淺析矩形頂管技術在城市下穿通道施工中的應用

【摘 要】矩形頂管技術在國內的使用始于上世紀90年代中期的江浙沿海城市。武漢地鐵2號線青年路站過街通道的施工是武漢地區矩形頂管技術的首次成功嘗試。本文通過筆者的施工實踐，主要介紹了土壓平衡式矩形頂管的施工原理、工藝流程及關鍵控制技術，以期對今后類似工程提供參考借鑒。

【關鍵詞】矩形頂管；下穿通道；施工

0.序言

近年來，隨著城市軌道交通的發展，大斷面矩形頂管掘進技術得到大力的推廣。以往城市過街通道一直采用傳統的明挖法或礦山法施工，其優點是工法成熟、風險小、純土建造價較低，但由于城市道路交通繁忙，地下管線復雜，且礦山法施工易造成地面沉降或隆起，因此難度大、費用高，對環境的綜合影響大。在軟土地區采用矩形頂管施工過街通道具有相當大的優勢，其不需搬遷地下管線，不影響交通運行，且施工無噪音，地面沉降及管線變形可得到有效控制。

矩形頂管法是上世紀70年代末由日本最先研發并使用，上世紀90年代中期在江浙沿海地區開始推廣應用，其斷面尺寸由2.5m×2.5m的小斷面發展到現在的6m×4m大斷面，施工技術也日趨成熟。本文以武漢地鐵2號線青年路站IV出入口過街通道為實例，主要介紹了矩形頂管施工原理、工藝流程及關鍵控制技術，以期為今后類似工程的施工提供參考。

1.武漢地鐵矩形頂管施工實例

1.1工程概況

武漢地鐵2號線青年路站位于青年路與建設大道交岔口，車站IV出入口過街人行通道下穿青年路，通道總長62.4m，其上部分別有青年路高架橋、2-7×2.7m的排水箱涵、電力線、煤氣、供水等大量管線，采用明挖法或暗挖法施工現場條件都不允許，因而設計采用矩形頂管法施工。

頂管始發井位于青年路東側，接收井位于青年路西側車站主體結構外（見圖1），頂管自東往西按坡度+3‰推進，采用4m×6m偏心多軸土壓平衡式矩形頂管施工，設計共有管節41節，其中標準節40節，長1.5m，單節重約33.7t，特殊節1節。管節兩端分別預埋鋼套環和鋼環，管節內還預留對稱壓漿孔、起吊孔及翻身孔。管節接口全部采用“F”型承插式，接縫防水裝置采用鋸齒型氯丁橡膠止水圈和雙組分聚硫密封膏。

圖1 施工平面及管線布置圖

1.2地質情況

本工程頂管覆土約為5.9m，主要在粘土和淤泥質粉質粘土中頂進，頂管以上土層分別為雜填土、素填土、淤泥。場地內地下水有上層滯水、孔隙承壓水和基巖裂隙水三種類型。上層滯水主要賦存于人工填土層，據勘察報告顯示，勘察期間測得其初見水位埋深為1.0～3.8m，穩定水位埋深為1.6～4.5m?？紫冻袎核疄橘x存于第四系全新統沖積粉質粘土、粉土、粉砂互層土及砂卵石層中承壓水，漢口地區長江I級階地承壓水測壓水位標高最高為20.0m，承壓水頭標高年變化幅度在3.0～4.0m之間。

2.矩形頂管結構及功能

矩形頂管的主要結構包括掘進機頭、刀盤裝置、糾偏裝置、螺旋出土機、主頂裝置、動力裝置、壓漿系統、電氣控制系統及監測系統。

2.1切削刀及刀具

偏心多軸刀盤共有2個（2.5m×3.5m），位于頂管機的最前端，置于前段殼體外，與刀盤驅動裝置的軸承支座用高強度螺栓連接，刀盤裝置包括：正面刀具、周邊刀具、長攪拌棒、短攪拌棒、刀盤盤體。

正面刀具作為主要切削裝置位于最前方，采用十字形結構，它通過偏心曲軸與推進油缸的旋轉驅動、頂進進行土體切削。周邊刀具作為輔助切削裝置位于刀盤的四周側面上，它通過刀盤盤體作為偏心旋轉的作用，將正面刀具切削過程中未能切削掉的土體進行補充切削。長攪拌棒、短攪拌棒作為輔助實施位于刀盤盤體的最后方，它通過刀盤盤體作為偏心旋轉的作用，對刀具切削的土體進行攪碎和攪拌土體，以便于螺旋機出土。刀盤盤體作為偏心旋轉的主體，在偏心驅動軸的旋轉和推進油缸的頂進作用下，進行偏心平面運動和朝前移動，帶動正面刀具和周邊刀具切削土體，帶動后面的長短攪拌棒進行切削土的攪碎和攪拌。

