淺埋小間距矩形頂管掘進姿態控制技術探討

胡景軍， 豆小天， 李志軍， 王晉波， 趙李勇， 李永薔

(1. 中鐵隧道局集團有限公司， 廣東 廣州 511458； 2. 中鐵隧道集團二處有限公司， 河北 三河 065201)

0 引言

在城市地下工程建設中，為避免傳統明挖“開膛破肚”式施工的不利影響，可采用頂管法等機械暗挖方法。頂管斷面多為圓形或矩形，矩形斷面具有空間利用率高的優勢，在國內外被廣泛應用。目前，我國的矩形頂管技術已被成功應用于綜合管廊、地鐵區間隧道、地下過街通道等多類工程項目。但頂管施工仍存在諸多技術問題，尤其在掘進斷面較大的頂管工程中，頂管機姿態控制困難及栽頭問題頻繁發生，影響工程質量和安全。

國內外學者對上述問題進行了研究。文獻[1-3]以鄭州市紅專路下穿中州大道項目為依托，對頂管掘進姿態控制進行了研究，指出采取鉸接糾偏、注漿糾偏等技術可有效控制頂管姿態。羅云峰等[4]針對上海白龍港片區南線輸送干管工程，介紹了該工程頂管頂進姿態控制的關鍵技術。季向明[5]依托蘇州友翔路段小間距(凈間距0.6 m)矩形頂管施工工程，應用機械二次改造及針對性的糾偏措施,成功控制了近間距雙排并行頂管的施工姿態。胡朝暉[6]以某過河管網工程為依托,論述了在長距離頂管過程中有效降低頂管軸線偏差的方法。田琨等[7]對頂管姿態控制技術在復雜地質長距離頂管施工中的應用進行了討論分析。鮑立平等[8]提出了適合超長距離大口徑鋼頂管曲線頂進的軌跡控制系統。 沈鑫國等[9]在對超大直徑盾構隧道管片上浮問題研究時，認為機體栽頭會導致管片上浮。金華等[10]依托南京地鐵新莊站3號出入口通道大斷面矩形頂管施工項目,研究了頂管機選型、頂進參數與姿態控制、渣土改良等關鍵技術。孫博[11]結合西安市東月路頂管工程,對頂進姿態控制、糾偏控制管理等進行了重點分析研究。向炎標[12]依托孝感市乾坤大道排水管道工程,對頂管施工中頂管洞口加固、泥漿觸變系統、管道頂進與糾偏等關鍵問題進行了詳細論述和總結。尹亞虎[13]研究了深圳地鐵9號線頂管工施工關鍵技術，指出對頂管姿態進行測量、控制和糾偏是確保頂管軸線不產生較大偏差的前提。

目前，頂管機姿態控制方面的研究多為單洞頂管工程。本文所依托項目為采用結構分割轉換工法(structural cut and convert method, 簡稱“CC工法”)建造的地下停車場，具有隧道群淺埋、密貼施工等特殊性，因此，需對該特殊工程的頂管姿態控制技術進行具體探討。本文結合該工程姿態監控數據，對產生栽頭及姿態偏差的原因進行理論分析，提出相應的控制措施，并采取現場試驗的方法進行效果驗證。

1 工程概況

1.1 工程簡介

某地下停車場項目為采用CC工法施工的頂管施工大型裝配式地下工程。如圖1所示，該地下停車場規模為34.38 m×87.87 m(寬×長)，為地下1層結構，設計停車位約93個。該項目采用頂管法施工，東端始發井尺寸為36.55 m×13.47 m，深為9.1 m；西端接收井尺寸為36.55 m×9.47 m，深為9.1 m；頂進長度為61.58 m，頂管埋深為3.0 m。

1.2 工程地質及水文地質

本場地勘探范圍內揭露的第四系(Q)沉積地層，自上而下分別為雜填土、粉砂、粉土、粉質黏土及粉砂。場區各土層參數如表1所示。本項目地下停車場明挖基坑段及頂管施工段結構底板最大埋深為9.15 m，主體結構全部位于粉土層中，土性為稍濕，稍密—中密，土層分布連續。勘探深度范圍內地下水類型為第四系潛水。場地地下水位埋深約18 m。

圖1 地下停車場示意圖(單位： m)

土層層厚/m重度/(kN/m3)黏聚力/kPa內摩擦角/(°)壓縮模量/MPa雜填土0.3516810粉砂1.6617101512.0粉土12.6516.810.927.19.0粉質黏土1.3119.714.617.28.5粉砂1017.2101516.5

