拱北隧道曲線頂管管幕施工關鍵技術

張　鵬， 潘建立， 劉應亮， 馬保松，*

(1. 中國地質大學(武漢)工程學院, 湖北 武漢　430074； 2. 中鐵十八局集團有限公司, 天津　300222)

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拱北隧道曲線頂管管幕施工關鍵技術

張鵬1， 潘建立2， 劉應亮2， 馬保松1，*

(1. 中國地質大學(武漢)工程學院, 湖北 武漢430074； 2. 中鐵十八局集團有限公司, 天津300222)

為了解決高水壓復合軟土地層曲線管幕施工技術難題，以拱北隧道曲線管幕工程施工為依托，分析臨海復合軟土地層、高地下水壓力以及敏感周邊環境對施工的苛刻要求和巨大風險。總結出包括頂管機選型、高水壓頂管始發和接收技術、小間距曲線頂管精度控制技術、管道結構和密封測試、復合地層頂管泥漿及障礙物處理措施的曲線頂管管幕綜合施工關鍵技術，解決了復合地層頂管設備和泥漿優選、高水壓頂管施工密封性、曲線管幕精度控制和頂管事故處理等技術難題。

拱北隧道； 曲線頂管管幕； 精度控制； 鋼套管接收艙； 頂管泥漿； 中繼套管法

0　引言

頂管管幕法是采用頂管技術將鋼管依次頂進地層中形成管幕作為臨時支護結構，然后再用開挖或箱涵頂進的方法進行地下構筑物施工的一種新型非開挖施工技術，具有安全、地層適應性好以及對周圍環境影響小等優點，是地鐵車站及隧道等超大型地下工程施工的關鍵工法[1]。

目前，我國采用頂管管幕法施工的地下工程有 1984年香港修建的地下通道、1989年臺北松山機場地下通道工程、2004年上海中環線虹許路北虹路地道、2004年北京地鐵5號線崇文門站、2008年北京地鐵4號線宣武門站[2]、2008年沈陽地鐵2號線新樂遺址站[3]、2009年廈門杏林大橋下穿鷹廈鐵路工程[4]等。上述國內已有的管幕超前支護法多結合箱涵頂進施工，平面線形為直線且長度較短，管幕頂管直徑較小，且地下水影響較小，其施工技術和理論研究較為完善[5-8]。而目前正在建設中的港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道首次采用曲線頂管管幕支護+水平凍結止水的施工工法，暗挖段全長255 m，平面線形為緩和曲線+圓曲線[9-14]，工程規模和難度在世界范圍內實屬罕見，尚無類似工程施工經驗可供借鑒。

因此，本文依據拱北隧道曲線頂管管幕施工資料，闡述施工中所面臨的復合地層、高地下水壓力以及苛刻的周圍環境對工程的挑戰，并對曲線頂管管幕施工的關鍵技術進行分析總結。

1　工程背景

1.1工程概況

港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道位于珠海市香洲區，毗鄰澳門，起于珠海拱北灣南部和澳門半島東部海域的連接線人工島，終于廣東省公安邊防第五支隊茂盛圍管理區。隧道采用雙向6車道高速公路標準，設計車速80 km/h，左線全長2 741 m，右線全長2 375 m。下穿口岸的暗挖段長255 m，采用管幕+水平凍結的雙層暗挖工法施工，其余區段均采用明挖法施工[9-14]。

拱北隧道暗挖段曲線頂管管幕平面圖如圖1所示。平面線形由88 m緩和曲線與167 m圓曲線組成；斷面為卵形(如圖2所示)，上部平均埋深為4～5 m，總體高度約23.8 m，寬度約22.2 m，開挖面積達到336.8 m2。整個管幕由36根外徑為1 620 mm的鋼管組成(不包含0號異位試驗管)，其中上層17根鋼管壁厚20 mm，下層19根鋼管壁厚24 mm，管間距355～358 mm，采用F型接頭連接，相鄰管節設計最大偏轉角度為0.26°。

