國內首條超大斷面矩形頂管隧道修建綜合技術

摘 要：國內首條（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，并為國內首次采用矩形頂管隧道做為城市交通主干道，修建技術復雜。

關鍵詞：超大矩形頂管；覆土淺；小凈間距隧道；矩形管節設計；矩形頂管機設計；頂管隧道施工綜合技術

1 工程概況

紅專路下穿隧道起始點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，終點位于紅專路與龍湖外環路交叉口處，工程全長801.263m。其中下穿中州大道段采用矩形土壓平衡頂管法進行施工，長度為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 頂管隧道特點及重難點

（1）斷面超大：機動車道頂管隧道斷面為10.10×7.25m，為目前國內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?。核臈l隧道平行布置，隧道間凈間距僅1.0m，施工期間相互擾動大。

超大斷面矩形頂管修建技術重難點在于：

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

（2）頂管管節斷面為超大矩形，橫向跨度較大，不利于頂板受力，造成管節厚度較大，整體管節較重，不利于管節運輸和頂管施工，同時造成材料消耗較大，如何優化管節斷面設計是需重點考慮的問題。

（3）頂管管節一般采用承插口進行連接，承插口內設置鷹嘴型或半圓形止水條進行防水，如此超大斷面頂管管節防水及管節橫向連接是需重點考慮的問題。

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

（5）矩形頂管隧道斷面超大、覆土淺、頂進長度105m（未設中繼間）、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、姿態偏差超限、頂進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、姿態控制、頂進推力控制及小間距隧道頂進是需重點考慮的問題。

3 超大斷面矩形頂管隧道管節設計

頂管矩形斷面與圓形斷面相比，有效使用面積節約45%，與雙圓斷面相比，有效使用面積節約35%，與橢圓形相比有效使用面積節約15%。由此可見矩形斷面具有充分利用結構斷面，減少土地征用量和地下掘進面積，合理的形狀分布，降低工程總體造價等優點。同時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 頂管隧道管節矩形斷面的優化設計

頂管管節斷面為超大矩形，橫向跨度較大，不利于頂板受力，為有效的改善管節結構受力，將管節矩形斷面優化為頂部起微拱的形式。經計算，矩形管節頂部起微拱和平頂設計的跨中內力計算結果對比見表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相比，跨中彎矩減小25%，含筋量減少12%，管節厚度減小14%。優化后的矩形斷面管節有效的改善了結構受力，大大減少了材料消耗，降低工程造價，結構自重減小，方便吊裝及運輸。同時結合頂管機械裝備設計，管節頂部起微拱后，可有效減小頂管機盾殼的重量和刀盤切削盲區，更有利于頂管隧道的施工。

3.3 矩形頂管隧道管節接頭優化設計

經綜合調研和工程類比，矩形頂管隧道管節接頭采用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F型接頭防水和橫向連接進行了改進及創新。在原有的鷹嘴型和半圓形密封膠圈的基礎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。在管節的橫斷面上設置6個自鎖型連接銷，見圖3矩形頂管管節接頭連接設計，極大的增加管節的接頭的橫向抗剪力。改進后的管節接頭具有以下優點：

（1）管節接頭強度高，密封性好，在泥漿、水土壓力作用下不變形。

（2）采用了設置多道防水的做法，止水效果好。

（3）施工后接頭外側注入水泥漿液，管節接頭耐久性好，有效作用年限長。

（4）鋼管與插銷預留合理間隙，兩側對稱布置，方便管節對接和頂進糾偏。

（5）鋼管及插銷強度均較高，在相鄰管節受力不均衡時不發生較大變形和破壞，不削減管節剛度，管節結構安全可靠。

4 超大斷面矩形頂管機針對性設計

4.1 矩形頂管機刀盤設計

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，經綜合調查、對比和分析，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；仿形刀盤適用于風險系數小的工程；組合刀盤形式適用于隧道長寬比大約在3：2、管線情況較復雜、沉降量要求控制高的工程，為了減小對土體擾動，有效控制沉降，同時使盲區面積最小，采用六個刀盤前后交叉布置，臨近兩個刀盤之間保持一定的間隙，不發生相互干擾，開挖率可以達到90%左右。

4.2 矩形頂管機防背土設計

當頂管機與上覆土層之間的摩擦力較大時，地層部分土體黏附在頂管機上部，隨著推進長度的加大，黏附土體越多，造成頂管推進困難，即“背土”效應，見圖4。

頂管機設計制造時，在頂管切口環處增加帽檐結構，頂管掘進過程中，實時注入觸變泥漿，形成良好的泥漿套，減小與地層的摩阻力。

4.3 矩形頂管機整體設計情況

四條頂管隧道采用兩臺頂管機進行施工，其中機動車道頂管機斷面為10.12×7.27m，非機動車道頂管機斷面為7.52×5.42m。兩臺頂管機均采用土壓平衡模式、刀盤為6刀盤形式（3凸3凹），采用兩螺機出土、前盾設置“帽檐結構”（防背土裝置）。

5 超大斷面矩形頂管施工關鍵技術

5.1 地表沉降控制

頂管施工過程中，加強地表、管線和周圍建筑物施工監測，同時根據監測數據，及時調整頂管掘進參數，做到信息化施工。頂管掘進過程中要嚴格控制渣土改良、土倉壓力和出渣量等技術參數，防止地表沉降出現超限的情況。隧道掘進后，及時收集原始數據，并匯總分析，總結施工經驗，進一步優化施工參數，為下一條頂管隧道掘進提供經驗和借鑒，同時及時進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營過程中的變形。

5.2 矩形頂管姿態控制

頂管掘進過程中，要加強頂管姿態的量測，時刻掌握頂管姿態以指導頂管掘進施工。頂管姿態測量采用自動導向系統和人工輔助測量相結合的方式，以確保頂管姿態的精確控制。當頂管姿態發生偏差時，及時采用鉸接糾偏油缸、地層注漿和頂推油缸等糾偏措施進行糾偏。同時掘進過程中要精細化控制六刀盤和兩螺機出土等設備，以防操作不當造成頂管姿態偏差較大，當頂管姿態發生偏差時，亦可采用六刀盤和兩螺機出土等設備進行輔助糾偏。

5.3 矩形頂管減阻技術

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

施工前必須根據膨潤土的性能、地層參數、注漿設備參數等進行觸變泥漿配合比試驗，找出適應工程的觸變泥漿配合比。施工過程中加強同步注漿和二次補漿（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，及時補漿。同時要在管節外周圈進行涂蠟或防水材料，以減少觸變泥漿套的失水，破換觸變泥漿套。

6 結論與討論

（1）下穿中州大道隧道工程首次將頂管施工應用于城市主干道，在超大矩形斷面、淺覆土、小間距、地層多次擾動等復雜情況下，通過頂管管節改進及優化設計、頂管機針對性設計、頂管施工的精細化控制，頂管隧道各項指標均在規范和設計要求范圍內，對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計、頂管施工控制參數要根據工程概況、地質參數、現有條件等進行選取，并參照國內外同類工程。

（3）頂管隧道施工過程中，必須嚴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、兩螺機出土、隧道止退等技術，確保地表沉降、姿態偏差等技術指標控制在規范和設計要求范圍內。

（4）隨著頂管斷面的加大，頂管隧道修建難度增加，頂管隧道管節頂板起拱度的大小、頂管機六刀盤開挖盲區側處理以及頂管施工中技術參數的控制如何根據具體工程實際概況進行調整，有待進一步的研究。

參考文獻

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作者簡介：張彥偉（1977，1-），吉林省梨樹人，高級工程師，工程碩士。