大斷面矩形頂管隧道管節角部新型連接施工技術

周仲賀, 王俊澎

(中鐵隧道局集團有限公司， 廣東 廣州 511458)

0 引言

隨著社會經濟的高速發展，城市地面空間日益緊張，地下空間的發展與運用越發受到青睞。文獻[1-5]從城市地下空間施工的發展歷程、地下空間探測、開發和利用、整體規劃研究等角度循序漸進、由淺及深地闡述了地下空間施工領域的研究成果及對未來的展望。由此推斷，目前現有科技條件下解決城市地面交通擁堵不堪的現狀，首要途徑是大力發展地下公路隧道、地下過街隧道、城市地鐵隧道等地下空間基礎設施。隨著地下隧道施工技術的飛速發展，矩形盾構隧道作為一種新型的地下隧道施工方式被廣泛地應用于地下公路隧道、地下人行通道等施工領域[6]。這種非開挖工程技術徹底解決了地下管道、通道埋設施工中對城市建筑物的破壞和道路交通的堵塞等難題，在穩定土層和環境保護方面優勢明顯[7]，對交通繁忙、人口密集、地面建筑物眾多、地下管線復雜的城市來說是非常重要的[8]。隨著隧道的長度越來越大，管節斷面尺寸越來越大，加之地下空間施工環境日益復雜(周邊道路、地下管線、構筑物影響)，對頂管施工工藝要求越來越高。文獻[9-11]給出不同復雜環境情況下頂管管節接縫連接方式選擇的建議。目前國內外隧道管節連接方式大致可分為連接鋼板焊接、螺栓連接、預應力錨索連接和倒拔銷連接。文獻[12-16]中指出這幾種連接方式分別存在著各自的不足之處： 1)連接鋼板焊接，即在隧道內部管節接頭處預埋鋼板，管節拼裝完成后，再采用鋼板進行焊接連接相鄰管節； 但焊接的連接方式會產生較高的溫度，易使管節混凝土炸裂，大量的焊縫需在管節拼裝完成及時進行焊接，造成管節施工循環時間較長。2)螺栓連接，常規盾構隧道普遍采用的一種連接方式，其優點在于連接快速，有一定剛性； 缺點是隨著管節體積增大螺栓孔距間誤差累計過大導致部分孔位無法穿入螺栓。3)預應力錨索連接，即在管節的上中下部預留孔洞，管節拼裝完成后，在孔洞內穿錨索，施加預應力，使管節連接成整體； 但預應力錨索連接方式受預應力錨索長度的限制，同時管節之間的抗剪力較差。4)倒拔銷連接，即通過管節首尾連接處預留的倒拔銷卡扣，在管節推緊后，前一環管節尾部的倒拔銷卡扣與后一環前段扣件鎖死，從而實現2環無法分離后退的目的。倒拔銷連接的優點是連接牢固可靠，且連接過程比上述3種連接方式節省施工時間； 但是由于倒拔銷連接屬于精密連接方式，管節在澆筑過程中預埋位置稍有不準確，將導致前后管節鎖扣無法對準、連接失效，并且在管節安裝過程中也存在一旦管節之間任意一個點鎖死后無法進行管節位置微調的弊端。

為了解決以上幾種管節連接方式的不足，開發一種施工簡單易行且適合大斷面矩形頂管隧道施工特點的管節連接方式顯得尤為重要。本文對大斷面矩形盾構隧道管節角部新型連接施工技術進行總結。該施工技術結合矩形盾構隧道管節連接的施工特點，使用新型張拉及注漿材料，并優化注漿壓力控制工藝，通過受力分析及驗算，確定采用管節頂部兩側角部各設置1條高強鋼筋張拉的管節連接方式。

1 管節角部張拉施工技術

1.1 工程項目概況及管節設計

1.1.1 工程項目概況

本施工技術的研究及應用依托于新加坡T221矩形頂管隧道項目，該隧道為新加坡地鐵湯申線Havelock車站的地下人行通道，下穿Zion Road和 Havelock Road，將車站出入口E、出入口D與出入口A相聯通。隧道全長150 m，共由94環管節對接拼裝而成。矩形頂管地下通道示意圖如圖1所示。

圖1 T221矩形頂管地下通道示意圖Fig. 1 Plan of layout of T221 rectangular pipe jacking underpass