由于工程風險高，需要對管幕頂管涉及的關鍵技術參數進行現場試驗，因此，在全面頂管施工前預先頂進2根試驗管(0號和5號試驗管)。試驗管埋深7～8 m，0號試驗管為附加異位管，由東向西頂進；5號試驗管為管幕原位管，頂進方向與0號管相反。

圖1　拱北隧道暗挖段管幕平面圖

圖2　拱北隧道管幕剖面圖(單位：m)

1.2工程地質和水文地質

隧道場區位于侵蝕堆積地貌單元，主要包括陸緣淺海、河流、濱海沖積平原3種微地貌單元。地層從上至下依次為人工填土層、淤泥層、淤泥質粉質黏土層、粉質粉土層、黏土層、粉細砂層、中粗砂層、礫砂層、及全、強、中風化黑云母花崗巖層。其中表層海相、海陸交互沉積層厚度28～35 m，中層砂(礫)質黏土層厚度0.5～8.2 m，下伏全—強風化黑云母斑狀花崗巖厚度超過20 m。

頂管管幕主要穿越人工填土、淤泥質粉質黏土、粉土、中細砂、淤泥質粉土、粉質黏土、礫砂等高壓縮性、高含水量、大孔隙比、低強度的軟土地層。地下水主要為含鹽孔隙潛水，水位埋深淺，標高為1.48～1.72 m，水量豐富，且與海水連通。

1.3周邊建(構)筑物環境條件

隧道沿線建(構)筑物及地下管線眾多，給施工帶來很大難度。沿線主要建(構)筑物有邊防五支隊宿舍樓、澳門聯檢大樓、出入境風雨廊、免稅商場回廊、出入境客貨通道、拱北口岸入境車行通道、拱北口岸一站式通道、廣珠城際珠海站、粵海國際花園、國防公路等。沿線主要地下管線有路燈管線、電信管線、給水管、雨水管、電力管、污水管等。特別是管幕外側距澳門聯檢大樓樁基最近僅1.6 m，內側距免稅商場回廊樁基最近約0.46 m。

綜上所述，拱北隧道管幕施工主要面臨以下關鍵難題。

1)管幕規模目前世界最大，工程地質和水文地質條件復雜，施工穿越復合軟土地層，地下水壓力高(最大約0.3 MPa)，對于曲線頂管施工設備性能、管節接頭密封性、頂管泥漿性能以及頂管接收技術要求高。

2)組成管幕鋼管直徑大、數量多、間距小，組合曲線頂管施工精度控制技術是確保管幕形成的關鍵。

3)周邊建筑物和地下管網密集，安全級別高，對頂管施工精度和地表沉降控制要求苛刻。

4)周邊建筑物基礎、淺層建筑垃圾、孤石等障礙物眾多，頂管施工障礙物處理難度大。

2　曲線頂管管幕施工關鍵技術

2.1復合地層頂管設備選型

頂管設備根據不同工程地質條件，其適用范圍也不同，需要選擇與之相適應的頂管設備，通常選型時要考慮以下因素。

2.1.1地下水壓和地層變形控制要求

當地下水壓力較大、周邊建筑物安全等級高時，對施工引起的地層變形控制要求高，土壓平衡螺旋輸送機容易發生噴涌，導致掘進面失穩，因而宜選用泥水平衡頂管機。

2.1.2掘進地層特性

通常地層滲透系數大于10-7m/s時選用泥水平衡頂管機，滲透系數小于10-7m/s時選用土壓平衡頂管機。同時，考慮巖土顆粒粒徑分布情況，當粉粒和黏粒的總量達到40%以上時，通常選用土壓平衡頂管機，反之，則選用泥水平衡頂管機。粉粒的絕對大小常以0.075 mm為界。

