矩形鋼筋混凝土管節在北方砂土及砂礫硬土層中頂進施工技術

張劍平

（上海市政交通設計研究院有限公司，上海市 200030）

矩形鋼筋混凝土管節在北方砂土及砂礫硬土層中頂進施工技術

張劍平

（上海市政交通設計研究院有限公司，上海市 200030）

結合工程實例，介紹了鋼筋混凝土管節在北方砂土及砂礫硬土層中頂進施工技術。其中詳細介紹了頂管機的選擇、頂進前的施工準備、矩形頂管測量、頂管出洞段頂進施工、正常段頂進施工、進洞段施工等施工過程，同時強調了頂管監測工作。

鋼筋混凝土管節；硬土層；頂進施工

1 工程概況

1.1 工程簡介

本工程是內蒙古呼和浩特市錫林郭勒路中山路交叉口地下人行連接通道，地處二條城市主干道路交叉口，周邊商業設施發達，車輛交通壓力大，人車混流現象嚴重，道路交通經常性堵塞。經呼市市政府、市建委及規劃部門研究決定，委托上海市政工程設計研究總院進行方案設計，為保證此工程對當地交通影響降至最低，在該路口采用矩形頂管的地道施工方案。本地道工程由四條矩形主通道和六座地面出入口組成。人行地道平面呈平行四邊形布置，從地下分別穿越上述道路。

地面出入口分別位于大天酒店、太古商城、海亮廣場、維多利商場的地面廣場上。總建筑面積約4 000 m2。頂管工作井設在大天酒店和海亮廣場附近，井的內邊尺寸9.0 m×11.8 m，接收井設在維多利購物中心和太古廣場，井的內邊尺寸為9.0 m×6.0 m，開挖深度均為12.0 m。

1.2 氣象水文

本地區屬于干旱、半干旱大陸性氣候，主要特點是降雨量少而集中，蒸發強烈、干燥多風、溫差變化大。根據呼市氣象站觀測資料：多年平均降雨量為400 mm，多集中于7～8月份，占全年降雨量的77%，多年月平均蒸發量1 781.8 mm，多年月平均最低氣溫-13℃，月平均最高氣溫為21.9℃。

1.3 工程地質

本工程場地現狀地面較平坦，標高一般0.000 m。地下水位穩定在地面下10.5～15.5 m，有微腐蝕性，抗浮設防水位為埋深5.0 m。屬中硬土，場地類別為Ⅱ類，為抗震一般地段，抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度為0.20 g，設計地震分組為第一組。地基自上而下依次為：①層雜填土，②1層褐黃色粉土，②2層黃褐色砂礫，②t層黃褐色粉質粘土，③1層黃褐-灰黑色粉質粘土，③2層黃褐色粉細砂，④灰綠-灰黑色粉質粘土。

頂管標高為 -5.65～-9.85 m，穿越③、③1、③2、③3層土層，根據現場基坑開挖情況分析，頂管穿越區域高度4.2 m范圍內穿越砂礫層1.2 m、砂土層3 m。

1.4 地下公用管線

施工區域位于呼和浩特市最繁華的鬧市區，路口地下公用管線密布，由于管線建成年代較久，物探和管線單位均未能提供準確的管線走向和分布圖。現場進行樣洞開挖和排摸工作，結合結果對頂管范圍內的公用管線做重點保護，必要的進行管線沉降和位移監測，在頂進過程中確保公用管線的安全。

2 施工總體部署

采用兩臺機頭分別從海亮廣場和大天酒店工作井分別向維多利廣場和太古廣場接收井頂進。

本工程由于建設方負責搬遷地下管線的工作延遲，各工作井、接收井圍護結構施工開工時間也相應延后，而該地區10月至來年4月氣溫降至0℃下，為冬季施工，極端最低至-26℃。施工期間，部分區間在頂進時遇到大量塊石，影響了原計劃，最后為了確保按期完工，在施工順序及措施上作了相應調整。

至2014年9月20日全部完工，包括內部裝修、設備電氣安裝、照明、標識標牌等及原合同外增補的廣場鋪裝、景觀、綠化、道路改造等，于2014年10月1日投入使用。

3 矩形管節頂進施工

工藝流程：測量放樣→安裝機架、后靠、主頂裝置→設備調試→頂管出洞→頂管頂進→吊放頂鐵或管節→頂進測量→頂管機進洞→頂管機分解、吊出接受井→漿液置換→拆除管內設備、嵌縫、清理、接頭處理