1.1.2 管節設計概況

管節截面尺寸為7.6 m×5.625 m，管節單環長度為1.5 m，管壁厚度為500 mm，管節采用強度C50鋼筋混凝土預制而成。管節內側頂部兩側500 mm×500 mm的混凝土角部中心預埋直徑100 mm的PVC管作為管節角部連接施工管道，張拉施工過程中將合金鋼棒穿入預埋管中進行拉緊,然后用水泥漿填充管中剩余空隙。矩形隧道管節示意圖如圖2所示。

圖2 矩形隧道管節示意圖(單位： mm)Fig. 2 Sketch of rectangular pipe jacking segment (unit: mm)

1.2 管節連接技術必要性分析及施工原理介紹

頂管隧道需要單側開口,為了加強頂管隧道在開口區域的隧道整體性，同時防止因局部管節沉降變形過大導致隧道結構破壞，必須尋找一種可以增強局部管節的整體性同時又適應本隧道特殊條件(隧道單側開口，連接方式無法雙側對稱布置)的管節連接方式。項目施工團隊對隧道管節連接方式進行大量的研究比選，除引言部分所查閱的4種現有連接方式的不足之外，結合本隧道施工特點通過比對和分析得出以下結論： 1)螺栓連接和倒拔銷連接適用普通管節連接，對多環管節整體性增強效果極為有限； 2)連接鋼板焊接連接需要多點對稱布置，不適用于單側開口隧道，且對管節接縫處引流槽布置有阻礙，并有后期銹蝕失效的風險； 3)預應力錨索對多環管節張拉雖然可以實現增強隧道整體性的目的，但因張拉錨索對管節之間縱向沉降變形產生的剪力抵抗性差，同樣無法達到預期效果。在現有連接方式無法滿足要求的情況下，項目團隊嘗試開發一種新型的管節連接方式。這種連接方式需要滿足具有錨索張拉連接的良好整體性特點，并具有一定剛性可以抵抗管節縱向變形的剪力，同時也必須適應管節單側墻壁開口和具備良好的防腐耐久性特點，大斷面矩形頂管隧道管節角部新型連接施工技術應運而生。該施工方法是通過在管節頂部兩側內角處預埋張拉管道(避開單側墻壁破除區域及引流槽布置區)，隧道掘進完成后穿入高強鋼筋張拉并進行管道內注漿填實的一種后張法施工技術，既達到了增強隧道整體性的功效，同時有效地抵抗了隧道沉降變形產生的剪力，并通過注漿保護提高了合金鋼材的防腐和耐久性。通過新加坡專業設計公司的理論分析及受力驗算驗證，這種施工工藝適用于本隧道的隧道局部區域整體性增強施工，并取得了良好的施工效果。

1.3 張拉鋼材對比分析

張拉鋼材主要分為柔性材料(鋼絞線)和剛性材料(合金鋼棒)2種。柔性材料在張拉過程中變形量大、拉力大、操作復雜，本身不具有抗彎能力，需要通過對稱布置才能實現整體抗彎效果，且不具備抗剪能力等，不適用于矩形頂管隧道的后期加固；剛性

材料本身具有一定的剛度和抗剪能力，張拉操作簡單、變形量小，適用于矩形頂管隧道的后期加固施工。根據2種張拉鋼材的特性并結合施工現場的實際情況，最終選用名為Macalloy S1030、直徑為40 mm的合金螺紋鋼棒作為張拉鋼材。Macalloy S1030鋼材照片如圖3所示。張拉材料對比如表 1所示。

圖3 Macalloy S1030鋼材照片Fig. 3 Photo of Macalloy bar S1030

表1 張拉材料對比表Table 1 Comparison between two tensioning materials

1.4 管節張拉施工設計

1.4.1 管節張拉施工方式設計

T221頂管隧道共有3處需要單側開口鑿除管節側壁與附屬結構連接, 管節張拉區域示意圖如圖4所示。管節角部張拉區域A區是隧道與出入口D的連接處,張拉長度為19.5 m，并在張拉區域B區和C區預留開口位置,是為后續工程預留的接口,B區張拉長度為13.5 m，C區張拉長度為15 m。

圖4 管節張拉區域示意圖Fig. 4 Tensioning zones of segment

在管節澆筑施工時將φ100PVC管埋入管節角部指定位置，隧道管節拼裝完畢后在隧道受力居中部位管節兩側上方構成2條張拉通道。將合金鋼棒穿入預留張拉孔洞中，通過兩端鋼墊塊、墊片及螺母緊固，將鋼棒固定至預留孔洞中心位置。管節張拉設計平面示意圖如圖5所示。管節張拉設計剖面示意圖如圖6所示。