由于拱北隧道管幕工程場區地下水壓力高，如果采用土壓平衡頂管機施工，存在螺旋輸送機噴涌風險，并且管道直徑較小，不利于渣土運輸。同時，考慮到穿越的地層既有滲透系數較小的黏土層，也有滲透系數較大的砂層，頂管機需具備在不同地層中的掘進能力，且大部分地層所含顆粒粒徑都在0.075 mm以上，拱北口岸區域建筑安全等級高，對施工變形要求苛刻。因此，宜選用泥水平衡頂管機施工。

經過多種方案比選，工程最終選用德國海瑞克生產的4臺AVN1200TC泥水平衡式頂管設備[15]，如圖3所示，包括泥水分離站等全套的輔助設備。考慮到頂管施工可能會遇到孤石、建筑樁基，以及破碎工作井混凝土墻要求，配備裝有刮刀和滾刀的復合刀盤，并安裝錐形二次破碎艙，可適應多種地層掘進施工。

圖3　海瑞克AVN1200TC頂管機

2.2高水壓頂管始發和接收技術

管幕頂管施工面臨松散砂層和流動性較強的淤泥質層，且地下水壓力較大，洞口始發止水裝置和接收裝置一旦密封失效，極有可能發生涌水、涌砂事故，造成洞口上部地表塌陷，殃及周圍建筑物、道路及地下管線。因此，高水壓條件下頂管始發和接收密封止水是必須克服的工程難題。

2.2.1高水壓頂管始發技術

本工程采用如圖4所示的可拆卸式折頁壓板雙層簾布橡膠止水密封裝置，其主要由折頁式壓板、2層簾布密封橡膠圈、擴大鋼環、連接鋼環組成。頂管施工前，通過螺栓將止水裝置安裝于洞口孔口管上，施工完畢后可拆卸再安裝于下一頂管施工位置，實現循環利用。

圖4　頂管始發洞口止水裝置

2層止水密封橡膠圈增強了密封效果，采用多塊折頁式壓板的設計，可根據頂管機和環板之間的距離調節折頁式壓板的位置，使折頁式板內弧直徑盡量接近頂管機外徑，以減少頂管機在洞口的偏移，減小密封橡膠圈因地下水壓力過大而產生外翻的可能性。密封橡膠圈能夠承受0.3 MPa以上的高水壓。

2.2.2高水壓頂管接收技術

為了保證頂管機能安全接收，現場施工創新采用了鋼套管接收艙技術，如圖5所示。接收艙由雙層橡膠圈洞口止水法蘭、半圓形密封艙、端蓋及附屬閥門等部分組成，各部分通過螺栓拼裝而成，便于拆卸和重復利用。接收艙內鋪設滑板，確保機頭可以平滑地從孔口管過渡到接收艙內。

在頂管機接收過程中，首先在接收端拼裝接收艙，并與孔口管連接，通過注漿閥向接收艙注滿泥水，然后關閉注漿閥；然后操作頂管機進入接收艙中，艙內的泥水壓力平衡地層土水壓力，不但能保證接收端壓力平衡，同時避免了傳統接收技術引起的地層水土流失；最后在孔口管和管道之間注入密封漿液，待漿液固化后，打開接收艙，取出頂管機，進行后續施工。

現場根據頂管深度的不同，針對不同地下水壓力，采用了2種不同結構鋼套管接收艙。管幕中板上部地下水壓力較小，所用接收艙由2節拼裝而成(如圖5所示)，內徑為1 880 mm，總長5.3 m，壁厚15 mm，每節均由2塊半圓鋼套管拼裝而成，各拼裝面均設置密封橡膠板。

由于前期采用的接收艙在進行底部17號頂管接收時，密封裝置效果不佳，出現泥砂進入并堆積于接收艙內，各拼裝面均出現漏水現象。原先使用的接收艙無法滿足要求，因此，對鋼套管接收裝置采取了一系列技術改進措施。