3.1 頂管機的選擇

3.1.1 土壓平衡式DFY型矩形頂管機

根據本工程地質條件及工期要求，經充分研究，決定采用土壓平衡式DFY型矩形頂管機。

（1）刀盤采用DFY型矩形頂管機七只大小刀盤組合，它具有間隙小和切削面積大的特點。小刀盤均布置加密先行刀和刮刀，均采用礦用合金刀頭，滿足在細砂、中砂和礫石中切削和壽命需要。每個小刀盤正面均分布四個單向注漿口，可以加注水、泡沫等用于改良土體。

（2）驅動裝置具有獨特的內置式箱型結構承受軸向力，承載能力強、變形小的特點。獨特的前置式推力軸承，具有尺寸及承載力大、壽命長和整個驅動裝置受力狀態良好等優點。采用大模數硬化的齒輪副（m=18）完全能滿足在本工程地質條件下長時間施工需要。充分考慮在復雜地層中頂管作業驅動扭矩大的特點，單個驅動單元扭矩系數α均為2.42，最大達2.94。每個驅動裝置均由獨立的變頻控制，可實現0～2 r/min無級調速，也可任意調整旋向而控制頂管機姿態。

（3）殼體采用前后三節布置，有利于長距離運輸，面板上分布十幾個注漿口，用于改良土倉內土體，上部增設3mm注漿鋼套板，有利于防止機頭背土，增加機頭在砂性土中的潤滑性。后殼體分布注漿口，可以減小磨阻力。所有承插口均進行機械加工，能有效地減少機內滲漏現象增強密封效果。

（4）螺旋輸送機采用大口徑（φ=720 mm）軸向出土螺旋輸送機，出土量大（60 m3/h）。變頻調速（0～18 r/min），采用專業廠家生產的定制的推力軸承，具有壽命長、傳動平穩等優點。采用齒形密封圈，具有密封效果好、壽命長等優點。針對復雜地層采用四個清障檢修口。

（5）控制系統采用機內機外二種操作模式，機內切換，集中控制，全部由操作室操作（包括所有頂管施工用電）并實施監控，二級氣壓倉，用于清障。

3.1.2 頂管機吊裝下井方案

矩形頂管下井以及吊出需要采用大型起重設備。為確保安全，施工前，需對起重設備停機位置進行地耐力檢測。

（1）主要起重和運輸設備

起重設備：500 t履帶吊1臺，180 t履帶吊1臺；

運輸設備：100 t平板車 2 輛，30 t、20 t、10 t運輸車若干。

（2）設備下井安裝工作流程：發射架、后頂裝置下井安裝調試→刀盤及驅動段下井放置在發射架上→后部糾偏鉸接段整體下井，放置在發射架后與刀盤及驅動段用螺栓連接、緊固→螺旋機下井并安裝到位→環形頂鐵和U型頂鐵下井安裝→電器柜安裝。

（3）頂管機頭的吊裝：頂管機從平板車上被吊起后，要作片刻停頓，一是確定頂管機頭實際重量是否在吊車的起重范圍內；二是觀察吊車對路面及工作井的影響。在確保安全的情況下，將頂管機頭緩慢吊入井內，準確地停放在發射架上。

（4）主頂的定位及調試驗收：主頂的定位將關系到頂進軸線控制的難易程度，故在定位時與管節中心軸線成對稱分布，以保證管節的均勻受力。主頂定位后，進行調試驗收，保證所有千斤頂的性能完好。

（5）頂管機就位、調試驗收：為保證頂管出洞段的軸線控制，頂管機吊下井后，需對頂管機進行精確定位，盡量使頂管機軸線與設計軸線相符；在頂管機準確定位后，必須進行反復調試，在確定頂管機運轉正常后，方可進行頂管出洞和正常頂進工作。

