土壓平衡矩形頂管機淺埋復合地層施工技術

張生林

(廣州軌道交通建設監理有限公司)

0 引言

隨著城鎮化發展，越來越多的城市交通擁堵凸現，如何解決市區交通擁堵?其中，減少地面過街人行道，改建過街人行天橋或地下過街人行通道是提高車流速度，緩解市區交通擁堵的有效途徑之一，而過街天橋影響城市市容，很多城市選擇修建淺埋地下過街通道。淺埋地下通道修建常受到復雜的周邊環境的影響，如：地下管線和地面繁忙的交通等影響。不開挖路面，不封閉交通，不改遷管線，修建淺埋地下通道的需求增多，矩形頂管施工技術[1-5]和沉降控制技術[6-8]能滿足上述的需求。

根據土壓力的平衡方式不同，頂管施工工藝大致分為自然平衡式、機械平衡式、氣壓平衡式、泥水平衡式、土壓平衡式等施工工藝[9]，其中應用最為廣泛的是泥水平衡式和土壓平衡式。泥水平衡頂管機均是建壓始發，而土壓平衡頂管機一般空倉始發，切削加固體時才逐步建壓。本文結合工程實例介紹了土壓平衡矩形頂管機在未進入加固體前在土倉內充滿牙膏狀膨潤土建壓后始發，有效地控制了掌子面穩定和地面沉降，避免了對地下管線的不利影響和對地面交通的影響。

1 概況

1.1 工程位置

廣州地鐵二、八號線同福西站位于洪德路與同福西路路口南側。車站沿洪德路南北向布置，為地下三層明暗挖結合車站。

洪德路為城市主干道，路中設內環路高架橋，同福西路口設跨線橋，同福西路口北側為人民橋南岸匝道，交通繁忙。頂管下穿洪德路，其影響范圍內主要有電信管溝、排水管、110kV 電纜、煤氣管、給水管等。

1.2 頂管通道

同福西站負一層站廳之間的通道位于洪德路下方，下穿洪德路立交及內環路高架。1 號頂管通道33.83m，覆土5.9～6.0m；2 號頂管通道35.85m，覆土5.7～5.9m；3 號頂管通道30.88m，覆土5.7m。三條隧道，矩形頂管機均從左線站廳正交始發，右線站廳以85.57°斜交到達（見圖1）。

2 地質

2.1 工程地質

三條通道場地范圍內各巖土分層（見圖2、圖3 和圖4）及其特征如下：

圖1 頂管通道和地下管線位置示意圖

圖2 1 號頂管橫通道地質剖面圖

圖3 2 號頂管橫通道地質剖面圖

圖4 3 號頂管橫通道地質剖面圖

<5-2>硬塑狀粉質粘土(Qel)：呈不規則層狀或透鏡體狀分布于全強風化巖層頂部，厚0.60～3.10m。

<3-2>中粗砂層

2.2 水文地質

本工程場地初見地下水位埋深0.70～4.20m，穩定水位埋深1.90～3.60m。地下水位與季節、氣候、地下水賦存、補給及排泄有密切的關系，地下水與珠江水的水力聯系中等。

3 工程實施

3.1 端頭加固

始發端頭加固：5 排Ф600@450 雙管旋噴樁(寬2.4m)，通道外側加固寬不少于2m，樁底低于通道底面不小于2m。緊貼圍護結構的一排旋噴樁插入HM500X300a 型鋼，深度從地面到加固體底，破除連續墻，頂管機就位后，拔出型鋼。

接收端頭加固：3 排Ф600@450 雙管旋噴樁（寬1.5m），通道外側加固寬不少于2m，樁底低于通道底面不小于2m。

反力架后靠區土體加固：3 排Ф600@450 雙管旋噴樁，樁底低于通道底面不小于2m。

1 號橫通道端頭加固布置見圖5。

受前期場地制約，始發端頭加固僅完成旋噴樁施工，受上部立交橋影響，未插型鋼。

圖5 1 號橫通道端頭加固布置圖

為安全破除洞門，對始發端頭再處理：先地質鉆引孔（考慮地連墻外側可能存在混凝土鼓包，先引孔，以保證鋼板樁施工順利、鋼板樁之間有效咬合及與地連墻緊貼），后做拉森鋼板樁（深12m、寬8m）（見圖6、圖7），在鋼板樁外側埋設袖閥管，待鋼板樁完成后注漿封堵鋼板樁與地連墻和土體之間的縫隙，防止洞門破除過程中涌水突泥。

圖6 拉森鋼板樁平面位置布置圖

圖7 鋼板樁施工照片

3.2 渣土改良

渣土改良是通過頂管機配置的專用裝置向刀盤面、土倉或螺旋輸送機內注入添加劑，利用刀盤的旋轉、土倉攪拌裝置攪拌或螺旋輸送機旋轉使添加劑與土渣混合，其主要目的：①渣土呈流塑狀態；②渣土具有不透水性；③保土體穩定性；④減小刀盤的動力；⑤降低磨損；⑥防結泥餅等。添加劑主要有聚丙烯酰胺和膨潤土，聚丙烯酰胺的功效：分離或中和粘性土中的陰陽離子，降低其吸附性能，改善渣土的流動性、潤滑刀具等作用，據實驗：1‰陰離子聚丙烯酰胺溶液按土體比重5%添加，做泥效果最佳，見圖8。嚴格按配合比對渣土進行改良，專人放料、精確計量。

圖8 渣土改良效果照片

3.3 上軟下硬段處理

3 號通道30.88m，覆土5.7m，掘進（刀盤位置）至6.5m 時，再掘進100mm，機頭抬高了3mm，油缸頂力達到1800t，反力架松動，取芯揭示該處地質突變，圖示為淤泥質土，實際為中風化泥質粉砂巖（25MPa），侵入洞身高約1m，呈上軟下硬情況，需對該段處理，才能確保頂管機安全順利出洞。

