矩形土壓平衡頂管技術(shù)在地鐵施工中的應(yīng)用

段寶元 蔣貴亮

(中國水利水電第四工程局有限公司，青海 西寧 810007)

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矩形土壓平衡頂管技術(shù)在地鐵施工中的應(yīng)用

段寶元 蔣貴亮

(中國水利水電第四工程局有限公司，青海 西寧 810007)

針對城市地面交通繁忙，地下管線復雜的現(xiàn)狀，以深圳地鐵7號線地下矩形通道為例，采用土壓平衡頂管法施工，介紹了大斷面矩形頂管施工原理、工藝流程及關(guān)鍵控制技術(shù)，以期為今后類似工程的施工提供參考。

大斷面，矩形頂管，施工工藝，矩形通道

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程簡介

本工程矩形通道位于華強北路與振華路交匯處，是7號線華強北站和華新站之間的地下通道，單條通道長度為41 m，共設(shè)3條矩形通道。地下通道采用鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)，設(shè)計鋼筋混凝土管節(jié)75節(jié)，管節(jié)內(nèi)徑6 000 mm×4 000 mm，單節(jié)重約42 t，連接處設(shè)置異形鋼管節(jié)2節(jié)，每節(jié)長7 m，鋼管節(jié)總重164 t。通道線路與地面的振華路呈“正交”關(guān)系，振華路作為交通要道，若采用明挖法施工，交通疏解非常困難，且地下管線多、遷改周期較長，因此采用土壓式頂管法施工。

頂管始發(fā)和接收工作井利用南北兩端的已成型車站建筑物內(nèi)?？紤]到3條矩形頂管通道之間間距較小，為減小相鄰通道頂進施工的影響，3條通道施工按照“先兩側(cè)后中間”頂進的順序，即按照①→③→②的順序從華強北站始發(fā)，由北向南頂進。

1.2 地質(zhì)條件

頂管范圍右線土質(zhì)主要為中砂、粗砂和少量素填土，左線土質(zhì)主要為礫質(zhì)黏性土和少量粉質(zhì)粘土。地下水位埋深3.80 m～4.60 m。

1.3 施工特點

本工程地下矩形通道采用土壓平衡頂管法施工，具有以下主要特點：開挖斷面尺寸大、頂管通道埋深淺、通道之間凈距小、距既有管線較近、地表沉降要求高。

矩形通道斷面尺寸6.9 m×4.9 m，頂進阻力較大，頂進中易對土體原狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞失去穩(wěn)定。3條通道之間凈距為2.15 m，小間距頂進時，頂進中產(chǎn)生的側(cè)壓力易引起附近通道和土層的位移、變形。通道頂部覆土約3.5 m，頂管機掘進時“背土”效應(yīng)明顯。通道與上方污水管正交，兩者最小凈距離331 mm；通道與下方地鐵2號線隧道正交，與2號線頂端僅550 mm～670 mm，施工時容易對既有污水管和2號線產(chǎn)生影響。通道上方地面交通繁忙，兩側(cè)多為高層商業(yè)建筑物，環(huán)境保護要求高。

2 土壓平衡式矩形頂管機介紹

本工程選用的多刀盤土壓平衡頂管機，全長約6.403 m，總重約205 t，主要由切削攪拌系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、糾偏及液壓系統(tǒng)、殼體、螺旋輸送機、測量顯示系統(tǒng)、電氣操作系統(tǒng)等組成。頂管機頭采用6個切削式刀盤，其中3個φ2 600刀盤前置，3個φ2 800刀盤后置，各刀盤軸向位置布置有1寸土體改良劑注入孔，2個φ560孔徑螺旋出土機，16個150 t糾偏油缸，在頂管機中部靠上位置設(shè)置兩個450 mm×600 mm人工清障進出口。推進系統(tǒng)主頂裝置采用頂鎬16只，行程2 450 mm，頂力2 000 kN/只。機頭正面圖和側(cè)視圖見圖1，圖2。

