國內(nèi)首條超大斷面矩形頂管隧道修建綜合技術(shù)

摘 要：國內(nèi)首條（鄭州市下穿中州大道）矩形頂管隧道工程具有斷面超大、超淺埋、四條隧道平行布置，凈間距小等特點(diǎn)，并為國內(nèi)首次采用矩形頂管隧道做為城市交通主干道，修建技術(shù)復(fù)雜。

關(guān)鍵詞：超大矩形頂管；覆土淺；小凈間距隧道；矩形管節(jié)設(shè)計(jì)；矩形頂管機(jī)設(shè)計(jì)；頂管隧道施工綜合技術(shù)

1 工程概況

紅專路下穿隧道起始點(diǎn)位于紅專路與姚寨路交叉口處，沿紅專路向東，下穿中州大道，終點(diǎn)位于紅專路與龍湖外環(huán)路交叉口處，工程全長(zhǎng)801.263m。其中下穿中州大道段采用矩形土壓平衡頂管法進(jìn)行施工，長(zhǎng)度為105m。頂管段隧道為四條隧道平行布置，中間兩孔斷面為10.10×7.25m，兩側(cè)兩孔斷面為7.50×5.40m。頂管隧道橫斷面圖見圖1。

2 頂管隧道特點(diǎn)及重難點(diǎn)

（1）斷面超大：機(jī)動(dòng)車道頂管隧道斷面為10.10×7.25m，為目前國內(nèi)乃至國外最大斷面矩形土壓平衡直拱頂管隧道。

（2）覆土淺：隧道覆土厚度在3.0-4.2m間，覆跨比僅0.3。

（3）凈間距小：四條隧道平行布置，隧道間凈間距僅1.0m，施工期間相互擾動(dòng)大。

超大斷面矩形頂管修建技術(shù)重難點(diǎn)在于：

（1）采用矩形頂管隧道做為城市交通主干道尚屬首次國內(nèi)首次，可供借鑒和參考的經(jīng)驗(yàn)較少。

（2）頂管管節(jié)斷面為超大矩形，橫向跨度較大，不利于頂板受力，造成管節(jié)厚度較大，整體管節(jié)較重，不利于管節(jié)運(yùn)輸和頂管施工，同時(shí)造成材料消耗較大，如何優(yōu)化管節(jié)斷面設(shè)計(jì)是需重點(diǎn)考慮的問題。

（3）頂管管節(jié)一般采用承插口進(jìn)行連接，承插口內(nèi)設(shè)置鷹嘴型或半圓形止水條進(jìn)行防水，如此超大斷面頂管管節(jié)防水及管節(jié)橫向連接是需重點(diǎn)考慮的問題。

（4）頂管隧道具有覆土淺、凈間距小等特點(diǎn)，土壓平衡頂管機(jī)掘進(jìn)過程中應(yīng)最大可能減小地層的擾動(dòng)和隧道間的相互影響，同時(shí)頂管隧道跨度較大，施工過程中頂板極易產(chǎn)生背土效應(yīng)，為此頂管機(jī)刀盤的選擇和防背土措施是需重點(diǎn)考慮的問題。

（5）矩形頂管隧道斷面超大、覆土淺、頂進(jìn)長(zhǎng)度105m（未設(shè)中繼間）、四條隧道平行布置，凈間距僅1.0m，施工過程中極易造成地表沉降超限、姿態(tài)偏差超限、頂進(jìn)推力極大和先后隧道間相互影響較大等問題，為此頂管施工中地表沉降控制、姿態(tài)控制、頂進(jìn)推力控制及小間距隧道頂進(jìn)是需重點(diǎn)考慮的問題。

3 超大斷面矩形頂管隧道管節(jié)設(shè)計(jì)

頂管矩形斷面與圓形斷面相比，有效使用面積節(jié)約45%，與雙圓斷面相比，有效使用面積節(jié)約35%，與橢圓形相比有效使用面積節(jié)約15%。由此可見矩形斷面具有充分利用結(jié)構(gòu)斷面，減少土地征用量和地下掘進(jìn)面積，合理的形狀分布，降低工程總體造價(jià)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)隧道受兩邊引坡段及拆遷的影響，隧道覆土較淺，紅線寬度較小，隧道斷面采用矩形。

3.1 頂管隧道管節(jié)矩形斷面的優(yōu)化設(shè)計(jì)

頂管管節(jié)斷面為超大矩形，橫向跨度較大，不利于頂板受力，為有效的改善管節(jié)結(jié)構(gòu)受力，將管節(jié)矩形斷面優(yōu)化為頂部起微拱的形式。經(jīng)計(jì)算，矩形管節(jié)頂部起微拱和平頂設(shè)計(jì)的跨中內(nèi)力計(jì)算結(jié)果對(duì)比見表1。