1.3 頂管施工

1.3.1 施工順序

如圖2所示，原大型矩形斷面劃分成7個小斷面的密貼頂管隧道，每條隧道長度為61.5 m，依圖中數字順序進行頂管推進施工。因分割斷面的特殊性，采用圖3所示的組合式頂管機，1臺5.02 m×5.74 m頂管機頂推中間5跨，其余2個邊跨采用拆改為5.02 m×2.87 m的頂管機進行頂進。相鄰2個頂管隧道獨立成型之后，進行頂管隧道群的合并，實現整體的受力轉換，形成大型矩形斷面結構。

圖2 隧道群分割及施工順序(單位： m)

圖3 組合式矩形頂管機

1.3.2 始發與正洞掘進

結合工程經驗，在始發準備階段，為防止矩形頂管機始發時出現栽頭現象，對頂管機始發基座進行調試，實際高程比設計高0.50 cm，前端比后端高1.00 cm。

開始頂進時，在頂管機姿態和上位機的初始數據都歸零的情況下，只使用底部的2個千斤頂進行緩慢頂進，同時通過調節上下鉸接油缸的行程，使頂管機以稍微上揚的姿態進洞。

在正洞掘進過程中，根據測量的實際姿態，通過調節上中下3組千斤頂的行程或采用不同的使用組合進行姿態控制，同時通過上下、左右4組鉸接油缸進行姿態調節，以使掘進姿態按設計高程推進，防止栽頭現象發生。

2 矩形頂管栽頭現象及原因分析

2.1 頂管機栽頭現象

頂管機栽頭是掘進過程中的一種非正常姿態，其主要表現為頂管機向下“磕頭”或“低頭”的現象。頂管機栽頭會使掘進姿態偏離設計軸線，引起拼裝管節錯位，易造成工程質量和安全事故。

由表2所示的管片實測標高與設計標高的高差可知，本項目在1#隧道始發和掘進過程中，前3環出現了較為嚴重的栽頭現象。

表2 管片高程復測記錄表

2.2 頂管機栽頭原因分析

通過對1#隧道始發和掘進參數、管片姿態復測數據以及掘進作業過程分析可知，頂管機栽頭現象產生的原因主要有以下幾個方面：

1)頂管機體的重心偏差。頂管機身質量主要集中在機體前盾的前半部分。始發進洞后，機身質量由始發基座和混凝土地梁共同承受轉為由底部原狀土承受。但原狀土體的承載能力相對較弱，在機體重力作用下出現不均勻沉降。

2)土壓平衡未及時建立。本文為了研究洞門密封相關技術問題，選取1#隧道作為對照試驗組，僅1#隧道未安裝洞門密封。掘進時出現了漏漿現象，雖然采取了棉紗封堵，仍有少量漏漿。泥漿的流失使洞門下方土體松軟，土體的承載力不足，同時造成掌子面未能及時達到土壓平衡，使前盾和土艙受力不均。

3)始發時姿態預留不夠。始發姿態預留主要體現在絕對標高預留和趨勢預留2個方面。在1#隧道始發時，雖然對絕對標高預留了0.50 cm，頂管機始發基座前端比尾端高1.00 cm，但該預留量仍未能滿足需求。

4)后靠不穩，頂管機姿態失控。后靠墻體圍護結構土體加固不牢或加固區域較小、頂管機后靠背不平整等，均會導致后靠受力不均，從而使頂管機姿態失控，造成栽頭現象。

3 防栽頭控制技術

基于1#隧道始發和掘進過程中的栽頭現象及原因分析，在剩余6條隧道掘進過程中，采取了多種防栽頭控制措施，并進行現場試驗驗證。

3.1 設備、管節定位處理

本項目頂管管節采用鋼混組合式管節，頂、底部采用鋼筋混凝土結構，兩側壁采用鋼結構。施工時，將頂管機和管節采用定位塊進行固定連接，盾尾定位塊如圖4所示；同時，上下管片間除采用管片螺栓連接外，另在左右兩側鋼側壁之間進行焊接連接(見圖5)，使頂管隧道與頂管機形成一個整體，防止頂管機栽頭。