3.1.3 吊裝施工

頂管設備分三次吊裝，前殼體第一節的重量為91 t，其余重量分別為20 t、18 t，總重量一共為129 t。將500 t汽車吊車主機停放于井邊工作區域開闊位置，根據本工程實際情況和吊車負荷，全部安排在硬地坪上進行吊裝，吊車撐腳墊放層200 mm厚路基箱板，板寬2.2 m，長2.2 m。靠近基坑處的撐腳放置雙層路基箱板，吊車選用臂長32.7 m，工作半徑為16 m，撐腳中心離工作井外邊最小距離3m。吊車展開后安裝配重提升裝置，逐步把180 t配重加完。拖運車輛把頂管機停到吊車尾部或側部最佳位置。將吊環扣入頂管機吊點，慢慢起吊，吊裝平衡后，運輸車輛離開。吊車旋轉，轉到井的上部，頂管機慢慢下降至安裝指定位置。后面重復前面所有動作。

3.2 頂進前的施工準備

3.2.1 地面準備工作

在頂進前，按常規進行施工用電、用水、通道、排水及照明等設備的安裝。備齊施工材料、設備及機具，以滿足本工程的施工要求。井上、井下建立測量控制網，并經復核。

3.2.2 井下準備工作

（1）洞門安裝：由于洞圈與管節間存在著15 cm的建筑空隙，在頂管出洞及正常頂進過程中極易出現外部土體及觸壁泥漿涌入始發井內的嚴重質量安全事故。因此施工前在洞圈上安裝簾布橡膠板密封洞圈。

（2）基座及頂進后靠、機架的安裝：始發井結構施工時在底板預埋30 cm×30 cm鋼板，基座下井后與其焊接，確保基座在頂進過程中承受各種負載不位移、不變形、不沉降。洞門段的延伸導軌在工作井導軌鋪設完成以后跟進鋪設等安裝。規格采用43 kg/m的重軌長度大約在1.5 m。導軌安裝完成后，機頭部分導軌可以稍微抬高，抬高高度為5 mm,通過鋼墊片控制導軌抬高高度，做到控制準確，防止頂管機出洞后會出現磕頭現象。

后靠自身的垂直度、與軸線的垂直度對今后的頂進也至關重要。為保證力的均勻傳遞，鋼后靠根據實際頂進軸線放樣安裝時，在鋼后靠與始發井內襯墻間預留一定的空隙（空隙大小為10 cm），現澆素混凝土填充此空隙。鋼后靠的安裝高程偏差不超過5 mm，水平偏差不超過7 mm。

（3）頂進系統安裝：工作井基架安裝焊接→頂管機限位裝置焊接→后靠拼裝→前后殼體拼裝→首節管下井→止退裝置焊接→動力系統安裝→操作臺安裝→聯機調試

3.3 矩形頂管測量

3.3.1 測量流程

進場控制點的樁位交接與復測→現場踏勘、選點、地面控制點布網→控制點豎井傳遞、布設井下控制點→出洞口洞門測量及頂管機發射架定位→布設頂管機同步控制點→頂管機（管節）姿態測量→頂管進洞測量→頂管機進洞、隧道貫通測量。

3.3.2 平面控制測量

（1）空導點和洞門復測：先對業主提供的空導點進行復測并上報監理,再對出、進洞口進行復測。

（2）發射架定位：因設計線路較短且為直線,所以我們把兩洞門中心連線作為矩形頂管掘進的軸線。放出該軸線后通過全站儀投到井下作為發射架的定位的中心軸線。

（3）施工導線點的控制：根據復測后的空導點施工現場布設控制網，然后利用全站儀傳遞到施工導線點，所有導線按一級導線的要求進行測量并不斷對控制點進行檢查。

3.3.3 高程控制測量

根據業主提供的高程控制點實測兩洞門的實際高程，并在出洞口的井上和井下各布置兩個高程控制點，并定期對其進行復測。

3.3.4 頂管機和管節的跟蹤測量

頂管機進洞前開始對機頭進行跟蹤測量，在頂管機背面儀表盤處及后靠背上裝置激光經緯儀，隨著機頭的頂進，隨時跟蹤測量，根據測量的成果，對頂管機的左右上下位移進行隨偏隨糾。測量時每天做好測量原始記錄，并觀察已頂進完成的管節沉降情況。

3.4 頂管出洞段頂進施工

3.4.1 洞口鑿除

出洞之前對全套頂進設備做一次系統調試，在確認頂進設備正常后，開始采用切割設備鑿除井壁洞口鋼筋混凝土，安裝洞門止水裝置。

3.4.2 頂進施工

在洞圈內的墻壁結構全部破除后，應立即開始頂進機頭。另外，可能會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。

