大截面長距離泥水平衡矩形頂管施工技術研究*

胡小沖，張國強，葉建榮

(廣東省基礎工程集團有限公司，廣東 廣州 510620)

1 國內矩形頂管發展現狀

20世紀90年代以后，矩形頂管技術逐漸在我國得到應用。1999年上海地鐵2號線陸家嘴車站5號出入口地下人行通道首次成功應用了矩形頂管施工技術，斷面尺寸為3.8m×3.8m、頂進長度約為62.25m，穿越了凈距僅為1.56m的延安東路南線引道段結構底板；2006年上海軌道交通6號線浦電路站過街出入口通道截面尺寸6.24m×4.36m，頂進長度為40.5m，管廊的頂面距離DN450污水管為1.07m；2017年蘇州城北路地下綜合管廊元和塘土壓平衡矩形頂管截面尺寸9.1m×5.5m，頂進長度為233.6m。而本項目針對大截面長距離泥水平衡矩形頂管施工技術進行研究，頂管與既有建(構)筑物的最小凈距0.72m，小于規范規定的1.0m，截面達7.7m×4.5m且一次頂進長度226m，國內尚未見有此類相關文獻及施工技術報道。

2 工程概況

廣花一級公路地下綜合管廊與道路快捷化改造配套工程(K0+000—K5+900)位于廣州市白云區廣花一路，主要施工內容包括地下綜合管廊和道路快捷化改造兩部分。其中地下綜合管廊下穿機場高速平沙出口南側匝道段(K3+745—K4+137)和華南快速高架橋段(K3+143—K4+372)采用矩形泥水平衡頂管法施工，管廊截面尺寸為7 700mm×4 500mm，管壁厚度為600mm，管片采用工廠化預制、每節管長1.5m。分3段頂進，頂進長度分別為226m(1號頂管段)、169m(2號頂管段)和206m(3號頂管段)，管節覆土厚度8.7～10.1m，頂進范圍地層主要為粉質黏土和粗礫砂，地下水豐富。

3 施工條件分析

1號頂管段施工環境最為復雜，需從均禾涌、機場高架橋墩、機場高速平沙出口I匝道及DN1 350污水管下穿，頂管邊線與橋臺最小凈距為5.5m，頂管頂面與污水管最小凈距為0.72m。

2號頂管段下穿機場高速平沙出口K匝道和D2 200污水管，頂管頂面與污水管最小凈距為0.82m。機場高架下部構造采用柱式橋墩，鉆孔灌注樁基礎；DN1 350污水管采用鋼筋混凝土管，標準管節長2m，承插式F形接頭，頂管法施工；D2 200污水管采用鋼管，頂管法施工。

3號頂管段(5號井—4號井)依次下穿嘉禾涌、華南快速、DN2 400西江引水鋼管。其中嘉禾涌涌底與頂管隧道頂板之間的凈距僅約0.5m，且涌底存在約1.5m厚的磚渣等回填物，不滿足頂管施工的覆土要求，需對河涌進行清底壓蓋處理；隧道與華快高架橋橋墩之間的最小凈距為3.13m，與西江引水管道斜交角度為53°，豎向與西江引水管道之間的凈距約為1.0m。

綜合管廊與相鄰地下管線及地下構筑物的最小凈距應滿足GB50838—2015《城市綜合管廊工程技術規范》。本項目綜合管廊與地下管線交叉垂直凈距分別為0.72m和0.82m，小于《城市綜合管廊工程規范》規定的1.0m，在這種地層和環境條件下，采用7.7m×4.5m矩形頂管一次頂進長度226m，沒有類似的施工經驗，現有的大截面泥水平衡頂管工藝無法滿足施工要求，需要研制新的泥水平衡頂進工藝以解決施工中遇到的技術難題，確保工程結構質量和施工安全，有效控制周邊的土體變形及建(構)筑物的沉降，縮短施工工期，節約施工成本。