圖5 管節張拉設計平面示意圖Fig. 5 Plan of designed segment tensioning

圖6 管節張拉設計剖面示意圖(單位： mm)Fig. 6 Longitudinal profile of segment tensioning (unit: mm)

1.4.2 管節張拉施工參數設計

根據設計驗算得知： 每增加1環管節長度(1.5 m)需要增加的拉力為2.308 kN,以最長張拉段A區為例，A區共有13環管節，張拉長度為19.5 m，計算可得設計張力為30 kN，現場實際施工過程中使用轉矩扳手對高強合金鋼棒進行張拉。

設計轉矩=p×D/K=30 kN×40 mm/4.5=

266.7 N·m。

式中：p為設計張力，30 kN；D為合金鋼棒直徑，40 mm；K為張拉系數(根據合金鋼棒生產廠家提供的材料張拉系數表查得)，Macalloy S1030、φ40 mm合金鋼棒張拉系數為4.5。

考慮到預加一定富余系數抵抗注漿凝結期間的轉矩衰減，設計要求附加25%的轉矩。

實際施加轉矩= 設計轉矩×安全系數=266.7 N·m×

1.25=333.4 N·m。

通過上述計算可知，A區張拉施工時轉矩扳手所需要施加的轉矩為333.4 N·m。

每環管節(張拉長度為1.5 m)所需實際施加轉矩=333.4 N·m/13=25.65 N·m。

B區共計9環管節(張拉長度為13.5 m)，施工實際施加轉矩=25.65 N·m×9=230.85 N·m。

C區共計10環管節(張拉長度為15 m)，施工實際施加轉矩=25.65 N·m×10=256.5 N·m。

1.5 管節張拉施工準備工作

合金螺紋鋼棒張拉在施工操作上具有操作簡單、速度快、安全度高、節能環保等優點，一定程度上符合發達國家施工安全、節能環保的施工理念。

1.5.1 管節角部張拉施工人力需求

現場施工過程中主要需要工程技術人員1人、工班長1人、普工2人，所需施工人員需根據實際情況進行調整。

1.5.2 管節角部張拉施工主要材料及設備需求

如表2所示。

表2 材料及設備需求表Table 2 Equipments and materials

螺旋式注漿機是一種新型的注漿設備，在注漿口處設有壓力傳感器實時監測注漿壓力，并將數據傳輸到設備的壓力控制芯片，該芯片會根據預先設定的注漿壓力值及注漿口反饋的壓力數據，調節注漿電機的馬力帶動螺旋注漿管內葉片旋轉勻速注入漿液。螺旋式注漿機如圖7所示。注漿設備參數如表3所示。

圖7 螺旋式注漿機Fig. 7 Screw-type grouting machine

表3 注漿設備參數表Table 3 Grouting equipments and materials

1.6 張拉操作流程

1)使用高壓水槍沖洗預埋張拉孔洞內部，并用壓縮空氣吹干殘留水體。

2)張拉孔接縫處進行密封處理，并對密封處理進行質量驗收。

3)穿入合金鋼棒并將鋼棒調整到中心位置，兩端依次安裝墊塊、墊片、緊固螺母，固定鋼棒位置。

4)張拉施工前再次確認張拉區域，檢測張拉段，根據設計計算書確認本次張拉施工實際施加轉矩。

5)使用轉矩扳手旋緊螺母，并施加至實際施加轉矩(允許±1%誤差)，并等待5 min。

6)檢查轉矩值是否達到實際施加轉矩(允許±5%誤差)，如果轉矩衰減超過5%，再次施加轉矩至實際施加轉矩(允許±1%誤差)，并等待5 min再次檢查轉矩衰減情況。如仍不滿足要求，重復此步驟，直至轉矩衰減滿足誤差要求。管節角部張拉施加轉矩如圖8所示。

2 張拉管道壓漿施工技術

鋼筋張拉施工完成后，張拉孔道依然存在剩余空

間。為了避免張拉鋼筋受到腐蝕，同時提高張拉鋼筋與隧道管節間的結構整體性，需要進行張拉孔道壓漿施工。其施工原理是： 通過注漿機將水泥漿液從張拉孔道一側壓入，并由對側排除管道內的殘余空氣，從而達到填滿壓漿孔道的施工要求。

