大截面近間距雙通道管廊矩形頂管施工技術(shù)

季向明

中億豐隧道工程股份有限公司 江蘇 蘇州 215131

1 工程概況

1.1 項目概況

背景工程位于蘇州太湖新城友翔路與龍翔路交叉處，為三倉斷面形式，其頂管段為友翔路與龍翔路交叉口的正下面，為了在管廊施工的同時不影響龍翔路交通，本段管廊工程采用了雙通道矩形頂管法進(jìn)行施工。頂管工作井位于友翔路上，接收井位于龍翔路西側(cè)，建成后，友翔路與龍翔路管廊將順利貫通，形成規(guī)劃中的地下綜合管廊的片區(qū)（圖1）。

圖1 現(xiàn)場平面工況

頂管機由工作井始發(fā)，穿越龍翔路至接收井，采用2條頂管并行布置，通道全長80.44 m，間距為0.6 m（圖2）。

1.2 工作井概況

圖2 整體頂管示意

工作井長13.9 m，寬10 m，基坑深15.26 m（圖3），頂管機進(jìn)洞口上部標(biāo)高為－8.21 m，工作井采用單排φ850 mm@600 mm三軸水泥土攪拌樁，有效長度至－26 m形成止水帷幕，內(nèi)側(cè)采用φ1 000 mm@1 200 mm灌注樁，灌入深度至－31m進(jìn)行工作井的豎向圍護(hù)，三軸攪拌樁與灌注樁之間@1 200 mm壓密注漿；水平支撐采用2道混凝土支撐及2道鋼支撐進(jìn)行圍護(hù)，在頂管機出洞洞口處增加雙排φ850 mm@600 mm三軸水泥土攪拌樁，加固深度至－17 m，并在最內(nèi)側(cè)三軸水泥土攪拌樁內(nèi)插700 mm×300 mm×13 mm×24 mm型鋼，密插至－17.5 m。

1.3 接收井概況

接收井長22.85 m，寬21.50 m，基坑深16.10 m（圖4）。接收井采用單排φ850 mm@600 mm三軸水泥土攪拌樁止水帷幕，深度至－16.04 m，φ1 000 mm@1 200 mm灌注樁支護(hù)深度至－33.60 m；進(jìn)洞口處三軸水泥土攪拌樁內(nèi)插700 mm×300 mm×13 mm×24 mm型鋼，密插至－17.50 m。

1.4 水文地質(zhì)概況

1）地質(zhì)情況。本工程頂管頂進(jìn)區(qū)間主要穿越④層粉質(zhì)黏土、⑤層粉質(zhì)黏土夾粉土。

2）地下水分布。第1種類型為孔隙潛水，賦存于上部填土、粉質(zhì)黏土中，水量不大，其補給來源于大氣降水的垂直滲入、河流的側(cè)向補給，排泄以蒸發(fā)為主。潛水水位埋深在0.15～3.00 m，標(biāo)高在1.44～1.83 m，水量較少，年變幅1.00 m左右。第2種類型為微承壓水，主要賦存于⑤2層粉土夾粉質(zhì)黏土層中，富水性中等，主要接受與其相通的含水層的側(cè)向補給及上游潛水的越流補給，排泄主要為人工開采和向下游的側(cè)向徑流，水頭升降受季節(jié)性變化影響。承壓水水位標(biāo)高在0.32～0.47 m，水量一般。

圖3 工作井效果圖

圖4 接收井結(jié)構(gòu)示意

1.5 管線概況

1）污水管線：污水管線為混凝土制作管道，其直徑為800 mm，底部距離通道頂部約2 m。在通道頂進(jìn)過程中，可在其位置（頂進(jìn)方向）前后3 m范圍內(nèi)降低0.01 MPa前方土壓力，同時加大此范圍內(nèi)的路面及污水管線的監(jiān)測頻率。

2）高壓線：高壓線距離地面約8 m。在整個施工過程中，無任何吊裝施工任務(wù)在此范圍，僅有進(jìn)出車輛從此通過，車輛（包括運輸物品）高度不超過5 m。

1.6 頂管機概況

本工程采用了JD5450×4500型土壓平衡矩形頂管機，頂管機由53 t的前殼體、30 t的后殼體以及2個10 t的螺旋出土機組成。頂管機前段安裝1大4小組合刀盤進(jìn)行土體切削，總切削率為91.2%。頂管機后頂系統(tǒng)由16個行程3.5 m的千斤頂組成，運行最大油壓為31.5 MPa（圖5）。

