大斷面矩形頂管在城市繁忙交通要道下長距離施工技術研究與應用

黃志毅，曾憲鋒

（1. 廣東水電二局股份有限公司，廣東 廣州 511340；2. 粵水電軌道交通建設有限公司，廣東 廣州 510610）

0 引言

近年來，隨著城市軌道交通、綜合管廊等建設快速發展，城鎮化進程帶來的交通和地下管線方面的壓力得到了有效的緩解。但與此同時，愈漸復雜的城市環境給軌道交通、綜合管廊等工程的建設帶來新的挑戰，施工技術要求越來越高［1］。傳統的明挖、暗挖工法雖然施工工藝成熟度高、工程成本小，但明挖法對周邊影響較大，在城市繁忙地段作業需對路面進行圍蔽、疏解和管線遷改，極大影響路面交通；暗挖法雖可以避免交通疏解和管線遷改，但施工工期較長，在開挖過程中倘若地層不穩定時極易發生坍塌事故，安全風險和社會影響極大［2］。頂管法作為一種非開挖工法，具有對周邊環境影響小、施工速度快等優點在上述工程中得到應用，特別是矩形頂管法因其在地下空間占用、隧道埋深和空間利用率上的突出優勢，在地鐵車站出入口、綜合管廊、市政隧道和過街通道等的建設中應用越來越多。

廣州市軌道交通鐘村站 I 號出入口設置在車站東南側，橫穿漢溪大道。由于出入口通道需穿越交通繁忙的交通要道，采用頂管法施工。本文結合鐘村站 I 號出入口頂管通道的施工，介紹大斷面矩形頂管在城市繁忙交通要道下長距離施工存在的技術難點和解決措施，以期為類似頂管工程施工提供參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

廣州市軌道交通工程鐘村站設有 I 號、Ⅱ 號 2 個出入口，I 號出入口設置在車站東南側，橫穿漢溪大道，設有 Ia、Ib分出入口，均為地下一層鋼筋混凝土結構，底板埋深約 9.6 m。Ia與 Ib之間的通道長 84 m，坡度 0.3 %，斷面尺寸為 6.0 m×4.3 m，管節厚度 0.5 m，頂部平均覆土厚度約 4 m，采用土壓平衡矩形頂管機施工。

1.2 頂管通道周邊環境

通道地表為約 50 m 寬漢溪大道，交通非常繁忙，是通往廣州南站的主要交通干線。通道需穿越地下管線主要有：φ150 煤氣管，埋深 1.63 m，φ1200 雨、污水管（距離頂管隧道最小凈距 0.45 m），鐘村鎮自來水主要高壓給水管，以及多處埋深不一的電力管道，埋深 0.2～1.0 m，對土體沉降、隧道軸線偏差要求較高。

1.3 工程水文地質情況

根據地質詳細勘察資料，頂管通道沿線穿越的地層主要為<4N-2>沖-洪積粉質黏土層、<4-2 B>河湖相沉積淤泥質土層和<3-2>沖-洪積中粗砂層，底部地質主要為殘積硬塑砂質黏土，頂部地質主要為人工回填土。頂管通道所在地初見水位標高為 9.80～15.57 m，穩定水位標高為 7.60～14.98 m，水位在地面以下 2～2.4 m 處，主要分布在海陸交互相沉積砂層、沖洪積砂層中。地下水位的變化與地下水的賦存、補給及排泄關系密切，每年 5～10 月為雨季，大氣降雨充沛，水位會明顯上升，而在冬季因降水減少，地下水位隨之下降。