圖5　上層頂管鋼套管接收艙

1)在洞口止水法蘭安裝注漿閥，頂管機進入接收艙后，向洞口止水裝置2道橡膠圈內快速注入聚氨酯或馬麗散液漿，實現洞口快速止水。

2)加長接收艙，并將其改為整體式，整個接收艙套筒只由2個長7 m的上下2塊半圓鋼筒拼裝而成，減少了接收艙的接合面，同時增大了接收艙能容納的泥砂量。在接收艙端蓋后部安裝支架，防止高水壓力導致端蓋變形嚴重引起泄漏。

3)拼裝接合面均采用2排螺栓加橡膠墊進行密封，同時在縫隙處涂抹錨固劑。

后續中板以下的頂管均采用改進后的接收艙(如圖6所示)，順利完成了高水壓復雜地質條件下的頂管接收。

圖6　高水壓鋼套管接收艙

2.3曲線頂管精度控制技術

由于管幕相鄰頂管間距僅為355～358 mm，且后頂管會對先頂管道空間位置產生影響。任一根頂管軌跡偏離設計值過多時，都會影響后續凍結施工凍結圈厚度和止水效果，甚至可能占據相鄰頂管位置，而使整個管幕無法形成。在充分利用AVN1200TC頂管機自身導向系統的基礎上，創新提出3階段小間距復合曲線頂管精度控制技術。

1)曲線直頂。考慮到頂管曲線始發對姿態的控制要求高，可能會使頂管機偏向始發密封圈一側。因此，始發階段采取曲線直頂技術，頂管機沿設計曲線割線方向始發頂進，待機頭完全進入土體后再開啟糾偏油缸，逐步調整姿態，進而提高施工效率。

2)UNS導向+人工校核。通常情況下AVN1200TC頂管機通過自身配套的UNS導向系統實時控制頂進軌跡，主要利用掘進機機頭標靶空間位置來反映軌跡變化。考慮到該工程精度要求極高，并且UNS導向系統精度為1 mm/m，隨著頂進距離的增加，其累計偏差可能會增大。因此，在頂進階段，除了實時觀察UNS導向系統顯示的機頭位置外，每頂進20 m管道，采用支導線法對機頭標靶的三維坐標進行1次人工校核測量，并根據測量結果對UNS參數進行糾偏調整[16]。

3)三線控制法。由于接收端孔口直徑只比頂管機頭直徑大200 mm左右，如果接收階段偏差太大，則會導致施工失敗。為控制接收精度，制定了減速線、破墻線和頂進終止線的三線控制法。

減速線位于距離素混凝土墻50 cm的位置，破墻線是指機頭頂破素混凝土墻線，頂進終止線是機頭完全進入接收艙中。該階段主要嚴格控制頂管施工參數，避免大塊混凝土進入接收艙或是頂進距離控制不準確，防止機頭偏斜或機頭破壞接收艙而導致接收失敗。

0號試驗管通過以上精度控制技術，其軌跡水平、高程偏差及對相鄰5號試驗管施工影響如圖7—9所示。由圖7—9可知，除少數點外，0號管軌跡偏差基本控制在±50 mm，鄰近5號管頂進對0號管軌跡影響較小，最大偏差僅為12 mm。

圖7　0號管軌跡水平偏差曲線

圖8　0號管軌跡高程偏差曲線

圖9　5號管對0號管軌跡影響曲線

Fig. 9Trajectory curves showing influence of pipe No. 5 on pipe No. 0

2.4管節結構與密封技術

頂管采用如圖10所示的鋼管節，由20 mm(24 mm)厚鋼板卷制焊接而成，單根長度為4 m。接頭如圖11所示，為F型承插口，通過在管節端頭焊接20 mm厚法蘭和40塊20 mm縱向加勁板形成承口和插口，以適應管節偏轉的需求，管節之間采用M33限位螺栓進行連接。為保證受力均勻，并適應曲線段內外側不同壓縮變形的要求，根據管節之間的張角，在承口與插口法蘭之間安裝20 mm厚的木質墊塊。同時，為保證管節間的密封性，在接頭處安裝2道鷹嘴橡膠圈。