圖5 頂管機效果圖

2 施工重點、難點分析

2.1 頂管始發(fā)與接收的控制

頂管機始發(fā)與接收頂進(jìn)時，由于頂管機與門洞口存在施工間隙，故有可能導(dǎo)致原狀土體內(nèi)的地下水連帶泥漿涌入至始發(fā)井內(nèi)，造成土體失穩(wěn)塌陷及地面塌陷等安全事故。所以控制頂管機出洞及進(jìn)洞是本工程施工的關(guān)鍵工序之一。

2.2 雙排、近間距頂管頂進(jìn)

本項目頂管工程為雙排并行頂管，2條頂管之間凈距只有0.6 m，雙通道頂管分左右先后頂進(jìn)施工，由于左線施工對原狀土體造成了一定的擾動，在頂進(jìn)第2條頂管時，2條頂管之間的土體被進(jìn)一步擠密形成被動土壓力。中間層的土壓力將產(chǎn)生兩部分影響，一是對已經(jīng)貫通的左線管線形成側(cè)壓力，如果不進(jìn)行控制，將導(dǎo)致已建左線通道偏移，甚至是破裂；二是導(dǎo)致右線頂進(jìn)時頂管機向外側(cè)偏移，由于土體擠壓密實，無法通過油缸及注漿進(jìn)行糾偏，最終導(dǎo)致頂管機偏移且無法進(jìn)入預(yù)先設(shè)定的接收洞口。所以，在二次頂進(jìn)過程中如何控制側(cè)向土壓平衡、降低后施工頂管對已完成左線的管道管節(jié)造成的影響是右線頂進(jìn)施工的控制重點，也是本工程能否實施完成的關(guān)鍵[1-4]。

2.3 頂管姿態(tài)控制精度高

頂管機與出洞門洞框間距為10 cm，在頂管頂進(jìn)過程中，需要嚴(yán)格控制頂管頂進(jìn)方向與設(shè)計軸線的偏差，如何控制頂管的頂進(jìn)方向及姿態(tài)是保證頂管精確出洞的核心和關(guān)鍵。

2.4 下坡頂進(jìn)施工控制

頂管始發(fā)井洞口標(biāo)高為－9.41 m，接收井接收洞口標(biāo)高為－9.91 m，高差0.50 m，頂管下坡坡度為0.62%，在頂管頂進(jìn)過程中，在控制頂管姿態(tài)的同時還需要滿足該坡度頂進(jìn)，控制不好將導(dǎo)致頂管機無法進(jìn)洞接收（圖6、圖7）。

圖6 雙排并行頂進(jìn)示意

圖7 頂管機坡度示意

3 頂管施工控制措施

3.1 頂管始發(fā)與接收控制措施

3.1.1 鋼壓板橡膠止水簾布的安裝

由于洞圈與管節(jié)間存在著10 cm的建筑空隙，在頂管進(jìn)洞及正常頂進(jìn)過程中極易出現(xiàn)外部土體及觸壁泥漿涌入始發(fā)井內(nèi)的嚴(yán)重質(zhì)量安全事故。為防止此類事故發(fā)生，施工前在洞圈上安裝簾布橡膠板密封洞圈（圖8），橡膠板采用厚12 mm鋼壓板控制橡膠帶的柔性變形，壓板的螺栓孔采用腰子孔形式，以利于頂進(jìn)過程中可隨管節(jié)位置的變動而隨時調(diào)節(jié)，保證簾布橡膠板的密封性能。為了防止頂管機在進(jìn)洞口時刮破橡膠止水帶，在頂管機機頭位置設(shè)置導(dǎo)向鋼筋，待機頭完全進(jìn)入洞口之后再進(jìn)行人工割除處理（圖9）。

圖8 止水簾布、鋼壓板

圖9 機頭四角設(shè)置導(dǎo)向筋

3.1.2 發(fā)射架及頂管機的安裝

基座定位后必須穩(wěn)固、正確，在頂進(jìn)中承受各種負(fù)載后不位移、不變形、不沉降。

發(fā)射架共分為3塊，在井內(nèi)拼裝完成，通過高強螺栓連接成整體，基座上的2根軌道必須平行、等高。滿足軸線等條件后進(jìn)行加固（圖10）。

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(jìn)行精確定位，使頂管機出發(fā)軸線與設(shè)計軸線相符。

在頂管機準(zhǔn)確定位后，必須進(jìn)行反復(fù)調(diào)試，在確定頂管機運轉(zhuǎn)正常后，再進(jìn)行頂管出洞和正常頂進(jìn)工作。