3 頂管法工作原理及工藝控制要點

3.1 工作原理

頂管施工就是在待埋設(shè)管道段兩端設(shè)工作井，借助于主頂油缸及中繼間等的推力，把工具管或掘進機及緊隨的管道從一端頂推穿過土層直到另一端的非開挖敷設(shè)地下管道的施工方法。

本工程采用的是土壓式頂管法施工工藝，是在頂進過程中，利用土倉內(nèi)的泥土壓力和螺旋機排土來平衡地下水壓和土壓力，并采取渣土改良、注漿減阻等輔助方法，保持開挖面的穩(wěn)定，以減少推進對地層的擾動，從而控制施工對周邊環(huán)境的影響。

3.2 頂管施工關(guān)鍵工藝控制

3.2.1 頂管進出洞

頂管進出洞口施工是頂管推進中的一項重要環(huán)節(jié)，其中涉及到洞口土體加固、止水裝置安裝、測量定位、頂管機就位、掘進參數(shù)確定等諸多因素。

1)洞口土體加固采用“門式加固法”，是對管道兩側(cè)和頂部一定寬度和長度范圍內(nèi)的土體進行加固，加固的方式有：注漿法、高壓噴射攪拌法、凍結(jié)法。本工程始發(fā)、接收端土體加固采用φ600@450雙管旋噴樁，始發(fā)端頭加固長度3.2 m，寬度為31.65 m；接收端加固長度3.65 m，寬度為33 m。

2)洞門簾布橡膠板安裝在預埋好的洞口鋼環(huán)板上，預埋鋼環(huán)采用8 mm厚Q235鋼板，并在延長洞門上預留注漿口等應(yīng)急措施。

3)洞口測量及頂管機導軌定位采用全站儀、水準儀施工放樣，確保通道的軸線、坡度、高程符合設(shè)計要求。頂管安裝順序為反力架安裝→推進油缸安裝→前盾安裝→盾尾安裝→刀盤安裝→輸送機安裝→U型頂鐵安裝。

4)土壓力初設(shè)值按Rankine壓力理論公式計算，結(jié)合經(jīng)驗確定。頂進推力為初始推力與管道和土層的摩阻力之和，頂進推力隨頂進距離長短而增減，出洞前降低頂推力。

3.2.2 頂管機姿態(tài)的控制

矩形頂管機方向控制難度大，為使通道按設(shè)計要求埋設(shè)，在頂進過程中，應(yīng)隨時掌握頂管機和已完通道的軸線空間位置數(shù)據(jù)，及時調(diào)整頂管機姿態(tài)，按照“先糾高低偏差，后糾左右平面偏差，最后糾正機頭自轉(zhuǎn)角”的原則進行。

1)頂管施工前，測量所使用的儀器儀表送專業(yè)機構(gòu)做全面檢定，并在使用過程中經(jīng)常檢查。2)每次頂進后應(yīng)測量管節(jié)左右平面位置、高程、轉(zhuǎn)角，分析偏差，調(diào)整頂管糾偏油缸的動作。3)頂進中頂管高程出現(xiàn)偏差，不宜改變土倉壓力、排土量，糾偏油缸調(diào)整量不應(yīng)太大。應(yīng)根據(jù)土質(zhì)情況，分析記錄的數(shù)據(jù)，及時調(diào)整千斤頂微量糾偏。4)頂進中頂管左右位置出現(xiàn)偏差，早預報、勤量測，做到勤糾、微糾。頂進速度應(yīng)盡量放慢，使刀盤對正面土體全斷面切削，控制排土量，穩(wěn)定土倉壓力并控制在設(shè)定范圍內(nèi)。5)頂進中機頭出現(xiàn)微小轉(zhuǎn)角，采取刀盤糾轉(zhuǎn)裝置、注漿糾轉(zhuǎn)等方法，應(yīng)及時糾轉(zhuǎn)。