圖4 盾尾定位塊

圖5 鋼側壁間焊接

3.2 洞門密封處理

在后續幾條隧道掘進時增設洞門密封。洞門密封采用簾布橡膠板和鋼板壓板，在周圍混凝土端墻上安裝膨脹螺栓，一側鋼側壁上焊接螺栓來進行固定，如圖6和圖7所示。同時，在始發頂進過程中隨時觀察，發生漏漿現象時及時進行密封，防止由于密封失效后不能及時形成土壓平衡條件而引起栽頭。

圖6 鋼側壁側密封

圖7 整體洞門密封

3.3 增加始發姿態的預留量

1#隧道始發掘進時，雖然對始發基座進行了一定的調試，但效果不理想，掘進初期仍然出現了頂管機栽頭現象。結合隧道的實測高程偏差，在2#隧道以及后續的5條隧道始發時都對頂管機姿態進行相應的微調，具體調整參數如表3所示。

表3 頂管機姿態預留參數

3.4 后靠背安裝及穩定性控制

后靠背的正確安裝定位，對于頂管掘進始發姿態影響較大。本項目后靠背為對稱2件，每件11.5 t。2件后靠背對稱軸線安置，凈間距為3 400 mm；后靠背安放要垂直，與其后井墻留最少5 cm間隙。后靠背定位完成后，使用鋼筋、膨脹螺栓將其固定，并在其與墻體的間隙內澆筑M15水泥砂漿，以保證后靠背的受力均衡。

后靠臺背回填時由于頂管機后靠周圍作業空間的限制，后靠混凝土的回填不易搗鼓或無法進行搗鼓密實。針對這種現象，本項目經過試驗，在1#—5#隧道后靠回填時，采用高流動性速凝混凝土進行填充；在6#、7#隧道始發時，由于受到外部條件的制約無法采用速凝混凝土進行回填，創新性地采用了河沙拌合水泥干灰的方法。

2種不同后靠回填方式各有其優缺點： 速凝混凝土凝固性穩定性高，但受制于外界條件；河沙拌合水泥干灰不受外界條件制約，但其混合參量需要進一步優化，對河沙和水泥干灰的混合質量不易保證。通過現場試驗，這2種方式均對頂管機防栽頭控制起到了良好的作用。

4 掘進姿態控制技術

通過分析研究上述頂管掘進防栽頭現象原因及處理措施可以看出，因頂管掘進過程的復雜性，無論采取何種措施，都要求必須實時精準地掌握頂管施工全過程的掘進姿態情況，以便及時了解掘進不利姿態，采取相應的控制措施，保證掘進姿態正常。因此，有必要進行頂管機掘進姿態控制的技術研究。

4.1 導向系統

本工程頂管施工采用MTG-M頂管自動導向系統，如圖8—10所示。系統地面控制室采用1臺計算機監控地下頂管機狀態；地下部分由MTL激光靶、激光經緯儀、行程傳感器、電臺通訊設備和控制設備組成。

圖8 MTG-M系統示意圖

圖9 激光靶安裝圖

圖10 經緯儀安裝圖

導向系統的硬件設備安裝后，人工測量出激光經緯儀的測站坐標和高程以及激光靶的位置，同時在激光經緯儀可視范圍內設置輔助點并測定其坐標，計算激光經緯儀與輔助點的方位角與設計軸線的夾角，調整激光經緯儀的光束與設計軸線平行；激光靶通過接收激光束來采集數據，將數據傳送至地面計算機，通過系統內部的計算軟件得出成果，由顯示器呈現，進行數據掌控。

理論上，測量系統需安裝在后靠背上，但由于現場作業空間限制，激光經緯儀安裝在了始發井側墻上，頂管機推進時，由于主頂油缸推力的變化，會對后靠背處的激光經緯儀產生一定的擾動。因此，現場采取與人工輔助測量相結合的方式進行掘進姿態導向。施工時，加強始發井側墻的監測，根據監測數據及時進行人工復核、調整激光經緯儀的初始數據。

4.2 始發、到達姿態控制

頂管在始發、到達階段，因承受頂管機體自重荷載的載體承載力發生突變以及頂推力作用的變化，易造成頂管機姿態的變化，可能產生栽頭問題，需采取控制措施。

4.2.1 始發基座及頂管機就位

如圖11所示，始發基座作為頂管機的初始位置，頂管機就位時，其定位裝置的焊接位置要經過精確計算和測設；就位后，要重新對頂管機進行初始姿態的測量和計算，確保頂管機定位滿足要求。