3.1.3 洞門水平探孔與倉前壓力填充

洞門破除前，對洞口灌注樁里側(cè)SWM工法樁成型止水效果通過斷面探孔的方式，觀察、判斷灌注樁鑿除后，SWM工法樁掌子面的效果。鉆孔過程中注意避免SWM工法樁內(nèi)的型鋼（圖11）。

圖10 發(fā)射機及后頂系統(tǒng)安裝

圖11 水平探孔

洞門采用人工風(fēng)鎬按“縱向分段，豎向分層”的原則破除。破除完成后將洞口余渣快速清除，簾布止水壓板順直后將機頭快速頂進(jìn)型鋼處，刀尖距型鋼面5 cm。頂進(jìn)過程中保證機頭鏟齒對止水簾布板的無傷害，這是頂管施工中的第一步環(huán)節(jié)。型鋼拔除前務(wù)必完成機頭土倉內(nèi)不小于滿倉2/3的泥漿填充，保證型鋼拔除時前方土體不失穩(wěn)。避免洞口因型鋼的拔除造成沉降。型鋼拔出后的型鋼縫應(yīng)立即對其進(jìn)行注漿填充，上部表面用混凝土壓實。避免后期明水滲入頂管頂部帶動土體流失造成二次沉降。

3.2 雙排、近間距頂管頂進(jìn)

本項目頂管工程為雙排并行頂管，2條頂管之間凈距只有0.6 m，雙通道頂管分左右先后頂進(jìn)施工，由于左線施工對土體造成了一定的擾動，在頂進(jìn)第2條頂管時，兩頂管之間的土體被進(jìn)一步擠密形成被動土壓力，中間土體被擠密，導(dǎo)致通道兩側(cè)土體密實度不一致，給第2條通道的頂進(jìn)施工帶來了側(cè)向土壓不平衡的施工環(huán)境。

1）中間層集聚的土壓力對已經(jīng)貫通的左線管線形成側(cè)壓力，如果不進(jìn)行控制，將導(dǎo)致已建左線通道偏移，甚至是破裂。

2）中間層集聚的土壓力的增加會導(dǎo)致右線頂進(jìn)時頂管機向外側(cè)偏移，由于中間層擠壓密實，無法通過油缸及再注漿進(jìn)行糾偏，最終導(dǎo)致頂管機偏移無法進(jìn)入預(yù)先設(shè)定的接收洞口。

3）頂進(jìn)過程中的土壓不平衡造成了機頭頂進(jìn)姿態(tài)的不穩(wěn)定，控制難度增大。

通過分析，為了減弱被擠密土體對2條頂管產(chǎn)生的側(cè)向壓力的影響，給頂管機機頭靠近已完成通道的一面進(jìn)行設(shè)備改造——增加1道取土裝置。在機頭增加1道取土裝置后，頂管機在頂進(jìn)過程中，可將內(nèi)側(cè)擠壓土進(jìn)行擴大取土，讓中間土層先形成一條施工間隙，從而使中間被動擠壓土改變?yōu)橹鲃俞寜和粒窒馏w對機頭和成型通道的擠壓力。

3.3 頂管施工姿態(tài)控制

本工程矩形頂管機方向分為“兩段一糾偏”，頂管機姿態(tài)測量采用“兩段兩姿態(tài)、五位一體”的方法，即頂管機內(nèi)5個位置的控制點，反映出頂管機前、后段的姿態(tài)等情況。

3.3.1 測量控制點的引測

施工控制點從基坑外側(cè)地面引測至基坑內(nèi)。井內(nèi)測量控制點分別位于井內(nèi)后靠位置及結(jié)構(gòu)內(nèi)邊墻體上。

3.3.2 頂管機內(nèi)靶臺的安裝

頂管機內(nèi)靶臺的安裝分為前、后糾偏段。其中糾偏前段安裝3個靶臺，靠近頂管機胸板左右位置各安裝1個，前糾偏段尾部安裝1個。糾偏后段安裝2個靶臺，可分別安裝在后糾偏段的前、后位置。為避免靶臺被施工現(xiàn)場遮擋，靶臺安裝在頂管機中間上部位置。

3.3.3 姿態(tài)的測量

姿態(tài)的測量主要通過全站儀，對頂管機機頭靶臺三維坐標(biāo)的測量，再根據(jù)頂管機（管節(jié)）與內(nèi)部靶臺的空間位置關(guān)系、靶臺與設(shè)計頂進(jìn)軸線的關(guān)系，確定頂管機（管節(jié)）的姿態(tài)（趨勢）。