2.2刀盤驅動

刀盤驅動采用了偏心多軸的驅動方式，利用平行雙曲柄機構的運動原理，由四組偏心曲軸組成的驅動裝置同時驅動刀盤，刀盤上的每把刀具繞著以各自的支撐圓心點與曲軸回轉支撐點之間的距離為半徑作平面圓周運動，以達到全斷面切削的目的。在同一刀盤上的四根曲軸全部采用動力驅動，四根曲軸同時向同一方向旋轉，以保證刀盤作平面圓周運動切削土體。動力驅動裝置采用高速油馬達、減速器和一級齒輪驅動，共兩組8個驅動裝置，刀盤轉速為0～3r/min，刀盤驅動總功率為264kW。

2.3螺旋輸送機

螺旋輸送機在土壓平衡掘進過程中起著重要作用，它控制排土量，維持工作面正確土壓，以控制地面沉降。螺旋輸送機的功能是將土倉內已開挖的土排出，其入口位于頂管土倉隔板的底部，前端槽體為前殼體的一部分，其內壁堆焊耐磨硬質合金，后端用法蘭與中段槽體連接，螺桿由空心軸和螺旋葉片組成，螺旋葉片繞制在空心軸上，螺桿上部由三排圓柱滾子組合轉盤軸支承，采用液壓馬達驅動，在螺旋輸送機上可以裝設出土閘門，出土閘門由兩只液壓油缸控制。由于頂管機的橫斷截面為4m×6m，為達到更好的出土性能，采用兩個螺旋機（左右旋各一）同時出土。每只螺旋機的最大出土量為42m3/h，轉速為0～15r/min。

2.4糾偏裝置

4m×6m偏心多軸矩形頂管機分成前后兩段，中間由12臺糾偏油缸聯接。前后段之間的密封采用三道唇形橡膠密封圈。根據軸線偏差方位以及偏差量，對糾偏油缸進行編組及控制油缸伸縮量，使前、后殼體形成一夾角，從而改變機頭方向，以達到糾偏目的。糾偏角度為左右±1.1°，上下±1.7°。

2.5主頂進裝置

主頂進裝置由12臺油缸及U形頂鐵、頂環、墊鐵、底架、鋼后靠等組成。12臺油缸分成兩組，呈對稱分布，并用分體式結構的支座固定，由于矩形頂管機底部的摩阻力比較大，所以在主頂進裝置的下部對稱布置有4臺油缸，以增加下部的頂進力，油缸的工作行程為3500mm。每臺油缸可單獨控制，也可編組工作，額定總推力為20000kN，最大推力24000kN。

3.矩形頂管工藝流程

4m×6m偏心多軸土壓平衡式矩形頂管采用兩個單獨的刀盤切割土體，并支撐開挖面土體，有效防止正面土體倒坍。整個控制系統以土壓平衡為工作原理，刀盤切削下來的泥土進入土壓倉，調整螺旋機的轉速及頂進速度來控制出土量，使土倉的土壓力值穩定在所設定的壓力值范圍內，與開挖面土壓力取得平衡，螺旋機連續出土，機頭掘進形成的斷面由不斷頂進的矩形管節組成矩形隧道。具體工藝流程詳見圖2。

圖2 矩形頂管工藝流程圖

4.技術參數的控制

4.1正面土壓力的設定

土壓平衡式掘進機土倉內的壓力設定值是根據掘進機正面土壓力計算值而確定的。開挖面土壓力采用Rankine壓力理論進行計算：P=K0γZ；其中P：管道頂部或底部的側向土壓力（MPa）；K0：軟粘土的側向系數；γ：土的容重（kN/m3）；Z：覆土深度（m）。此數據為理論計算值，作為土壓力的最初設定值。在頂管出洞進入原狀土后，通過出土量、頂進速度、路面和管線隆沉等監測數據，適時調整土壓力的設定值。

4.2主頂力的計算

矩形頂管的主頂力隨頂進距離的增加而增大，主頂力的增大應該是緩慢的，而不允許有突變。主頂力R估算由掘進機前端的迎面阻力N和注入觸變泥漿的管壁外周摩阻力F組成，其公式表示為：R=N+ F=S×Pt+f×L×l。其中S： 機頭截面積，m2；Pt： 機頭底部以上1/3高度處的被動土壓力，kN/m2；Pt=γ（H+2D/3）tg2（45°+∮/2）；γ：土的容重，kN/m3；H：管頂土層厚度，m；D： 頂管掘進機高度，m；∮：土的內摩擦角，度；f： 采用注漿工藝的摩阻系數，可通過實際試驗確定，其值一般取f=4～6kN/m2；L： 機頭或管節周長，m；l： 頂進長度，m。