由表1可知，在同等條件下，頂板起拱與頂板無拱的矩形斷面管節(jié)相比，跨中彎矩減小25%，含筋量減少12%，管節(jié)厚度減小14%。優(yōu)化后的矩形斷面管節(jié)有效的改善了結(jié)構(gòu)受力，大大減少了材料消耗，降低工程造價(jià)，結(jié)構(gòu)自重減小，方便吊裝及運(yùn)輸。同時(shí)結(jié)合頂管機(jī)械裝備設(shè)計(jì)，管節(jié)頂部起微拱后，可有效減小頂管機(jī)盾殼的重量和刀盤切削盲區(qū)，更有利于頂管隧道的施工。

3.3 矩形頂管隧道管節(jié)接頭優(yōu)化設(shè)計(jì)

經(jīng)綜合調(diào)研和工程類比，矩形頂管隧道管節(jié)接頭采用F型接頭型式，但F型接頭存在防水效果不良、橫向抗剪力小等問題，為此對(duì)F型接頭防水和橫向連接進(jìn)行了改進(jìn)及創(chuàng)新。在原有的鷹嘴型和半圓形密封膠圈的基礎(chǔ)上增加了一道彈性密封墊，見圖2F型接頭防止做法示意圖，極大的改善了防水效果。在管節(jié)的橫斷面上設(shè)置6個(gè)自鎖型連接銷，見圖3矩形頂管管節(jié)接頭連接設(shè)計(jì)，極大的增加管節(jié)的接頭的橫向抗剪力。改進(jìn)后的管節(jié)接頭具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）管節(jié)接頭強(qiáng)度高，密封性好，在泥漿、水土壓力作用下不變形。

（2）采用了設(shè)置多道防水的做法，止水效果好。

（3）施工后接頭外側(cè)注入水泥漿液，管節(jié)接頭耐久性好，有效作用年限長(zhǎng)。

（4）鋼管與插銷預(yù)留合理間隙，兩側(cè)對(duì)稱布置，方便管節(jié)對(duì)接和頂進(jìn)糾偏。

（5）鋼管及插銷強(qiáng)度均較高，在相鄰管節(jié)受力不均衡時(shí)不發(fā)生較大變形和破壞，不削減管節(jié)剛度，管節(jié)結(jié)構(gòu)安全可靠。

4 超大斷面矩形頂管機(jī)針對(duì)性設(shè)計(jì)

4.1 矩形頂管機(jī)刀盤設(shè)計(jì)

目前常用的刀盤型式為偏心多軸式刀盤、仿形刀盤、組合刀盤，經(jīng)綜合調(diào)查、對(duì)比和分析，偏心多軸刀盤適用于隧道埋深較大，隧道上部管線較少，隧道之間的間距較大的工程；仿形刀盤適用于風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)小的工程；組合刀盤形式適用于隧道長(zhǎng)寬比大約在3：2、管線情況較復(fù)雜、沉降量要求控制高的工程，為了減小對(duì)土體擾動(dòng)，有效控制沉降，同時(shí)使盲區(qū)面積最小，采用六個(gè)刀盤前后交叉布置，臨近兩個(gè)刀盤之間保持一定的間隙，不發(fā)生相互干擾，開挖率可以達(dá)到90%左右。

4.2 矩形頂管機(jī)防背土設(shè)計(jì)

當(dāng)頂管機(jī)與上覆土層之間的摩擦力較大時(shí)，地層部分土體黏附在頂管機(jī)上部，隨著推進(jìn)長(zhǎng)度的加大，黏附土體越多，造成頂管推進(jìn)困難，即“背土”效應(yīng)，見圖4。

頂管機(jī)設(shè)計(jì)制造時(shí)，在頂管切口環(huán)處增加帽檐結(jié)構(gòu)，頂管掘進(jìn)過程中，實(shí)時(shí)注入觸變泥漿，形成良好的泥漿套，減小與地層的摩阻力。

4.3 矩形頂管機(jī)整體設(shè)計(jì)情況

四條頂管隧道采用兩臺(tái)頂管機(jī)進(jìn)行施工，其中機(jī)動(dòng)車道頂管機(jī)斷面為10.12×7.27m，非機(jī)動(dòng)車道頂管機(jī)斷面為7.52×5.42m。兩臺(tái)頂管機(jī)均采用土壓平衡模式、刀盤為6刀盤形式（3凸3凹），采用兩螺機(jī)出土、前盾設(shè)置“帽檐結(jié)構(gòu)”（防背土裝置）。