2 繁忙交通要道下大斷面矩形頂管長距離施工技術研究

2.1 矩形頂管長距離施工防背土技術研究

矩形頂管機法是一種類似于盾構法的地下工程非開挖方法，借助頂推設備（液壓千斤頂）將管節頂入由頂管機刀盤切削穿越土層形成的空間中構筑成襯砌的施工方法，頂進力主要由掌子面阻力和管壁摩擦阻力組成。由于矩形頂管機機頭、管節與土體接觸面積大、土體自穩性較圓形斷面差，在管壁摩擦阻力的帶動下，頂管機上方土體會跟隨向前移動，易在頂部形成背土現象，特別是對于大斷面長距離矩形頂管頂進，管壁摩擦阻力占了總頂進力的絕大部分，頂部背土現象更為嚴重。國內諸多學者、工程技術人員等對頂管背土進行了大量研究，余彬泉等［3］最早將頂管背土概念引入國內；唐培文、豆小天等［4—7］在工程實踐的基礎上對頂管背土及減阻技術進行了深入研究。現有的頂管背土處理措施通常采用在頂管機和管節四周注入觸變泥漿，在頂管機機體外殼及管節外壁形成泥漿套以減少頂管機、管節與土體的摩擦阻力。根據實際工程實踐，采用觸變泥漿套雖可以減少頂管與上部土體間的摩擦阻力，但受地質條件和現場頂管施工水平影響較大，不可避免地出現頂管背土現象，影響頂管正常頂進。

為確保頂管安全順利長距離下穿交通繁忙的漢溪大道，降低對周邊環境的影響，采用觸變泥漿注漿減阻防背土的方法，通過設置在頂管機機頭和管節四周的相應數量注漿孔往周邊注入配置好的觸變泥漿。同時為達到更好的防背土效果，改進泥漿注入結構和注入方式，即在頂管機機頭頂部設置注漿孔頂部一定厚度的鋼板，焊縫在注漿口位置斷開，使注漿方向與掘進方向平行，漿液通過注漿孔和焊縫斷開位置往頂管掘進相反方向高速注入，漿液噴射形成一個長的切割面直接沖刷頂管機上部積土，降低土體粘結性；同時使得矩形頂管及機體及管節外壁在觸變泥漿的包裹下形成完整的減摩漿液薄膜，處于潤滑狀態，減少頂管機、管節與土體間的摩擦阻力，確保矩形頂管掘進機作業正常進行，如圖 1 所示。

圖1 頂管機機頭頂部注漿孔布置及注漿示意圖

觸變泥漿由膨潤土、水和摻合劑（純堿、CMC 等）按一定比例混合而成，配置時應綜合考慮土體特性、預配置泥漿性能、注漿間隙、填充率等因素以及現場施工情況。注漿時分同步注漿和二次補漿，同步注漿應按“先壓后頂，隨頂隨壓，及時補漿”的原則［8］進行，以確保形成效果良好的泥漿套。頂管頂進過程中要及時跟蹤二次補漿，以避免因泥漿失水、固結、摩擦脫落等破壞泥漿套的完整性。二次補壓漿按照“由上而下，由中間向兩端”的順序［7］進行，補漿的次數和注漿量應根據施工時的具體情況來確定。

泥漿用量主要取決于切削間隙大小及土質特性，本工程中理論間隙每環注漿量為（4.34×6.04-4.3×6.0）×1.5=0.62 m3，由于泥漿的流失及地下水等作用，泥漿的實際用量要比理論大得多，一般可達理論值的 2～3 倍，考慮工程地質主要以殘積土和沉積淤泥質黏土層為主，漿液不易流失，故注漿量擬定理論值 1～1.5 倍為宜，即每環注漿量 0.62～0.93 m3，并應根據實際頂進和路面監測情況等作適當調整。