4 重點施工技術研究

4.1 研制矩形頂管中繼間

4.1.1中繼間設計與加工

研發一種矩形頂管中繼間，該中繼間動力系統由40個50t液壓千斤頂組成，千斤頂行程為30cm。中繼間外包尺寸7 700mm×4 500mm，殼體采用40mm厚Q345鋼板，為增強中繼間整體剛度以滿足受力要求，在殼體內設置30mm厚縱橫鋼板肋。中繼間分前、后2節，為承插式鉸接連接，接頭安裝2道橡膠止水圈進行止水。

4.1.2中繼間安裝與使用

中繼間在安放時，第1只中繼間應放在比較前面一些。因為掘進機在推進過程中推力會因土質條件變化而有較大變化。所以，當總推力達到中繼間總推力40%～60%時，就應安放第1只中繼間，以后每當達到中繼間總推力的70%～80%時，安放1只中繼間。而當主頂油缸達到中繼間總推力的90%時，就必須啟用中繼間。中繼間設計允許轉角1°，每道中繼間安裝1套行程傳感器及限位開關。中繼間在管道上的分段安放位置，可通過頂進阻力計算確定。

為減少中繼間接力頂進的時間損耗，提高頂進速度，將每個中繼間通過傳感器及數據線統一連接至程控室，自前向后對中繼間進行連續編號識別，并建立PLC控制系統實現對中繼間的遠程操控，控制系統主界面可實時反映每個中繼間的千斤頂行程、油壓等數據。

當主頂系統頂推力達到允許值后，優先試啟動最后方的中繼間，根據主界面反映出的油壓數據，判斷其是否具備頂推前方管道前進的能力，若不具備，立即停止該中繼間的啟動，再試啟動倒數第2個中繼間，直至試啟動的中繼間具備頂推其前方管道前進的能力，則利用此處中繼間進行接力頂進，而其前方的中繼間可暫不啟動，如此可最大限度減少中繼間接力啟動的數量。

通過中繼間遠程控制系統，對大截面長距離矩形頂管中各中繼間的啟動工作均在程控室統一執行，主界面實時反映各中繼間的姿態信息，能有效消除傳統單點啟動中繼間所引起的溝通不暢、操作失誤等問題，使得中繼間接力頂進連續順暢，提高頂管頂進效率。

4.2 矩形頂管機改造

根據依托項目頂管隧道主要位于中粗砂層的情況，為避免砂粒堆積在機頭前方底部，造成機頭被動抬升，經項目研究主要采取兩種應對措施：一是常規措施，即頂進過程中嚴格控制進漿濃度，根據模擬試驗要求達到25′以上；二是對既有頂管機進行適應性改造，在機頭前端底部增加4個高壓噴頭，發現砂粒堆積時，利用噴頭壓入高壓泥水，將堆積體沖散排出。

4.3 研制頂管自動糾偏系統

頂管掘進機在頂進過程中，通過10組糾偏千斤頂的不同伸縮量，控制頂管掘進機的走勢，使到頂管掘進機前后段相對產生一定的角度來實現糾偏。頂管掘進機頂進過程中的姿態如：頂管掘進機相對于管線是往上仰或下俯的趨勢、扭轉等，是通過安裝在頂管掘進機前段的“雙向角度傳感器”來感知。在頂進前，將頂管掘進機放置在導軌上，然后對角度傳感器顯示儀調零，此時頂管掘進機的角度傳感器的角度為零。頂管掘進機頂進過程中，角度傳感器測量出頂管掘進機的前后傾角和頂管掘進機的旋轉度。假如頂進過程中機頭上仰，角度增大0.2°，基本上可以判斷出掘進機有向上的趨勢，可以頂出上部的糾偏千斤頂，讓傾斜角度回到0°左右。反之亦然，可以通過頂出下部糾偏千斤頂讓傾斜角度回到0°左右。在這個過程中，激光點在光靶上移動不大，通過角度傳感器顯示儀的數字變化(見圖1)，可知頂管掘進機即將發生偏差的趨勢。

