大斷面矩形隧道頂管頂進施工技術要點

摘? ? 要：隨著城市軌道交通和城市地下綜合管廊的大量發展，使得在下穿城市主干道及地下綜合管線的施工工藝應用日益劇增。而傳統的明挖順作法施工已越來越不適應當前城市的交通通行。今結合鄭州市軌道交通4號線工程會展中心站附屬結構4號出入口頂管過街通道項目，分析了大截面矩形頂管的施工特點，并從施工流程、運作方式、施工過程中如何應對難點及風險對策等方面進行論述，同時介紹了施工過程中的關鍵技術，可供類似工程借鑒。

關鍵詞：大斷面;頂管;沉降;調坡

1? 前言

目前矩形頂管施工工藝主要集中用于地鐵出入口人行通道和地下人行通道的施工。根據文獻調研，矩形頂管的技術還不完善，目前沒有針對矩形頂管的設計標準和規范，對于矩形頂管施工背土、姿態控制、管節受力計算分析、頂管事故預防與處理等方面的問題還沒有完全解決，需要進一步研究。

2? 工程概況

2.1? 工程簡介

鄭州會展中心站頂管過街通道頂管管節尺寸為9100mm×5500mm的矩形，內部凈空尺寸為7800mm×4200mm，壁厚650mm，管節為整環結構，單節管長為1.5m，重約66.8t。采用強度C50混凝土預制，抗滲等級為P10，長度91.6m。管節縱向連接采用承插式F型接頭，管節接縫處設置承插口接口鋼套環與防水橡膠圈形成管節外側防水體系，雙組分聚硫密封膏嵌縫形成管片內側防水體系，管節采用整體式預制。

2.2? 工程水文地質情況

2.2.1? 工程地質概況

會展中心車站4號出入口過街通道地質從上至下依次為雜填土①1、粘質粉土②31B、粘質粉土②32、粘質粉土②21、粘質粉土②22。會展中心車站4號出入口過街通道主要穿越地層有粘質粉土②32、粘質粉土②21。通道頂最小埋深約4.879m、最大埋深約6.298m。

2.2.2? 工程水文概況

（1）潛水。潛水主要賦存于第②32、②33、②34黏質粉土層等弱透水土層中。本區間穩定地下水位埋深介于9.1m～11.3m，地下水位高程介于80.52m～81.02m之間。（2）微承壓水。承壓水主要賦存于第②41粉砂、②51細砂層含水土層中，承壓水靜止水位埋深14.0m左右，承壓水頭5.0m。

3? 頂管隧道特點及沉降、姿態控制重難點

3.1? 頂管隧道特點

（1）斷面大。頂管隧道斷面為9.1m×5.5m，為國內大斷面矩形土壓平衡直拱頂管隧道。（2）覆土淺。隧道覆土厚度在4.8m～6.2m，覆跨比僅1.89。（3）坡度變化大，坡度分別為-3%、-2%、-1%、平坡，-3%坡度長27m，-2%坡度長9m，-1%坡度長9m，剩余46.5m為平坡。

3.2? 頂管隧道沉降制重難點

（1）頂管隧道斷面為矩形，上覆土形成的受力拱拱面與頂管盾殼面間的面積較大，較大土體靠盾殼支撐，對地層擾動較大，地層變形大。（2）道路車輛較多，動荷載大，且不穩定，地層沉降控制難度大大增加。（3）在埋深相同的條件下，隨著頂管盾殼面積的增大，上覆土形成受力拱的作用大大減弱，上覆土發生沉降的敏感度大大增強。同時盡管存在泥漿套的減摩作用，盾殼與上覆土間的摩擦力也逐漸增大，“背土效應”也逐漸明顯。

3.3? 頂管隧道姿態制重難點

（1）頂管隧道斷面為矩形，由于地層的不均勻性和注漿壓力的偏差，極易造成頂管隧道左右側壓力不等，致使頂管隧道軸線偏差。（2）頂管隧道斷面極大，施工過程中易出現土艙各點壓力不均且不連續，導致土艙左、右側或上、下側壓力不平衡，造成頂管隧道軸線偏差。（3）由于頂管機長度較短且質量較大，隧道覆土淺，同時，施工過程中注入大量的觸變泥漿;所以，頂管掘進施工過程中，極易出現頂管機“載頭”和管節上浮現象。