3.2.3 開挖面穩(wěn)定施工管理

頂管開挖面的穩(wěn)定是防止地面沉降引起周邊建筑物及管線影響的關(guān)鍵因素，根據(jù)土壓平衡式頂管的基本原理，開挖面穩(wěn)定的關(guān)鍵是頂管機前端已切削泥土壓力與正面土層土壓、水壓力保持相等。開挖面穩(wěn)定施工管理的重點在于在頂進過程中，不斷分析和調(diào)整頂進速度、土壓力、排土量等相關(guān)掘進參數(shù)，并結(jié)合地下地上監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，使頂管機土倉壓力和開挖面土層土壓、水壓保持平衡。

1)頂進速度控制。頂管推進速度一方面是保證工程進度的保障，另一方面是保證開挖面穩(wěn)定、螺旋機出土量均勻的主要手段。頂管機的初始頂進是為正常掘進參數(shù)累積調(diào)整階段，初速控制在10 mm/min以內(nèi)，正常頂進速度控制在10 mm/min～20 mm/min。

頂進速度的控制通過調(diào)整機頭刀盤切削轉(zhuǎn)速、主頂千斤頂?shù)捻斶M速度和螺旋輸送機排土速度來實現(xiàn)。本工程礫質(zhì)黏土硬度較高，刀盤扭矩較大，為減小土體的擾動，D2 800刀盤的轉(zhuǎn)速控制在1.35 r/min，D2 600刀盤的轉(zhuǎn)速應(yīng)控制在1.58 r/min。

2)土壓力控制。按Rankine公式計算的土壓力，可作為土壓力的最初設(shè)定值，隨著頂進不斷進行，土壓力值應(yīng)通過頂進速度、排土量、地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)作相應(yīng)的動態(tài)調(diào)整。土壓力宜控制在1.5 bar～1.8 bar左右，防止土倉壓力不足造成洞頂水土流失，出現(xiàn)土體坍塌。

正常頂進過程中，土壓力的增減控制和頂進速度、排土量密切相關(guān)。如果土壓力值過高，應(yīng)適當降低頂進速度或增加出土量；反之，要增加頂進速度或減少出土量。

3)排土量控制。由于頂管機的結(jié)構(gòu)，我們無法直觀得到開挖面的具體情況，只能通過排土量的大小及監(jiān)測儀器數(shù)據(jù)來判定開挖面穩(wěn)定狀況。為此在頂進過程中，需安排專人對頂管機螺旋出土輸送機的排土量進行統(tǒng)計、分析，嚴格控制出土量，防止超挖或欠挖，本工程單節(jié)管節(jié)的理論出土量為53 m3，實際出土量控制在理論值的96%～100%。

排土量的控制采取調(diào)整螺旋機轉(zhuǎn)速、出土閘門開度的方法來實現(xiàn)。

3.2.4 注漿減阻

注漿減阻技術(shù)是大斷面頂管施工中一項重要的減少頂進阻力的措施。常用的減阻注漿潤滑主材有膨潤土、人工合成的高分子材料。為使管節(jié)周邊形成“泥套”，減輕頂進阻力，泥漿要具備不失水、不沉淀、不固結(jié)，既要有一定的粘度，也要有良好的流動性。注漿管路通常布置在頂管機前盾和成品管節(jié)預留注漿孔中，注漿孔要求均勻地分布于管道周圍。頂進結(jié)束后應(yīng)及時進行減阻泥漿的置換，置換時嚴格控制注漿壓力及注漿量，保證工程質(zhì)量。

3.2.5 監(jiān)測量控管理

施工前對周邊地上地下建筑物及管線實地詳勘，制定合理的監(jiān)測方案和保護措施。施工監(jiān)測主要包括頂管平面軸線和高程監(jiān)測以及管道周邊環(huán)境沉降監(jiān)測。頂管機平面軸線和高程監(jiān)測通過設(shè)于井內(nèi)的測量墩進行，發(fā)現(xiàn)偏差應(yīng)及時采取措施；管道周邊環(huán)境沉降監(jiān)測則通過埋設(shè)的沉降觀測點進行監(jiān)測。