圖11 頂管機安裝就位

4.2.2 后靠就位及安裝

本項目后靠采用2塊鋼構件，并在其背后填充混凝土，其安裝位置要滿足主頂油缸安裝要求且后靠平面要與設計軸線垂直。安裝時要保證后靠平面上下垂直，防止在推進過程中影響頂管機的俯仰角。

4.2.3 導軌定位安裝

導軌是始發基座和洞門連接的重要部分。頂管機在始發進洞初期，刀盤的質量大于盾尾的質量，導軌要保證與始發基座軌道平齊，并且要加固牢靠，保證頂管以精準的預定姿態進洞。

4.2.4 洞門預留及破除

本工程隧道洞門采取預隔離施工，在始發井施工時將每個洞門兩側用模板隔開，隔開部位鋼筋全部斷開。但在后期施工期間發現，由于隧道軸線出現偏差，影響了其他隧道軸線位置，原先預留的洞門則需要重新定位和破除。洞門的破除必須滿足進洞要求，并同時考慮洞門防水的尺寸。洞門破除如圖12所示。

圖12 洞門破除

4.2.5 頂管機始發趨勢

本項目共7跨隧道，頂管機始發時要調整好頂管機的油缸行程，防止頂管機與相鄰管節之間出現夾土；否則，頂管機的趨勢調整難度會相應加大。

4.2.6 頂管始發與接收

由于加固區域的土體較硬，若在始發與接收的加固區掘進趨勢發生了變化，則很難調整。故須嚴格控制掘進速度，保證頂管機推進趨勢的穩定。

4.3 掘進階段姿態控制

4.3.1 管節姿態

在正常推進過程中，要保證至少每2環復測1次管節姿態，計算管節與設計軸線的偏差值，再與導向姿態進行對比，保證復測姿態與導向姿態基本一致。

4.3.2 頂管機姿態

由于頂管機設備的原因，本工程導向只能計算出頂管機前盾尾部的姿態，無法及時顯示刀盤的姿態，掘進趨勢顯示相對滯后。因此，在頂管機始發前，在頂管機上布置輔助觀測點，并測出輔助點與頂管的相對位置關系，通過測量輔助點，計算出頂管機的姿態； 同時，在既有的相鄰管節上取孔，通過人工復測頂管機與既有管節之間的間隙，了解頂管機的推進趨勢。

4.3.3 控制推進速度

頂管機在掘進過程中，需嚴格控制其推進速度。這是因為施工時若需進行推進趨勢調整，如果此時推進速度過快，則難以在短時間內將頂管機糾正到原設計軸線上。

4.4 隧道先后施工姿態控制

本項目結構斷面劃分成7個小斷面的密貼頂管隧道，各隧道先后依序掘進，因此，各隧道掘進時的軸線控制尤為重要。本項目軸線控制除采用頂管機導向裝置外，還采取了“E”型導向槽結構，如圖13所示。導向裝置設計了防止頂管機貼死的結構，陽榫、陰榫相互作用，可抑制管節偏向，以此防止對相鄰隧道造成的不利影響。

圖13 “E”型導向槽裝置

“E”型導向槽結構可對隧道偏向相鄰隧道的情況起到良好的控制作用，但實際施工時，隧道也發生了偏離相鄰隧道的情況，導致隧道間存在夾土。故在掘進時，若偏離程度較小，可結合前述措施調整，若偏離較大，夾土量過多，則需采取清理夾土的糾偏措施。

5 掘進姿態糾偏技術

5.1 調整鉸接油缸行程差

當發現導向姿態偏離軸線時，應及時調整鉸接行程差，且調整幅度不宜過大，調整行程差一般為5～10 mm。由于矩形頂管鉸接存在聯動情況，所以在調整頂管機姿態(水平/垂直)時還要保證其(垂直/水平)不能發生變化。

如表4所示，在3#隧道掘進期間，當推進至21環時，頂管機水平姿態出現了偏差(水平偏差為-16.7 mm，垂直偏差為-8.9 mm)；此時調整鉸接行程差，最終經歷9環的距離，將頂管機糾正到設計軸線上(水平偏差為-0.2 mm，垂直偏差為-7.5 mm)。

