂管機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)糾偏控制，以驗(yàn)證測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并對(duì)其高程、位置、姿態(tài)進(jìn)行校驗(yàn)，以保證土壓平衡的矩形頂管在正確的方向上運(yùn)行。

3.1.3 打泥糾偏

根據(jù)“實(shí)時(shí)監(jiān)控，勤測(cè)勤改”的原則，盡量減少頂進(jìn)過程中的偏移，確保機(jī)頭的順利接收。該工程運(yùn)用注漿糾偏技術(shù)，以保證大截面矩形頂管的順利進(jìn)行，具體打泥糾偏孔的位置如圖3 所示。

圖3 打泥糾偏孔位

當(dāng)頂管機(jī)出現(xiàn)中線偏移或滾動(dòng)時(shí)，由于其自身的鉸接糾偏能力不夠，可以通過在井口和管節(jié)上預(yù)留的觸變打泥糾偏孔和鉆進(jìn)系統(tǒng)，在必要部位對(duì)管廊進(jìn)行注水，調(diào)節(jié)頂管周邊的地層壓力，并通過地層壓力的變化和巖體的微小壓縮來進(jìn)行偏差糾正。

3.2 控制頂管始發(fā)與接收

3.2.1 頂管機(jī)及發(fā)射架安裝

安裝后的基座必須穩(wěn)固、正確，保證在頂入過程中經(jīng)受多種載荷后不會(huì)發(fā)生位移、變形和沉降。發(fā)射架由3 個(gè)部分組成，使用高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行固定，2 個(gè)軌道必須平行等高，達(dá)到設(shè)計(jì)高度和軸線要求后才能進(jìn)行下一步工作。在下井組裝過程中，必須準(zhǔn)確定位頂管設(shè)備，以保證出孔軸線與設(shè)計(jì)軸線一致。頂管機(jī)正確安裝后必須反復(fù)調(diào)試，確保其工作狀態(tài)良好后才能進(jìn)行頂管出孔和正常頂進(jìn)。

3.2.2 開鑿破除洞門

為保證安全地建造洞門及頂管安全洞，在洞口施工完畢后，需要將固體物質(zhì)加入洞口的抽芯探測(cè)區(qū)域之內(nèi)。測(cè)試添加固體完整性后，先開挖洞口，將混凝土破壞至迎土側(cè)主筋的位置，然后再切割外側(cè)的鋼筋，以徹底破壞圍護(hù)結(jié)構(gòu)的混凝土層?；炷疗瞥龝r(shí)，需要將每個(gè)平面被分成9 個(gè)部分，從中間到兩側(cè)、由上而下進(jìn)行破除，具體的分割序號(hào)如圖4 所示。

圖4 洞門破除分割

在頂入之前，洞口采用人工風(fēng)鎬，將潤(rùn)滑油均勻地涂于簾布的止水板外側(cè)，以確保頂入時(shí)不會(huì)損壞。進(jìn)行開挖之前，必須在機(jī)頭的土倉(cāng)中填入不少于全倉(cāng)2/3 的泥漿，以防止倉(cāng)內(nèi)壓力過低造成的洞口塌陷。

3.2.3 進(jìn)行洞口止水

由于簾布與出洞口之間有15cm 的空隙，為避免出現(xiàn)土體失穩(wěn)、地面塌陷等問題，因此在出洞之前，鋼洞圈上需要安裝簾布橡膠板，并將簾布橡膠板安裝在洞口預(yù)埋法蘭套管與錨固板之間。使用M20 螺栓緊固，在緊固板的外側(cè)焊接鋼翻板，鋼翻板上設(shè)有可移動(dòng)銷，用以保證簾布橡膠板頂入時(shí)的位置可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，防止個(gè)別區(qū)域滲水、漏水。當(dāng)頂管抵達(dá)入洞時(shí)，如果頂管掌子面出現(xiàn)損壞及其他原因，需要對(duì)洞口進(jìn)行檢驗(yàn)，可以在洞門鋼環(huán)上焊2 塊防水鋼板，中間填滿棉花，達(dá)到加固體后，可以采用低推力、低轉(zhuǎn)速的方法來減緩工作面的損壞。當(dāng)掌子面臺(tái)破碎之后，要立即把它推出來，避免滲水。