2.2 矩形頂管盲區開挖及輔助技術研究

不同于圓形頂管或圓形盾構的單刀盤回轉全斷面開挖，矩形頂管斷面開挖要復雜得多［8］，除要滿足矩形斷面開挖覆蓋率需求的同時，還需考慮矩形開挖斷面的開挖穩定性。由于開挖斷面為矩形，且多數矩形頂管機采用六刀盤形式，盡管刀盤設計再優化，在開挖面仍存在一定的切削盲區。為確保矩形斷面開挖覆蓋率、減少切屑盲區范圍、提高盲區開挖效率，一般可采用多軸偏心刀盤設計、組合旋轉刀盤設計、類矩形斷面設計或增加其他輔助措施進行解決，但是多軸偏心刀盤對周圍土體擾動較大，不利于頂管姿態控制且設備運行可靠性差；組合旋轉刀盤仍存在一定的開挖盲區，需要增加額外輔助措施對盲區進行處理［9］；類矩形斷面設計會存在空間利用率減小、工程造價高的問題；盲區位置設置獨立的開挖裝置同樣不利于頂管機姿態控制，影響殼體邊緣鏟刀布置，設備運行可靠性差。

針對矩形斷面已在開挖面形成開挖盲區，基于隧道空間利用率、設備制造及運行穩定性、工程造價、頂管機姿態控制要求高等方面的考慮，工程采用一臺 4 300 mm×6 000 mm 的土壓平衡矩形頂管機施工。該頂管機配置 3 個挖掘直徑為φ2 170 mm 的小刀盤和 3 個挖掘直徑為φ2 516 mm 的大刀盤，在頂管機殼體邊沿布滿鏟刀，刀盤開挖尺寸為 4 340 mm×6 040 mm，通過大小刀盤的前后疊加來減小盲區范圍。同時，為防止刀盤開挖盲區造成施工困擾，針對盲區部位在設備上設置了盲區導土開挖輔助裝置，通過改變盲區位置殼體的內部結構，使得盲區范圍被鏟刀切削的土體沿著盲區導土開挖裝置向貼臨的刀盤開挖區域移動，導入刀盤開挖范圍，達到盲區開挖的目的。盲區部位導土開挖輔助裝置為由鋼板焊接在殼體內壁形成三角椎體或組合楔形體結構，主要設置在土倉內頂部、下部及角部位盲區位置，如圖 2 和圖 3 所示。

圖2 頂管機盲區導土開挖輔助裝置正視及大樣圖

圖3 頂管機盲區導土開挖輔助裝置

針對頂管機對硬塑狀粉質黏土層掘進時盲區導土開挖輔助裝置阻力較大、總推力相對增大的情況，在土倉隔板內壁上設置注漿孔，設置位置與開挖斷面盲區區域相對應。當在硬塑狀粉質黏土層頂進開挖時，通過設置好的注漿孔往土倉前方注入清水或泥漿，結合設置在土倉內的盲區導土開挖負責裝置，在實現盲區開挖的同時，減少導土開挖輔助裝置阻力，進而降低頂管機頂進過程中的阻力。

2.3 矩形頂管機姿態控制及輔助糾偏技術研究

在矩形頂管施工過程中，由于土質不均勻、地面超載、頂管機制造誤差、施工布置不合理或操作不當等方面的原因［10—11］，矩形頂管機容易出現軸線偏移和側向偏轉，繼而帶動頂管管節也跟隨偏移和扭轉，直接影響管節拼裝和通道成型質量。尤其是側向偏轉得不到有效控制時，一旦頂管機和管節側向偏轉過大，將會影響到頂管機的正常掘進，或導致頂管機無法正常接收。因此，在矩形頂管頂進過程中，需要及時對頂管機姿態進行控制和糾偏。

考慮到頂管通道需在繁忙的交通要道下長距離頂進穿過，穿越和上覆地層主要為沖-洪積粉質黏土層、河湖相沉積淤泥質土層等軟弱地層，頂管施工對土體沉降、隧道軸線偏差要求較高，因此在頂管機頂進時需按設計軸線、坡度進行，并根據自動導向測量系統的動態測量數據，結合頂管機姿態的發展趨勢對頂管機軸線進行控制，做到隨偏隨糾，及時將頂管機姿態調整到設計軸線偏差允許范圍。此外，糾偏過程中不能大糾猛糾，應按照勤糾小糾的原則，盡量避免過度糾偏造成頂管機和管節偏轉。頂管機姿態調整可通過鉸接油缸、糾偏千斤頂綜合進行，工程投入使用的矩形頂管機殼體采用鉸接進行連接，設置了 12 個糾偏千斤頂，用于輔助掘進姿態及方向控制，最大糾偏量上下可達 1.4°，左右可達 1.0°。當頂進過程中頂管機軸線偏移趨勢明顯，按正常頂進設備糾偏無法達到理想狀態時，應及時暫停或放緩頂進速度，采取輔助軸線調整措施，如壓重或注漿等輔助措施。