4.3出土量控制

在頂進過程中，應盡可能精確地統計出每節管節的實際出土量，使之與理論出土量保持一致，以保證正面土體的相對穩定，減小地面隆沉量。

4.4頂進速度控制

頂管推進速度是保證切口土壓力穩定、螺旋機出土量均勻的主要手段。所以在頂進時，應不斷調整頂進速度、正面土壓力、出土量三者的最佳匹配值，確保頂管以最佳的狀態工作。

5.矩形頂管進、出洞技術

5.1頂管出洞段施工

頂管機頂出洞圈至頂管機切口距工作井6m范圍為出洞段。頂管的出洞過程即為攪拌樁內拔除H型鋼和頂管機頭經過出洞段加固區并進入原狀土體的過程。

在洞圈內的H型鋼全部拔除后，應立即開始頂進機頭，由于正面為全斷面的水泥土，為保護刀盤，頂進速度應放慢。另外若出現螺旋機出土困難，必要時可加入適量清水來軟化或潤滑水泥土。頂管機進入原狀土后，為防止機頭“磕頭”，拉緊機頭和前三節管節之間的拉桿螺絲，同時適當提高頂進速度，使正面土壓力稍大于理論計算值，以減少對正面土體的擾動及出現地面沉降。

5.2頂管進洞段施工

本工程接收井圍護為SMW工法樁圍護，H型鋼拔除后，為了防機頭進洞時洞內土體的塌方，在接收井洞門內預先澆注20～30cm厚的鋼筋混凝土擋墻，作為接收井的封門形式。頂管機進洞時除了要拔除H型鋼，還要鑿除混凝土擋墻。

（1）頂管到達距接收井6m后，開始停止第一節管節的壓漿，并在以后頂進中壓漿位置逐漸后移，保證頂管進洞前形成完好的6m左右的土塞。

（2）在頂管機切口進入接收井洞口加固區域時，應適當減慢頂進速度，調整出土量，逐漸減小機頭正面土壓力，以確保頂管機設備完好和洞口結構穩定。

（3）頂管機切口距接收井H型鋼50cm左右時，頂管機暫停頂進，等待H型鋼的拔出。H型鋼拔除后，頂管機繼續推進，緩緩地靠上臨時砼封門。當主頂壓力突然升高，立即停止推進，等待臨時砼封門的鑿除。

（4）當臨時砼封門鑿除完畢后，應立即進行推進，將頂管機頭部分推進至接收井內，隨即拆卸連接頂管機前后兩段的全部螺栓，用300T吊車將頂管機頭前段吊出接收井；然后將后段機頭推進到位，并將后段機頭與管節脫開，進行后段機頭的吊裝。

6.矩形頂管正常段施工

6.1頂進軸線的控制

矩形頂管在正常段頂進施工中，必須密切注意頂進軸線和轉角的控制。矩形頂管分成前后兩段，中間由幾組糾偏油缸連接。根據軸線偏差方位以及偏差量，對糾偏油缸進行編組及控制油缸伸縮量，使前后殼體形成一夾角，從而改變機頭方向，以達到糾偏目的。

（1）平面控制。通過主頂油缸編組控制；通過執行相應糾偏油缸的伸縮進行控制；通過調整掘進機和前三節管節依次連接的拉桿螺栓的松緊度來控制。（2）高程控制。和平面控制一樣，高程控制一般通過主頂油缸的編組，糾偏油缸的編組和拉桿螺栓的松緊度進行控制。（3）轉角控制。機頭一旦出現微小轉角，應立即采取加壓鐵等措施回糾。

6.2止退裝置的使用

由于矩形頂管的斷面較大，前端阻力很大，即便管節頂進了較長里程，每次拼裝管節或加墊塊時，主頂油缸一回縮，機頭和管節仍會一起后退20～30cm，說明機頭受到后推力很大。當頂管和管節往后退時，機頭和前方土體間的土壓平衡受到破壞，土體面得不到穩定的支撐，易引起機頭前方土體坍塌。若不采取一定的止退措施，路面和管線的沉降量將難以得到控制。施工中可在前基座上安裝一套止退裝置，當加墊塊或拼裝管節時，在主頂油缸回縮之前，用止退裝置將管節和機頭穩住。