圖8 管節角部張拉施加轉矩Fig. 8 Torque adding on Macalloy bar at segment corner

2.1 壓漿材料比選

張拉孔道壓漿施工中，由于其注漿空間通常為細長、截面狹小的孔道空隙，所以對注入漿液的流動性要求極高。在注漿材料選擇上，國內多用硅酸鹽或普通硅酸鹽水泥加外加劑(減水劑、膨脹劑等)通過多組試驗確定壓漿材料及配合比，試驗周期長，不同廠家甚至同一廠家不同批次的水泥及外加劑配制出的水泥漿液強度偏差不易掌控。為保證壓漿材料強度的穩定性，現場選用特殊的復合配方水泥(Emcekrete HP)及添加劑制品(Muraplast 120)，此種注漿材料具有凝結強度穩定、拌合物流動性好、泌水率低、硬化體積微膨脹等特點，非常適合張拉注漿施工。張拉注漿材料28 d抗壓強度匯總如表4所示。漿液泌水率試驗如圖9所示。擴散度試驗如圖10所示。

表4 張拉注漿材料28 d抗壓強度匯總表Table 4 Statistics of 28 d compressive strength of tensioning grouting materials

2.2 張拉管道壓漿施工參數設計

2.2.1 壓漿配合比設計

張拉管道壓漿漿液由Emcekrete HP、Muraplast 120和水配制而成。材料配合比如表5所示。

2.2.2 壓漿壓力要求

通過設計驗算注漿管道長度在20 m以內(A區長度19.5 m，B區長度13.5 m，C區長度15 m)，張拉管道注漿壓力選用0.5～0.7 MPa，閉漿條件為總注漿量不小于理論注漿量的105%，且排氣口漿液壓力達到0.5 MPa，閉漿5 min壓力不低于0.5 MPa。

2.2.3 壓漿試驗參數要求及試件檢驗結果

張拉管道壓漿漿液拌合完畢后需要進行漿液體積質量、漿液擴散度、漿液泌水率試驗。漿液試驗參數要求如表6所示。

圖9 漿液泌水率試驗(試驗結果1%)Fig. 9 Bleeding test of grouting cement (1%)

圖10 擴散度試驗(實測擴散度900 mm)Fig. 10 Flowing test of grouting cement (slump of 900 mm)

表5 壓漿材料配合比表Table 5 Mixing ratios of grouting cement

2.3 管道接縫處密封處理

由于注漿管道長度均為10 m以上，管道注漿壓力很大，現場施工過程中在管道接縫處設置橡膠止水圈(內徑120 mm，外徑140 mm，厚度25 mm)，止水圈與管節混凝土表面通過防水膠水粘貼，并且在張拉過程中管節拉緊會使止水圈與兩側混凝土面更緊密貼合，達到良好的防水防漏效果。注漿管道密封圈如圖11所示。

2.4 管道注漿施工控制

在張拉完成后，應保證盡早壓漿，且應在48 h內完成壓漿全部操作。

2.4.1 壓漿前的準備工作

1)用清水沖洗管道，沖洗后，應使用壓縮空氣將孔道內的所有積水吹出。

2)檢查壓漿設備并對設備進行清洗，清洗后的設備內不應有殘渣和積水。

3)現場根據漿液配合比要求配制壓漿材料，用量應精確到±1%。

4)對配制完畢的漿液現場進行漿液體積質量、漿液擴散度、漿液泌水率試驗，試驗結果滿足設計參數要求后留置抗壓試塊進行注漿施工。

2.4.2 壓漿施工

管節角部張拉孔道注漿施工如圖12所示。

1)開啟注漿口和排氣口的閥門，從注漿口一側開始壓漿，調節螺旋注漿機，將管道注漿口處的注漿壓力控制為0.5～0.7 MPa(注漿孔道空間狹小且水平距離10 m以上，水泥漿液黏度較大壓力過小不利于漿液填滿孔道)。