3.4.3 出洞段的各類施工參數

頂管機從始發井出洞后，應盡量減少水土流失，控制好地面沉降。頂管機出洞進入正常土體后3m范圍內的頂進作為本工程頂管的試驗段，應不斷根據地面沉降數據的反饋進行參數調整，及時摸索出正面土壓力、出土量、頂進速度、注漿量和壓力等各種施工參數最佳值，為正常段施工服務。

3.5 頂管正常段頂進施工

3.5.1 各類施工參數的計算與控制

（1）本頂管推進頂力計算：

式中：F為總頂力，kN；F1為管道與土層的摩阻力，kN，F1=（a+b）×2L’f；L’為管道頂進長度，m；f為管道外壁與土的平均摩阻力，kN/m2,宜取7～12；F2為頂管機的迎面阻力，kN,F2=a×bR1；R1為頂管機下部1/3處的被動土壓力。

F1=（6.93+4.23）×2×48×（7～12）=7450～12856（kN）（按最長頂距48 m計算）；F2=6.93×4.23×（0.7×18×9.25+20）=4 003（kN）；F=11 453～16 859（kN）=1 145.3～1 685.9（t）。

千斤頂布置在后靠部位，豎向2組，每組6個，底部2個，合計14個。

施工中，考慮一些外加的不利因素，實際頂進的最大推力在2 000 t以下。

（2）正面土壓力的設定

本工程采用土壓平衡式頂管機，利用壓力倉內的土壓力來平衡開挖面的土體，達到對頂管正前方開挖面土體支護的目的，并控制好地面沉降。因此平衡土壓力的設定是頂進施工的關鍵。土壓力采用Rankine壓力理論進行計算：

式中：P為管道的側向土壓力；k0為砂礫土的側向系數；z為覆土深度；P1為超載系數（20 kN/m2）。

以上數據為理論計算值，只能作為土壓力的最初設定值，隨著頂進的不斷進行，土壓力值應根據其它實際頂進參數、地面沉降監測數據作相應的調整，以利頂進正常進行。

3.5.2 頂進軸線控制

頂管在正常頂進施工中，必須密切注意頂進軸線的控制。在每1節管節頂進結束后，必須進行機頭的姿態測量，并做到隨偏隨糾，且糾偏量不宜過大，以免土體出現較大擾動及管節間出現張角。頂進軸線偏差控制要求：高程±50 mm；平面位置：±50 mm。

3.5.3 地面沉降控制

在頂進過程中，應合理控制頂進速度，保證連續均衡施工，避免出現長時間擱置情況；根據反饋數據進行土壓力設定值調整，使之達到最佳狀態；嚴格控制出土量，防止欠挖或超挖。

3.5.4 管節減摩

為減少土體與管道間摩阻力，在管道外壁壓注觸變泥漿，在管道四周形成一圈泥漿套以達到減摩效果，在施工期間要求泥漿不失水，不沉淀，不固結，以達到減小總頂力的效果。

3.5.5 止退裝置

由于矩形頂管掘進機的斷面較大，前端阻力大，實際施工中，即使管節頂進了較長距離，而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20～30 cm。當頂管機和管節往后退時，機頭和前方土體間的土壓平衡受到破壞，土體面得不到穩定支撐，易引起機頭前方的土體坍塌，若不采取一定的措施，路面和管線的沉降量將難以得到控制。

在前基座的兩側各安裝一套止退裝置，當油缸行程推完，安裝管節的時候，將銷子插入管節的吊裝孔。后退力通過銷子、銷座傳遞到止退裝置的后支柱上。止退裝置和基座焊接在一起，把管節穩住。

3.5.6 出土

本工程出土采用螺旋輸送機+軌道土箱+卷揚機+履帶吊的形式出土，一節管節的理論出土量為43.5 m3，在頂進過程中，應盡量精確地統計出每節的出土量，力爭使之與理論出土量保持一致，確保正面土體的相對穩定，減少地面沉降量。