6.3減摩技術的控制

頂進施工中，減阻泥漿的應用是減少頂進阻力的重要措施。頂進時，在管道外壁壓注觸變泥漿，在管道四周形成一圈泥漿套以減少土體同殼體的摩擦力，防止背土現象的發生，從而達到理想的減摩效果。

采用泥漿攪拌機進行制漿，按配比表（見表1）配制泥漿，純堿和CMC應預先化開（CMC可以邊攪拌邊添加），再加入膨潤土攪拌20分鐘，最后加入乳化油攪拌10分鐘左右，泥漿要充分攪拌均勻。泥漿拌好后，應在儲漿箱內放置一定的時間才能使用。壓漿泵將泥漿壓至管道內的總管，然后經壓漿孔壓至管壁外。注漿壓力控制在0.05MPa左右。

表1 觸變泥漿配合比（kg/m3）

7.地面沉降控制

7.1沉降控制要求

矩形頂管在穿越道路和地下管線過程中，必須嚴格控制地面和管線隆沉量在規定的范圍內。頂進過程中應合理控制頂進速度，一般控制在15mm/min左右，連續均衡施工，避免出現長時間擱置情況；嚴格控制出土量，防止欠挖或超挖；嚴格控制頂進的糾偏量，盡量減少對正面土體的擾動；在穿越過程中必須持續、均勻壓漿，保證通道上部土體的穩定。

7.2頂進過程中的箱涵保護

本工程矩形頂管下穿的排水箱涵為磚混結構，每孔凈空6.8m寬×2.7m高，涵洞底板、蓋板為鋼筋砼，底板厚度不詳，涵內水深0.6m。自始發井內壁開始計算，則頂進至39.8m時刀盤切口到達箱涵前井壁，頂進至58.6m時盾尾離開箱涵，機頭與箱涵投影重疊長度為18.8m，箱涵與頂管之間的垂直凈距為1.6m。由于過水箱涵斷面大，汛期水位高，與矩形頂管相交距離長，垂直間距小，再加上其建造年代久遠，運營時間長，無法掌握其破損情況及穩定狀態，因此頂管頂進過程中對其的保護難度極大，為確保箱涵結構的安全，在施工前采取以下加固措施：

（1）在箱涵前端1.5m位置設置兩排泄壓孔。泄壓孔直徑600mm，中心間距1m，深度5m，設置在頂進軸線兩側各5m范圍。泄壓孔采用小型鉆機施工，成孔后孔內灌水至地面標高。當頂進壓力過大時，可避免壓力直接作用到箱涵上。

（2）在箱涵的前端、中部和后端各設置1排直接監測點，頂進時根據箱涵沉降情況及時調整頂進參數。

7.3施工監測

施工過程中的監測主要有兩個方面的內容，即頂管機姿態監測以及地面及管線沉降監測，頂管機姿態監測主要通過設置于始發井內的觀測臺進行觀測，監測過程中發現偏位應及時采取糾編措施；對地面及管線沉降監測則通過埋設的沉降觀測點進行監測。

8.矩形頂管接縫防水技術

本工程過街通道常年處于地下水位線以下，加之整個通道全部由1.5m一節的管節拼接而成，拼接位置的滲漏處理關系到整個通道的防水效果及以后的正常使用功能，施工過程中對關鍵部位采取了一系處理措施，具體如下：

（1）提高預制混凝土管片自身的抗滲性。

（2）管節接口的接縫防水裝置采用鋸齒型氯丁橡膠止水圈，要求橡膠止水圈安裝牢固，在進行管線拼接時不得錯位。

（3）管節壁外注漿防水。在頂管機吊出接收井后，馬上用磚頭砌墻，將兩頭洞門與管節間的間隙封堵。注入雙液漿（水泥與水玻璃），置換出觸變泥漿，對管節外的土體進行加固。

（4）嵌縫密封防水。管節間的縫隙采用雙組分聚硫密封膏填充，防止帶入氣泡而影響強度和水密性。

9.結束語

矩形頂管掘進技術在軟土地質條件的城市下穿通道施工中所具備的優勢是顯而易見的，且對周邊環境影響小、施工速度快。本例武漢地鐵2號線青年路站過街通道頂管施工從設備安裝完成正式頂進到整個通道施工完成，全部工作僅用了18天時間，平均每天的頂進速度可達到4.5～6m。

通過施工中對各關鍵工序的嚴格控制，整個頂進過程中地面最大沉降僅為3cm，確保了管線的安全，尤其是攻克了矩形頂管穿越淺層大型排水箱涵這個重大技術難關，確保了整個掘進過程的安全順利，為今后類似大斷面矩形頂管的施工提供了可靠的參考依據。