表4 3#隧道管片姿態監測

5.2 調整主推油缸行程差

當頂管機掘進姿態偏差比較大，僅靠鉸接油缸無法完成頂管機趨勢的調整時，則需同時調整主動油缸的行程差。

本工程所用矩形頂管機的主動油缸無法單獨或者分組調整推力，所以在調整主動油缸行程差時需要在油缸伸長的一側管節與頂鐵之間加設竹膠板，在管節之間加設傳力襯墊；在推力滿足推進的情況下，在油缸縮短的一側可以減少使用1根或者2根油缸(本辦法僅限于隧道的前半部分，當推進距離加長時，減少油缸無法滿足掘進需要的推力)。

5.3 減小姿態偏差方向的土壓

在頂管機掘進期間，當頂管機姿態偏差較大且調整后無明顯變化時，較大一部分原因是頂管機與相鄰既有管節之間存在夾土造成的。此時可根據實際情況拆掉已完成隧道的既有管節，清除頂管機與既有管節之間的夾土，減小頂推的阻力，進而增加頂管機趨勢調整的速度。

5.4 應用效果分析

如圖14所示，7#隧道推進過程中，頂管機易發生向外側偏離，其原因是管節為鋼混復合式管節，1#—5#隧道管節頂部與底部為混凝土結構，兩側為鋼側壁； 7#隧道管節外側、頂部及底部為混凝土結構，內側為鋼側壁，質量分部不均勻，易發生姿態偏差。

圖14 7#隧道頂管機掘進趨勢

針對7#隧道推進過程中頂管機易發生向外側偏離的問題，進行了一系列控制措施調整：

1)掘進前期，通過調整鉸接油缸來調整頂管機趨勢，但由于頂管機底部壓力過大，趨勢變化不明顯，反而在推力的影響下，頂管機滾動角越來越大；

2)為控制滾動角的變化趨勢，減小鉸接油缸的行程差的措施。但隨后頂管機又出現了向右偏差的趨勢，在推進至22環時水平偏差為5.85 mm、垂直偏差為12.1 mm；

3)為調整向右偏差的趨勢，將鉸接行程差調至4.0 mm，但此時頂管機與5#隧道之間已經存在夾土，偏差仍在增大；

4)清除夾土。將5#隧道鄰近7#隧道的鋼側壁拆除，清理兩隧道之間的夾土，減小頂管機與5#隧道鋼側壁之間的土壓力，在后續的推進中頂管機向設計軸線回靠的趨勢有明顯的變化。現場夾土清理如圖15所示。

圖15 夾土清理

根據圖14不難發現，在安裝第35環后，頂管中線偏差值的變化越來越小，說明掘進姿態已基本得到控制，取得了較好的效果。

6 結論與建議

依托某地下停車場項目，針對矩形頂管施工過程中頂管機栽頭控制技術及掘進姿態控制糾偏技術進行系統研究，得出如下結論：

1)針對1#隧洞掘進過程中出現的頂管機栽頭現象，進行了原因分析。通過現場試驗，提出了設備、管節定位處理，洞門密封處理，增加始發姿態預留量，后靠穩定性控制等防栽頭控制措施，現場取得較好的應用效果。

2)通過對姿態控制系統原理闡述，依托本項目實踐，提出了在施工始發、掘進、到達各階段的姿態控制措施。始發前進行始發基座、后靠背、導軌安裝，始發階段采取洞門預留、破除等控制措施，掘進階段控制掘進速度并輔以“E”型導向槽進行軸線控制等措施，可有效控制頂管機頂進姿態。

3)針對本項目，進行了現場姿態糾偏試驗。通過調整鉸接油缸行程差、主推油缸行程差及姿態偏差方向的土壓的糾偏技術措施，取得了良好的施工效果。

矩形頂管施工仍存在姿態控制技術難度大、控制及糾偏措施多樣性等問題，需采取多種措施組合實施，協調控制。針對本項目實際應用，提出以下幾點建議：

1)在頂管機盾體位置增設注泥裝置，利用注泥裝置注泥量和注泥方向變化進行頂管機姿態控制。

2)刀盤的超挖和土艙內土體攪拌不均勻對頂管機栽頭有一定的影響，建議對頂管機刀盤進一步優化設計，使刀盤的尺寸大小、結構形式和攪拌棒的安裝位置、尺寸結構達到最優組合。

3)由于頂管機設備的原因，無法及時顯示刀盤的姿態，需借助測量輔助點，計算出頂管機的姿態，并需對頂管機設備進行結構優化，以便在掘進過程中，能夠方便直接地對刀盤區域的姿態進行監測與控制。