3.3 大截面矩形頂管在粉質(zhì)黏土中的掘進(jìn)控制

3.3.1 頂管推進(jìn)

大截面矩形頂管隧道主要穿越粉質(zhì)黏性土層，該土層塑流性較差，局部振動(dòng)響應(yīng)較快，因此為避免開挖時(shí)土體壓力不穩(wěn)定，產(chǎn)生較大的推動(dòng)力，需要采用如下方法進(jìn)行施工：采用泡沫及添加劑注入體系，在刀盤上設(shè)置5~8個(gè)添加劑注入孔，避免“塑性及流動(dòng)性不良”情況的發(fā)生。通過在基坑表面加入泡沫、膨潤(rùn)土和高分子材料等，提高壓載土的流動(dòng)性和水密性。采用切板旋桿和攪拌器對(duì)壓載土進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，使其具有較好的可塑性，有利于開挖。根據(jù)管廊建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)公式，頂管推進(jìn)頂力如公式（1）所示。

式中：F為頂力；L為管道的頂部長(zhǎng)度；W為管節(jié)的質(zhì)量；S為橫梁的外圓周，是頂桿的阻力；R為土層與管道之間的摩擦力；C為管道的外周長(zhǎng)；f為管道的摩擦力因數(shù)。

添加劑、聚合物、泡沫噴淋系統(tǒng)的功能和特點(diǎn)是可以通過加入泥漿系統(tǒng)將添加劑或泡發(fā)劑注入挖掘表面，進(jìn)而提高砂層的塑流和止水率。添加起泡劑可以有效提高沙層和地層中的砂巖黏性，進(jìn)而提高砂層塑性和不透水性。在實(shí)際應(yīng)用中，必須根據(jù)地質(zhì)條件及影響因素選擇合適的材料。

3.3.2 注漿整流

為克服頂管機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，該文采用的控制措施為注漿整流法，即采用兩臺(tái)獨(dú)立的刀片傳動(dòng)系統(tǒng)，使兩臺(tái)刀片進(jìn)行相對(duì)或反向工作，實(shí)現(xiàn)整體扭矩均衡。該系統(tǒng)可由壓漿機(jī)將其壓到筒體和管壁外側(cè)，并將其分成兩個(gè)單獨(dú)的子系統(tǒng)，一種是在套管外側(cè)形成減磨泥漿套；另一種方法是改善土的流塑性，在鉆頭和鉆機(jī)內(nèi)部進(jìn)行灌漿。綜合分析表明，螺桿機(jī)的出土孔和進(jìn)料孔都在增加，但是觸變泥漿的黏性較低，無法有效地將一些姜石和卵石包裹起來，因此必須調(diào)整觸變泥漿的配合比，見表2。

表2 觸變泥漿配合比（kg·m-3）

經(jīng)過對(duì)上述技術(shù)措施和設(shè)備的調(diào)整，每日的頂管施工可以達(dá)到2.5 延米的頂進(jìn)，大大縮短了工程進(jìn)度，保證了大截面矩形頂管在復(fù)雜地質(zhì)條件下的安全施工。

4 結(jié)語(yǔ)

城市智慧管廊的建設(shè)已被納入“十三五”規(guī)劃中，當(dāng)管廊工程遇到管線復(fù)雜的復(fù)雜地段時(shí)，應(yīng)用大截?cái)嗑匦雾敼苁┕ぜ夹g(shù)可以有效解決工程建設(shè)中存在的問題。該文根據(jù)工程概況，分析了大截面矩形頂管施工工藝及重難點(diǎn)，并提出將高精度頂進(jìn)姿態(tài)、頂管始發(fā)與接收以及大截面矩形頂管在粉質(zhì)黏土中的掘進(jìn)控制措施有效運(yùn)用于城市管廊建設(shè)中。大截面矩形頂管施工作為一種“綠色、環(huán)保、安全”的新型非開挖技術(shù)，必將在今后的發(fā)展中得到越來越多的應(yīng)用，綜合開發(fā)與利用城市智慧管廊是今后發(fā)展的必然趨勢(shì)。