通過全站儀進(jìn)行五位一體的測量控制，計算出頂管機前殼體姿態(tài)偏位角、旋轉(zhuǎn)角。主要測量計算得出數(shù)據(jù)：

1）糾偏前段姿態(tài)的測量主要包含3個方面內(nèi)容：頂管機軸線的偏差、頂管機高程的偏差、頂管機的旋轉(zhuǎn)角度。

2）糾偏后段姿態(tài)的測量主要包含2個方面內(nèi)容：頂管機軸線的偏差、頂管機高程的偏差。

3）頂管機整體的頂進(jìn)里程。

通過測量出靶臺的空間三維坐標(biāo)即得出相對應(yīng)的頂管機的空間三維坐標(biāo)，再將頂管機的空間三維坐標(biāo)與設(shè)計的軸線相比較，得出空間中頂管機與設(shè)計軸線的偏差。頂管機姿態(tài)數(shù)據(jù)控制應(yīng)做到“實時監(jiān)控、勤測勤糾”。測量數(shù)據(jù)需實時轉(zhuǎn)化為頂管機的具體姿態(tài)，以指導(dǎo)頂管機施工。為此，普通的計算方法在時間上不滿足實時頂進(jìn)的需求，而數(shù)據(jù)計算一般采用編程的方法，可快速計算出頂管機的姿態(tài)。考慮到手機APP的方便及界面程序的簡易，本工程采用卡西歐5800P及java編程（編譯成APP）手機APP程序進(jìn)行姿態(tài)計算，測量的過程即為姿態(tài)計算的過程。測量員通過計算結(jié)果得出的頂管機的偏移數(shù)據(jù)可反映至監(jiān)控室，從而對頂管機進(jìn)行實時的糾偏控制處理（圖12）。

圖12 頂管機測量示意

3.3.4 側(cè)向糾偏的控制

對施工過程中的管節(jié)進(jìn)行側(cè)向水平測量，畫出管節(jié)的趨勢線路圖，計算出實際頂進(jìn)曲線和設(shè)計軸線的偏差量，利用糾偏油缸進(jìn)行彌補輔助糾偏。糾偏量不宜過大，應(yīng)控制在2 cm之內(nèi)。糾偏后趨勢與頂進(jìn)管節(jié)設(shè)計趨勢同步對應(yīng)，緩慢回收。

3.3.5 外力輔助糾偏措施

機頭內(nèi)部預(yù)先設(shè)置8個泥墊裝置，孔徑50 mm。當(dāng)頂進(jìn)過程中設(shè)備發(fā)生位移、旋轉(zhuǎn)、偏差等最不利工況，前面措施不能滿足糾偏要求時，利用高壓泥泵通過預(yù)留泥墊裝置向機頭外側(cè)注入配合比適中的混合土，給機頭一個反向的推力，使機頭回位到設(shè)計軸線中（圖13）。

圖13 機頭內(nèi)泥墊裝置示意

3.4 下坡頂進(jìn)的控制措施

3.4.1 發(fā)射架起始坡度控制

發(fā)射架搭設(shè)時，使發(fā)射架的搭設(shè)起始坡度與管道設(shè)計坡度（0.62%）相一致，并使機頭下行開始頂進(jìn)時就形成初始坡度。

3.4.2 千斤頂放壓頂進(jìn)控制措施

頂管機進(jìn)入加固區(qū)后，通過控制后端千斤頂，將后頂系統(tǒng)的下部千斤頂進(jìn)行放壓頂進(jìn)，從而避免機頭在加固區(qū)產(chǎn)生上浮趨勢。在正常頂進(jìn)時，液態(tài)漿注漿時控制壓力始終小于前方土體頂進(jìn)土壓力，避免漿液進(jìn)入前方土倉造成螺旋機打滑不出泥現(xiàn)象，導(dǎo)致機頭整體上浮。

4 結(jié)語

通過多種技術(shù)措施的控制與調(diào)整，頂管左、右線順利貫通，頂管機進(jìn)洞偏差均控制在1 cm以內(nèi)，順利進(jìn)洞進(jìn)行接收（圖14、圖15）。采用頂管法進(jìn)行綜合管廊過道路施工，成功解決了管廊施工與交通通行的矛盾，也為后續(xù)類似工程提供了借鑒。

圖14 左線頂進(jìn)接收

圖15 右線頂進(jìn)接收