圖10　曲線頂管鋼管節

圖11　F型接頭結構圖

考慮到施工主要穿越的地層為粉質黏土、淤泥質粉土等軟土以及中粗砂等易流失地層，若接頭密封一旦失效，則可能會導致涌水、涌砂，甚至造成地表塌陷；特別是曲線頂管管節之間存在偏角，降低了接頭密封圈的密封性。為驗證曲線頂管接頭密封能力，對其進行了室內試驗，采用如圖12所示的試驗系統，主要由管道組件、加載反力裝置、注漿加壓裝置和數據采集裝置組成。管道組件由測試管節、外密封套管、簡化接收艙和洞口止水裝置組成，各部件通過螺栓連接。

圖12　室內頂管密封性測試系統

試驗過程中通過注漿加壓裝置向測試管和外套管之間注入泥漿并加壓，試驗設計每一級泥漿壓力為0.1 MPa，并保壓30 min。試驗共測試3種狀態下管節的密封情況，分別為管節偏轉0° 、0.265°和2.12°。密封試驗結果如表1所示。試驗結果表明，施工采用接頭密封結構的密封性在設計偏角內可以滿足現場要求。

表1　密封試驗結果

2.5復合地層頂管泥漿工藝

泥水平衡頂管施工必備2類泥漿：泥水平衡攜渣泥漿和潤滑減阻泥漿。對于一般單一地層頂管施工，泥漿工藝選擇相對簡單，但該管幕工程穿越多層復合軟土地層，既有松散滲透性好的砂層，又有致密的黏土層，同時地下水含鹽，對泥漿性能要求高。因此，需要根據不同地層的特性來分別制定與之配伍的泥漿工藝。

2.5.1泥水平衡攜渣泥漿

泥水平衡泥漿性能指標主要取決于地層的滲透性，滲透性越大，就要求泥漿的黏度越大。此外，考慮到含鹽地下水對泥漿性能破壞較大，還需對漿液進行一定的抗鹽處理。結合泥漿試驗和現場使用效果，不同地層推薦的泥漿性能指標及配方如表2所示。

表2　泥水平衡泥漿推薦表

2.5.2潤滑減阻泥漿

與泥水平衡泥漿類似，潤滑泥漿設計時主要考慮3點：1)足夠的黏度，在高滲透性砂層能保持泥漿長時間不漏失； 2)良好觸變性，使泥漿注入后能迅速變成凝膠狀，有效堵塞砂層孔隙； 3)泥漿應具有優良的抗鹽水能力。

綜合上述要求，在粗砂、礫砂層中，泥漿的馬氏漏斗黏度應不低于60 s，最終試驗確定的泥漿配方為1 m3

淡水+50 kg復合膨潤土+0.8～1 kg PAC-HV。該減阻泥漿配方對于致密黏土、淤泥質土均可適用，若地層滲透性較砂層更強，則考慮添加堵漏劑等材料。

以0號試驗管單位面積摩阻力曲線為例(如圖13所示)，隨著頂進距離的繼續增加，泥漿的潤滑性得到了較好的發揮，單位面積平均摩阻力穩定在1 kPa以下，大大減小了頂管施工所需要的頂進力。

圖13　0號管單位面積摩阻力曲線

2.6障礙物處理及頂管應急處理技術

2.6.1頂管障礙物處理技術

管幕上部頂管在穿越拱北口岸、澳門聯檢大樓及風雨廊過程中，遭遇大量建筑垃圾，包括混凝土塊、鋼筋、孤石等，造成頂進速度緩慢，并伴隨出現鋼筋短節堵塞泥漿管路等問題。因此，針對不同障礙物，提出如表3所示的處理方法，并采取以下處理措施。