監(jiān)測量控管理的重點是監(jiān)測量控方案的可行性、信息傳遞的及時性、預警反應(yīng)機制、應(yīng)急方案的可操作性等方面。

3.2.6 小間距大斷面頂進

本工程3條通道之間凈距為2.15 m，中間通道小間距頂進時，側(cè)壓力的作用易對已施工完成的兩側(cè)通道管節(jié)和地面環(huán)境沉降產(chǎn)生影響。為減少小間距頂進過程的影響，須采取以下措施：

1)3條通道施工按照“先兩側(cè)后中間”的頂進順序，即按照①→③→②的順序；采取“先保護后頂進”的施工程序，即①和③號通道頂進完成后，采取保護措施后方可進行②號通道的頂進作業(yè)。

2)兩側(cè)頂管通道施工時，盡量不超挖，優(yōu)化減阻泥漿的參數(shù)，減少對中間土體的擾動。兩側(cè)通道頂進結(jié)束后，及時置換泥漿，對通道施加預應(yīng)力，加強縱向整體剛度。

3)中間通道初始頂進時，應(yīng)控制好頂管機姿態(tài)偏差，及時糾正偏差，保持土倉壓力與土體水土壓力的平衡、保持切削土量與排土量的平衡，勻速頂進。

4)加強地面沉降、地下頂管機姿態(tài)監(jiān)測管理，信息化指導施工，嚴格控制施工參數(shù)，減小軸線偏差和地表沉降。

3.2.7 上穿2號線施工

本工程通道上穿2號地鐵隧道，頂管施工中由于隧道上方土體開挖卸荷，易引起通道底部地鐵隧道上浮或沉降，嚴重時將造成原有隧道結(jié)構(gòu)變形。為保證地鐵2號線的安全運營，須采取以下措施：

1)近鄰地鐵隧道頂進施工時間安排在列車運營間隙期進行，必要時降低列車在此段的行車速度。2)近鄰地鐵隧道頂進過程中，嚴格控制頂進推力、頂進速度及頂管機的姿態(tài)，做好開挖面土壓平衡管理。3)采用預加固法、堆載壓重法等方法，保證地鐵隧道變形控制在允許范圍內(nèi)。4)在頂管上穿地鐵2號線期間，對地面和2號地鐵隧道內(nèi)進行實時監(jiān)控，依靠監(jiān)測信息指導施工，按建立的不同安全級別預警機制，制定針對性強的突發(fā)應(yīng)急方案。

4 結(jié)語

本例頂管施工幾乎涵蓋了當前頂管工程中遇到的覆土淺、大斷面、多管小間距、上穿近鄰地鐵隧道、周邊環(huán)境保護要求高等復雜、特殊的施工條件。

施工中通過合理部署施工工序、嚴控各項施工技術(shù)參數(shù)、嚴控糾偏量，精心組織開挖面土壓平衡管理，優(yōu)化渣土改良，重視注漿管理和監(jiān)控量測信息管理，確保了本工程安全、順利實施。從監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，貫通誤差±30 mm、沉降量18 mm、隧道位移6 mm以內(nèi)，保證了工程質(zhì)量。

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Application of rectangle soil-pressure jacking pipe technology in subway construction

Duan Baoyuan Jiang Guiliang

(ChinaHydropower4thEngineeringBureauCo.,Ltd,Xining810007,China)

In light of busy city ground traffic and complicated underground pipeline status, taking Shenzhen subway line No.7 rectangle channel as an example, applying soil pressure balancing jacking pile construction technology, the thesis introduces the large-section rectangle jacking pile construction principles, technological procedures and critical control techniques, with a view to provide some guidance for similar engineering construction in future.

large section, rectangle jacking pipe, construction technology, rectangle channel

1009-6825(2017)18-0161-03

2017-04-20

段寶元(1976- )，男，工程師

U455.47

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