5 超大斷面矩形頂管施工關(guān)鍵技術(shù)

5.1 地表沉降控制

頂管施工過程中，加強(qiáng)地表、管線和周圍建筑物施工監(jiān)測(cè)，同時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整頂管掘進(jìn)參數(shù)，做到信息化施工。頂管掘進(jìn)過程中要嚴(yán)格控制渣土改良、土倉壓力和出渣量等技術(shù)參數(shù)，防止地表沉降出現(xiàn)超限的情況。隧道掘進(jìn)后，及時(shí)收集原始數(shù)據(jù)，并匯總分析，總結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步優(yōu)化施工參數(shù)，為下一條頂管隧道掘進(jìn)提供經(jīng)驗(yàn)和借鑒，同時(shí)及時(shí)進(jìn)行置換或壓密施工過程中注入的觸變泥漿，減小隧道貫通后的地表沉降和運(yùn)營過程中的變形。

5.2 矩形頂管姿態(tài)控制

頂管掘進(jìn)過程中，要加強(qiáng)頂管姿態(tài)的量測(cè)，時(shí)刻掌握頂管姿態(tài)以指導(dǎo)頂管掘進(jìn)施工。頂管姿態(tài)測(cè)量采用自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)和人工輔助測(cè)量相結(jié)合的方式，以確保頂管姿態(tài)的精確控制。當(dāng)頂管姿態(tài)發(fā)生偏差時(shí)，及時(shí)采用鉸接糾偏油缸、地層注漿和頂推油缸等糾偏措施進(jìn)行糾偏。同時(shí)掘進(jìn)過程中要精細(xì)化控制六刀盤和兩螺機(jī)出土等設(shè)備，以防操作不當(dāng)造成頂管姿態(tài)偏差較大，當(dāng)頂管姿態(tài)發(fā)生偏差時(shí)，亦可采用六刀盤和兩螺機(jī)出土等設(shè)備進(jìn)行輔助糾偏。

5.3 矩形頂管減阻技術(shù)

在頂管隧道施工過程中，通過同步注觸變泥漿，在頂管機(jī)和隧道周圍形成觸變泥漿套是頂管隧道主要減阻技術(shù)措施。

施工前必須根據(jù)膨潤土的性能、地層參數(shù)、注漿設(shè)備參數(shù)等進(jìn)行觸變泥漿配合比試驗(yàn)，找出適應(yīng)工程的觸變泥漿配合比。施工過程中加強(qiáng)同步注漿和二次補(bǔ)漿（漿液均為觸變泥漿），以保證形成良好的觸變泥漿套，起到良好的減阻效果。特別注意，頂管注漿要做到：先壓后頂，隨頂隨壓，及時(shí)補(bǔ)漿。同時(shí)要在管節(jié)外周圈進(jìn)行涂蠟或防水材料，以減少觸變泥漿套的失水，破換觸變泥漿套。

6 結(jié)論與討論

（1）下穿中州大道隧道工程首次將頂管施工應(yīng)用于城市主干道，在超大矩形斷面、淺覆土、小間距、地層多次擾動(dòng)等復(fù)雜情況下，通過頂管管節(jié)改進(jìn)及優(yōu)化設(shè)計(jì)、頂管機(jī)針對(duì)性設(shè)計(jì)、頂管施工的精細(xì)化控制，頂管隧道各項(xiàng)指標(biāo)均在規(guī)范和設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，對(duì)頂管施工工法有很大的推廣意義。

（2）頂管施工過程中，頂管隧道和頂管的設(shè)計(jì)、頂管施工控制參數(shù)要根據(jù)工程概況、地質(zhì)參數(shù)、現(xiàn)有條件等進(jìn)行選取，并參照國內(nèi)外同類工程。

（3）頂管隧道施工過程中，必須嚴(yán)格控制觸變泥漿配合比、同步注漿及二次注漿、渣土改良、掌子面壓力、出渣量、鉸接和注漿糾偏、六刀盤操作、兩螺機(jī)出土、隧道止退等技術(shù)，確保地表沉降、姿態(tài)偏差等技術(shù)指標(biāo)控制在規(guī)范和設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。

（4）隨著頂管斷面的加大，頂管隧道修建難度增加，頂管隧道管節(jié)頂板起拱度的大小、頂管機(jī)六刀盤開挖盲區(qū)側(cè)處理以及頂管施工中技術(shù)參數(shù)的控制如何根據(jù)具體工程實(shí)際概況進(jìn)行調(diào)整，有待進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：張彥偉（1977，1-），吉林省梨樹人，高級(jí)工程師，工程碩士。