3.3.1 場地準備

對施工場地進行圍蔽。

3.3.2 管線探查

放線探槽位置，人工開挖探槽，在頂管通道兩側各挖1 條寬1m、深2m 的槽，探明隧道頂部以上的管線，做好標識。

3.3.3 地質補勘

地質補勘孔在隧道外側20cm，間距2m，沿隧道軸線布置，補勘揭示硬巖分布情況，為確定硬巖區的破碎范圍提供依據。

3.3.4 潛孔鉆機就位

采用帶調平支腿的潛孔鉆機（見表1），鉆機就位前對鉆孔位置測量定位，就位后精確調平，掛垂球及水平尺檢查鉆桿垂直度，確保鉆機各支腿穩固，避免振動影響鉆孔質量。

表1 現場配套主要設備

3.3.5 密排鉆孔破碎

用Φ150mm 鉆頭對隧道洞身內的硬巖密排鉆孔（見圖9），鉆桿垂直地面，深度為隧道底部以下800mm，孔距為300mm×300mm。

圖9 潛孔鉆機密排鉆孔破碎硬巖

管線位置，算好角度，斜孔破碎管線下方隧道洞身內的硬巖。鉆孔時成排按順序施做，不跳孔，防止破碎不到位。

3.3.6 地層破碎效果檢查

根據孔位間距偏差、垂直度偏差、深度偏差來判斷地層破碎效果，偏差在-50mm～50mm 之間為合格。不合格區重新密排鉆孔，合格才鉆孔、安裝袖閥管、注漿。

3.3.7 袖閥管注漿

硬巖破碎后，對隧道頂部至地表的破碎地層注漿加固，注漿：Φ42mm 袖閥管，間距：600mm×600mm，深度：地表至隧道頂部。

3.4 頂管施工

3.4.1 頂管機始發（進洞）

頂管機（見圖10）進洞步驟：設備下井安裝、設備調試、鑿除洞門、安裝止水裝置、頂進機頭至洞圈內（距鋼板樁側100mm）、在土倉內注膨潤土建壓（0.6bar）、拔出鋼板樁、切削加固土、機頭切削進原狀土、正常掘進。

圖10 矩形頂管機照片

3.4.2 頂管掘進

掘進速度：始發階段不宜過快，10mm/min 左右；正常施工階段，20mm/min 左右。

出土量：嚴格控制出土量，防止超挖或欠挖，正常出土量是理論出土量的98%～100%。

3.4.3 頂管機到達(出洞)

⑴接收井準備

出洞前，先對洞門位置進行測量確認，據實際標高安裝頂管機接收架，配備封洞門鋼板、補充注漿等材料。

⑵頂管機位置姿態復核

當頂管機頭逐漸靠近接收井時，增加測量的頻率和精度，減小軸線偏差，以良好的姿態從預留的洞門圈內出洞，見圖11。

⑶各施工參數的調整

在機頭距接收井6m 后，開始停止機頭的壓漿，壓漿位置逐漸后移，保證頂管機在出洞前有6m 左右的完好土體，避免減摩泥漿大量流失而造成管節周邊摩阻力驟然上升。

圖11 頂管機出洞照片

在頂管機切口進接收端加固區后適當減慢掘進速度，加大出土量，逐漸減小掘進時機頭正面土壓力，避免洞口處結構被擠裂。

⑷頂管機出洞

當頂管機刀盤切口距接收端地下連續墻100mm 左右時，停止掘進，鑿除洞門，迅速、連續頂進管節，縮短出洞時間。出洞后，馬上用鋼板將管節與洞門圈預埋鋼板焊成整體（見圖12），向管節外側與洞門圈之間的間隙內注漿，防止水土流失。

圖12 用鋼板將管節與洞門圈預埋鋼板焊接照片

3.5 地面沉降控制

連續均衡掘進，避免長時間停機；根據監測數據調整土壓力，達到最佳狀態；嚴控出土量，防止欠挖或超挖。嚴格監測，一旦沉降異常，立即補漿、注泥等措施修正，掘進結束后立即進行二次補泥。

地面沉降及隆起控制值為(+10mm，-30mm)，預警值為（+8mm，-24mm）。本項目頂管隧道掘完后，地面累計沉降值為5.3mm。

4 結論

淺埋矩形頂管隧道施工時需注意的幾個問題：

⑴頂管機的選型，在覆土較薄、地下管線較多、地面沉降控制要求較高的頂管工程，選土壓平衡頂管機較好，不宜用泥水平衡頂管機，因覆土較薄，氣密性較差，泥漿易外溢地面，土倉壓力難以保持，造成地面塌陷，影響地面道路交通或地下管線破裂，影響周邊居民生活，產生不良的社會影響。

⑵沿隧道軸線加密地質鉆孔，探明上軟下硬地段等不同復合地層組段的范圍，對隧道范圍內頂管機掘不動的地層預處理，以提高頂管掘進速度和頂管隧道質量。

⑶頂管始發階段易發生止水帶處漏水漏沙，嚴重的造成地面塌陷或地下管線破裂。

⑷通過不同改良劑和配合比渣土改良試驗選取較好的改良劑和配合比，改良的渣土的和易性和流動性達到更好，防止結泥餅或滯排，降低停機的概率，提高掘進速度和有效控制地面及地下管線的沉降。

⑸做好頂管斜交到達端頭加固和檢測，達到設計要求才出洞，現場備足堵漏搶險物資。否則，一旦漏水流沙不能及時控制，將引起地面塌陷或地下管線破裂。

通過對本項目淺埋矩形頂管隧道施工實例進行剖析，為以后類似工程提供借鑒。