3.6 頂管進洞段施工

3.6.1 接收井準備

接收井施工完成后，必須立即對洞門位置的坐標測量確認，根據實際標高安裝頂管機接收架，并準備破除接收井洞口的地墻鋼筋混凝土。

3.6.2 頂管機位置、姿態的復核測量

當頂管機頭逐漸靠近接收井時，應加強測量的頻率和精度，減少軸線偏差，確保頂管機能準確進洞。頂管貫通前的測量是復核頂管所處的方位、確認頂管狀態、評估頂管進洞時的姿態和擬訂頂管進洞的施工軸線及施工方案等的重要依據，使頂管機在此階段的施工中始終按預定方案實施，以良好的姿態進洞，正確無誤地座落到接收井的基座上。

3.6.3 頂管進洞

洞門完全打開后，采用探孔的方式觀察洞門四周是否有滲水現象，如土體完整，無滲水現象，則頂管機控制推進速度，快速、均勻前進。如洞門有滲水現象，用降水井進行水位控制。頂進至第一節管節進入內襯400 mm時停機，馬上將機體與管節脫離，頂管機退出后立即進行洞門封堵。頂管機與管節脫離時用千斤頂配合鉸接油缸在最短的時間內完成，以確保封洞門的時效性。洞門封堵自下而上，兩邊同時操作，速度要快，焊接要保證質量，封洞門鋼板要密閉，為后道洞口注漿創造條件，最關鍵的是整個過程越快越好。

3.6.4 注漿階段

洞門封堵結束后，為控制地面洞口區域的沉降，必須對洞口空隙進行填充。采用水泥漿+粉煤灰，具體注入部位見圖。注漿數量控制在理論值的2～3倍，具體根據現場實際情況及時調整。

3.7 地下障礙物、孤石處理

在四個區間的頂管實際操作中，機頭都遇到了大小不一的塊石，直徑150～700 mm左右，尤其以海亮至太古段為甚。遇到這種情況，一般儀表盤顯示電流過大，螺旋機不出土，頂進受阻。這時采用停止刀盤切削、螺旋機、主頂油缸鎖定，保持正面土壓力，打開人孔，操作工進入土倉，人工破碎取出，操作難度大，功效低。

3.8 管體穩定置換注漿

頂管機頭吊出接收井后，為確保土體和管體的穩定，將兩頭洞門與管節間的間隙封堵。然后在管節預留注漿孔的上部注漿，漿液自上而下從管節底部溢出，對溢出的泥漿進行集中處置。

3.9 頂管接口、止防水措施

接口是頂管工程的關鍵部位，保證做好接口部分是頂管成敗的關鍵。

管節止水圈材質為氯丁橡膠與水膨脹橡膠復合體，用粘結劑粘貼于管節基面上，粘貼前必須進行基面處理，清理基面的雜質，保證粘貼的效果。管節下井拼裝時，在止水圈斜面上和鋼套環斜口上均勻涂刷一層硅油，接口插入后，用探棒插入鋼套環空隙中，沿周邊檢查止水圈定位是否準確。

管節與管節間采用中等硬度的木制材料作為襯墊，以緩沖混凝土之間的應力，板接口處以企口方式相接，板厚為15～18 mm。

4 頂管監測工作

為確保頂管階段，各方因素安全受控，根據“工程設計文件”對沉降監測的要求，結合本工程的情況，頂管施工時還對以下方面進行監測：

（1）周邊道路地面沉降及建筑物跟蹤監測；

（2）地下管線的垂直位移監測；

（3）頂管井基坑變形監測；

（4）頂管管節及已完成通道后期沉降監測。

5 結語

綜上所述，該工程時間緊、任務重、技術難度高，之前尚無同類工程成功經驗可汲取。 我們團隊制定、優化了一系列專項施工方案及保證措施，及結合專家意見進行了科技攻關，得到顯著成效，解決該項目實施過程中的難題，如：頂管機頭選型，針對砂礫土層的刀盤布設、刀頭抗磨改良、注漿孔設置；大口徑矩形頂管在砂礫土頂進中的頂面背土問題；砂礫土層刀盤切削、螺旋機出土的土體改良問題；頂管機頭部孤石清除問題等。使得工程順利推進，圓滿完成，在質量、安全、進度、文明標化等各方面滿足業主要求，得到了一致好評。

U455.47

B

1009-7716（2017）12-0107-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.030

2017-07-24

張劍平（1969-），男，遼寧葫蘆島人，工程師，從事市政工程施工管理工作。