圖1 傾斜-扭轉數據傳輸顯示

當機頭扭轉時，扭轉角度顯示儀數據發生變化，可以調整刀盤轉動方向來控制機頭的扭轉。刀盤轉動方向與機頭扭轉方向一致，刀盤轉動時，機頭產生一個與轉動方向相反的扭矩，機頭在扭矩作用下慢慢回轉，當然回轉過程可能很長時間，也可能不能回轉過來，但可以控制機頭扭轉趨勢。如能隨時掌握頂管掘進機的偏差趨勢，就能夠在偏差出現之前提前控制。所以在頂進過程中更需注意角度傳感器顯示儀的變化，才能夠保證高精度頂進。

4.4 優化觸變泥漿配合比

大截面長距離矩形頂管施工中，降低頂進阻力最有效的方法是進行注漿。使管周外壁形成泥漿潤滑套，從而降低頂進時的摩阻力。其中壓漿設備對長距離頂管的漿液供應能力會影響壓漿質量。依托項目頂管一次頂進長度226m，設置了2臺壓漿機，1臺BW-250專供管道最前50m觸變泥漿管，頂進過程不間斷壓漿，另一臺BW-150供其他管節注漿，頂進過程不間斷補漿。

壓漿方式以同步注漿為主，補漿為輔，先注后頂，隨頂隨注，及時補漿。在頂進過程中，要經常檢查各推進段的漿液形成情況。在停止頂進前以及開始頂進前應進行觸變泥漿補漿處理，減少再次頂進起動的初始頂力。壓漿壓力應比地下水高20～40kPa，壓力不應過大，避免擊穿地面影響注漿效果。觸變泥漿密度應控制在1.10～1.16g/cm3，黏度控制在30～35s，pH值<10，失水量<25ml/30min，穩定性要求靜置24h無離析。

長距離頂管中的潤滑減阻問題直接關系到頂管工程的成敗。在依托項目矩形頂管中，土層變化復雜、距離長，單一性能的觸變泥漿已經無法滿足要求。根據進入不同土層段，觸變泥漿的性能要作適當調整。在積淤泥、淤泥質土段，頂管覆土容易隆起；在粉砂、細砂、中砂及礫砂段，泥漿容易流失，地面發生沉降。對該項目中土層的實際頂管施工進行研究，結合經濟效益，給今后各類非開挖泥水平衡頂管施工提供指導意義。

4.5 頂進力監測

在臨近頂管機工具頭的管片、中繼間前一節或后一節管片中預埋混凝土應力計，每節管片左右對稱布置，在頂進過程中實時測量上述斷面的管節軸力，據此得到頂管端阻力和兩個測量斷面之間的側摩阻力。當測量計算得出的阻力數據與預測值偏差較大時，及時調整頂進速度、進排漿流量、觸變泥漿注漿壓力等參數。根據中繼間附近管片軸力數據，能夠有針對性地啟動中繼間，在盡可能保持頂進工效的前提下，有效降低主頂總推力。1號頂管段頂進距離與預力關系曲線如圖2所示。

圖2 1號頂管段頂進距離與頂力關系曲線

通過圖2可以發現，始發與接收破洞門時因需要破除加固體及素混凝土墻，頂力會快速上升，在破除加固體與素墻后頂力驟降至正常頂進水平。在正常頂進過程中，頂力與頂進距離會隨注漿、地質等情況不同而有所波動，但基本近似于線性增加。

5 結語

通過研究成果的應用，成功實現本項目3段矩形頂管隧道的順利貫通，填補了一次頂進200m以上大截面長距離泥水平衡矩形頂管施工的空白。在城市中進行綜合管廊、地下通道、地鐵出入口等建設，由于既有地面建(構)筑物、地下管線及現狀交通的影響，明挖法施工受到越來越多的制約，大截面矩形頂管工藝受到越來越多人的青睞，對于地下水豐富、砂層較厚的地區，泥水平衡矩形頂管能夠更好地控制地面沉降，確保現狀建(構)筑物、地下管線及市政道路的安全，具有十分廣闊的應用前景。