1)根據頂力和刀盤旋轉情況判斷前方障礙物類型，根據情況適時調整頂進參數。

2)進入風雨廊段后，加大泥漿比重，提高攜渣能力，以便能攜帶出更多垃圾。

3)根據排渣情況，安排專人及時檢查管路是否堵塞，并及時清理，恢復頂進。

表3　頂管障礙物處理方案

2.6.2中繼套管頂管機脫困技術

9號頂管在頂進過程中遇到工作井突發涌水事故，為了控制地層水土流失，采取了注漿措施。期間9號頂管處于長時間停機狀態，從而導致潤滑泥漿大量流失，部分管節被土體及堵水漿液固結抱死，無法正常頂進。該頂管自東側工作井始發，至西側工作井接收，已累計頂進247.945 m，剩余長度6.6 m，此時，刀盤已穿過西工作井土體加固區，進入素混凝土墻約200 mm。

通過討論篩選，最終研發出中繼套管頂管機脫困技術[17]，實施過程如圖14所示。將頂管機后方原有的第2個和第3個管節間F型接頭脫開，套入外徑為1 000 mm的小直徑管節；小直徑管節前端與原有第2節管節通過異形承插口連接，后端利用頂進油缸連接在后續抱死管節加強法蘭上，小管節與原有第3個管節之間設置2道止水密封圈。

圖14　中繼頂進法示意圖

脫困時，安裝在小管節后方的頂進油缸以后續抱死管節為支撐，將前方的頂管機頭連同原有第1個和第2個管節頂出，在原有第2個和第3個管節頂進分離后，2道密封圈防止地下水和泥漿進入管節內。最終頂管機順利進入接收艙，實現脫困。

3　結論與討論

1)在類似拱北隧道高水壓復合軟土地層中進行頂管施工，泥水平衡頂管機是合理的選擇，為實現在不同地層中高效掘進，宜配備復合刀盤。機械連接方式的鋼管節不僅實現了鋼管曲線頂進，而且采用的鷹嘴型橡膠圈滿足現場0.3 MPa水壓力的密封要求，但鋼管節在曲線頂進條件下的受力特性及接頭偏轉對橡膠圈密封性的影響有待進一步研究。

2)對于臨海復合軟土地層頂管施工，頂管泥漿的制備需考慮地層的特性，砂性地層泥漿以抗滲漏為主，黏性地層泥漿應具有防止泥包刀盤的性能，同時應注意泥漿的抗鹽水侵蝕能力，要保證泥漿性能在長時間內保持穩定。

3)工程創新提出的超小間距曲線頂管精度控制技術，不僅滿足該管幕精度要求，也可為后續曲線頂管精確頂進提供技術依據。采用的泥水平衡鋼套管接收艙實現了高水壓復雜地質條件下頂管機安全接收，將成為高水壓頂管接收施工的優選技術。中繼套管頂進法通過在機頭后方設置中繼小管節，實現了在管節抱死情況下的機頭脫困頂進。

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Key Construction Technologies for Curved Jacking Pipe Roofing of Gongbei Tunnel

ZHANG Peng1, PAN Jianli2, LIU Yingliang2, MA Baosong1,*

(1. Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, Hubei, China;2.ChinaRailway18BureauGroupCo.,Ltd.,Tianjin300222,China)

The construction difficulties of curved jacking pipe roofing of Gongbei Tunnel under complex soft soil, high groundwater pressure and sensitive environment conditions are analyzed. The technologies adopted include pipe jacking machine selection, launching and receiving under high groundwater pressure technology, accuracy control of small span curved jacking, pipeline structure and sealing test and treatment of pipe jacking slurry and obstacles. Good effects have been achieved.

Gongbei Tunnel; curved jacking pipe roofing; accuracy control; steel sleeve receiving chamber; pipe jacking slurry; relay sleeve method

2016-02-01;

2016-03-09

張鵬(1988—)，男，山西大同人，中國地質大學(武漢)地質工程專業在讀博士，主要研究方向為頂管等非開挖技術和理論。E-mail: cugpengzhang@163.com。*通訊作者：馬保松，E-mail: mabaosong@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.08.012

U 455

A

1672-741X(2016)08-0968-08