4? 頂管頂進施工技術

4.1? 頂推力控制

采用理論計算與數值擬合相結合的方法，根據開挖面土壓力及摩擦阻力壓力，計算出隧道開挖所需的頂進推力。

4.2? 開挖面土壓力的設定

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。

4.3? 頂進速度控制

初始階段不宜過快，一般控制在5mm/min～10mm/min左右，正常施工階段可控制在10mm/min～20mm/min左右。

4.4? 出土量控制

根據盾構施工經驗可知，頂管推進過程中的出渣量控制是地表沉降和頂管推進施工安全的有效措施，在施工過程中必須嚴格控制出渣量。

4.5? 姿態控制

（1）姿態測量。頂管姿態測量采用自動導向系統和人工輔助測量相結合的方式，以確保頂管姿態的精確控制。施工過程中，根據線路條件所做的分段軸線擬合控制計劃、導向系統反映的姿態信息來控制頂管機的推進姿態。（2）鉸接油缸糾偏。超大斷面矩形頂管施工過程中，鉸接糾偏是最直接、最有效的姿態控制方法之一。超大矩形頂管前盾的長度較短，使鉸接力能夠有效地傳遞到刀盤，便于轉向;并通過拉桿與后3～5環管節相連接，避免出現過度糾偏。正常掘進時，鉸接油缸全部收回，以防頂管姿態發生偏差。當頂管姿態發生偏差時，將發生偏差側的鉸接油缸進行伸長，以調整頂管姿態。鉸接伸長的距離根據地層情況、姿態偏差的大小、擬合掘進線路等綜合確定。（3）注漿糾偏。當頂管機發生中線偏差或滾轉、鉸接糾偏能力不足時，可借助于盾體及管節上預留的觸變泥漿孔及糾偏泥漿注入系統，在需要的位置向地層注入糾偏泥漿，調整頂管周圍的地層壓力，依靠地層壓力的偏差和地層的微量壓縮性進行糾偏。（4）雙螺旋機出土糾偏。為保證土艙各點壓力的連續性和均勻性，頂管機設計為雙螺旋機出土。正常掘進過程中，要保持雙螺旋機出土的一致，防止土倉壓力出現不平衡，造成頂管隧道軸線偏差。當頂管出現姿態偏差時，可以通過調整雙螺旋機的轉速，控制雙螺旋機出土量和土倉壓力差，進行姿態調整。（5）調整膠合板厚度糾偏。通過調整管節承口位置膠合板的厚度來進行糾偏。

4.6? 沉降控制

4.6.1? 同步注漿

頂管施工與盾構施工存在一定差異性，頂管隧道在始發井內進行管節拼裝，隧道掘進過程中整條隧道在地層中移動。為減小隧道和地層間的摩擦力，在頂管隧道貫通前，頂管同步注漿及二次注漿均不能采用水泥漿，注漿漿液為觸變泥漿。觸變泥漿在頂管施工過程中起到潤滑減阻、支撐地層等作用。同步注漿。頂進時壓漿要及時，確保形成完整、有效的泥漿套，必須遵循“先壓后頂、隨頂隨壓、及時補漿”的原則。

4.6.2? 二次注漿

進行二次注漿的作用主要有兩種，根據二次注漿不同的作用，其注漿位置、注漿漿液也不同。（1）保證觸變泥漿套的完整。彌補同步注漿的不足，防止觸變泥漿失水、固結造成泥漿套破壞，進而造成頂管推力增大，地表后期沉降加大。（2）補充地層的損失。由于頂管推進過程中整條隧道一直移動，管節通過地層時，會帶走部分土體，造成掘進完成的地層渣土持續流失，必須進行地層補充，防止地表沉降持續增加。

4.7? 止退裝置

頂管掘進機為矩形，所以其斷面面積相對較大，也增加了前端阻力。當出現后退情況時會影響機頭與前方土體間的平衡，土體支撐會出現失穩情況，容易出現土體坍塌的事故。可以在前端安裝合理的止退裝置，以此來保證管節的穩定性。

作者簡介：

朱英會（1971—）男，本科，工程管理專業，高級工程師，從事中鐵隧道集團二處有限公司安全質量稽查隊工作。