表6 漿液現場試驗參數Table 6 Parameters of fresh grouting cement

圖11 注漿管道密封圈Fig. 11 Sealing ring for grouting pipe

圖12 管節角部張拉孔道注漿施工Fig. 12 Grouting at pipe sleeve of Macalloy bar

2)當排氣孔排凈空氣且流出連續的水泥漿時，關閉管道排氣口。

3)關閉排氣口后，降低注漿機流速繼續緩慢注漿直至排氣口處壓力達到0.6 MPa。關閉注漿口停止注漿，觀察排氣口處壓力變化。

4)統計總注漿量應不小于理論注漿量的105%，且閉漿5 min后排氣口壓力不小于 0.5 MPa。

5)在停止注漿之后5 min內，如排氣口處壓力迅速降低且小于0.5 MPa，則需檢查管節接縫處是否有漿液滲漏，確認無滲漏或滲漏修補完畢后打開注漿口緩慢注漿，將排氣口壓力增加到0.6 MPa，停止注漿，5 min后檢查壓力變化情況。如注漿壓力依然低于0.5 MPa，則需重復此步驟直至注漿壓力滿足要求。

3 管節角部張拉施工注意事項及優缺點分析

3.1 管節角部張拉施工注意事項

1)管節角部張拉孔道與普通張拉施工不同，是由每環管節1.5 m長預埋管道連接而成，這對管節澆筑施工預埋管件位置精度提出了極高的要求。在預埋管固定與混凝土振搗過程中要注意對預埋管的保護，防止其偏移。

2)管節安裝時預埋管接縫處的密封處理是張拉施工的重難點之一，必須確保接縫處密封良好，防止壓漿時出現漏漿液導致無法達到預設閉漿條件的返工事件發生。

3)壓漿前必須確保管內塵土及雜物清理干凈，并且注漿前再次用清水清理并用高壓空氣吹出多余積水。經過濕潤的管壁有助于與水泥漿液緊密結合，減少氣泡殘留。

4)注漿機器的選擇是管節角部張拉施工的重要環節。傳統的活塞式壓漿機注漿壓力波動較大，容易沖破壓漿管道接縫處密封導致爆管注漿失敗。施工過程中選用螺旋式壓漿機代替活塞式壓漿機，其漿液輸送壓力均勻平穩無大幅波動，特別適合管節張拉壓漿施工。

3.2 管節角部施工技術優點

1)張拉施工操作方法簡單，可在隧道整體完成后進行，有效地縮短了隧道掘進工期，節約了施工成本。

2)施工空間需求小，施工人員需求少，施工工藝安全環保，且對其他工序影響小。

3)有效增強隧道整體穩定性，并加強隧道接縫處抗剪能力。

4)采用了新型注漿材料，提高了水泥漿液的流動性，并且漿液凝固強度也有所提高。

5)改良的張拉注漿設備使注漿壓力平穩均勻，降低了漏漿的風險。

3.3 管節角部施工工藝不足

1)高強鋼筋和新型注漿材料的價格比傳統連接方式材料價格要高。

2)張拉極限長度受限(整個隧道不能全部成整體張拉，只能分段張拉)。

3)張拉段管節外形與非張拉段管節頂部內腋角部結構不同，需要更換預制管節模具的內角模。

4)材料進口手續繁瑣，備料周期較長。

5)對管節預制和拼裝施工提出的精度要求較高。

4 結論與討論

1)本文所提出的大斷面矩形隧道管節角部高強鋼筋張拉施工技術通過實際施工項目應用得到驗證，該施工技術作為一種新的管節連接方式有效地增強了隧道局部區域的整體性(將管節錯臺控制在5 mm以內)，且同時滿足了本隧道側面開口和耐久性的要求，適用于矩形頂管隧道的管節連接施工。

2)本管節連接施工技術與該研究領域現有常用的連接方式(焊接連接、管片螺栓連接、預應力錨索連接、精密倒拔銷連接)相比，具有操作簡單、施工速度快、安全環保等諸多優勢。

3)管節角部張拉施工技術應用了新的施工材料(高強合金鋼棒、新型注漿材料)，降低了張拉施工的技術難度，增強了注漿漿液的流動性和終期強度，增強了隧道的整體穩定性，提高了管節接縫處的抗剪能力。在施工過程中改進了注漿壓力控制技術，選用了新的注漿設備，使注漿壓力更加平穩可控。

4)管節角部張拉施工技術作為一種新的頂管管節接縫連接方式，為類似隧道工程提供了參考依據。如何進一步加強和改進管節接縫處預埋注漿的密封連接方式，提高預埋注漿管接縫處抗壓能力并降低漏漿風險,以及如何優化中間段出漿口布局，確保更好地排出注漿孔道內的空氣提高注漿質量等問題，仍是一個值得進一步研究和考量的課題。