對于矩形頂管機側向偏轉的糾偏，通常可利用改變頂管機刀盤轉動方向時產生的反向扭矩、調整觸變泥漿的注入位置抬升偏轉位置或通過頂管機單側壓重來實現糾偏。從實際糾偏效果看，采取改變刀盤旋轉方向糾偏的糾偏范圍相對較小，一般在 0～20 mm 范圍內，且糾偏距離相對較長，當前地鐵車站出入口通道、市政或過街通道長度設計一般在 50～100 m 左右，糾偏在一定程度上受通道長度限制；采用觸變泥漿注入糾偏的糾偏效果差，糾偏距離長，受隧道埋深、注漿參數影響較大，壓力過高會擊穿地表，壓力低則達不到糾偏效果。為此，采用了一種從頂管機頂部和下部定向泵送黏土［12］輔助頂管機自身糾偏系統的頂管機側向偏轉糾偏方法。

該方法主要通過在矩形頂管機側向偏轉方向地層定向泵送注入拌制好的黏土，經加壓填充增強土體承載力，同時在頂管機殼體上作用于一個反向作用力或力偶，達到抬升和旋轉頂管機殼體實現輔助糾偏的目的，不僅可以滿足側向偏轉糾偏，還可以滿足頂管機軸線水平和垂直方向的糾偏，較其他糾偏方法糾偏效果更好，糾偏距離更短。在矩形頂管機頂部和底部各對稱設置兩個注入孔，作業時通過管路與頂管通道內的黏土輸送泵相連。黏土可在現場或者頂管通道內拌制而成，拌制過程中密切關注拌合物姿態，含砂率≤ 1 %，砂的細度模數以 1.6～2.2 為宜，平均粒徑在 0.25～0.35 mm 為宜，含砂量或粒徑過大，拌合物可泵送性低，且設備密封易損壞。

當頂管機殼體發生側向偏轉，橫向高差超過 20 mm（見圖 4），且采取一般糾偏措施得不到有效改善時，開始施注，并結合鉸接、糾偏千斤頂等措施進行頂管機姿態糾偏。沿掘進方向，頂管機殼體順時針偏轉，從右側往頂管機底部定向泵送注入拌制好的黏土，頂管機殼體逆時針偏轉時則在左側定向注入。泵送作業可在頂管機停機狀態下進行，也可在頂進狀態下進行。泵送注泥過程中，要特別注意泵送壓力和流量，泵送壓力控制在 0.5～1 MPa，并且土倉壓力要適當增加 0.02 MPa，以減少黏土的流失。每注入 0.03 m3黏土或每掘進 150 mm 測量一次掘進機姿態，每頂進一環測量一次地表沉降，當橫向高差值＜10 mm 時可停止注入。

圖4 矩形頂管機側向偏轉橫向高差及糾偏示意圖

3 結語

在廣州軌道交通七號線鐘村站 Ⅰ 號出入口通道橫穿交通繁忙的漢溪大道以及多條重要管線的施工中，通過對城市繁忙交通要道下大斷面矩形頂管長距離施工關鍵技術的研究、分析和總結，解決了大斷面矩形頂管機在不利地層長距離下穿繁忙交通要道施工中頂管機背土、盲區開挖、姿態控制和糾偏等一系列較為突出的工程技術難題，確保了頂管通道的安全順利貫通，未對路面交通和周邊環境造成不良影響，為后續類似矩形頂管工程施工提供參考。Q