地鐵施工中頂管施工技術應用重難點分析

杜懷珺

【摘要】以徐州城市軌道交通2號線車站出入口頂管施工為例，通過對施工過程中頂管施工的重難點分析，制定相應的有效措施，驗證了頂管施工技術在地鐵施工中的合理性和安全性。并分析總結了其質量保證措施及質量控制標準，為今后富水黏土層頂管施工提供借鑒。

【關鍵詞】頂管;壓力;黏土層;安全性分析

隨著城市化的深入推進，越來越多的城市開始了地鐵建設。在地鐵建設中，為節約用地、減少對城市主要道路的交通影響，保證出入口過街通道的施工安全和施工方便，頂管施工技術在城市軌道交通施工中起到了不可替代的作用。

1、概況

徐州市城市軌道交通2號線一期工程，線路長約23.9km，設站20座，全部為地下站。共5座換乘站，分別與1、3、4、5號線換乘。

為減少地鐵施工對沿線交通影響，徐州軌道交通2號線線路采用路側式設計，車站位于市政道路一側綠化用地范圍，道路另一側設置出入口，需下穿市政道路且通道較長，為避免該側出入口施工對地面交通影響，下穿市政道路部分采用矩形頂管工藝施工。經統計，徐州市城市軌道交通2號線一期工程全線共有17個出入口過街通道采用矩形頂管工藝施工。

2、頂管機簡介

矩形多刀盤土壓平衡頂管機，由刀盤、刀盤驅動、前殼體、后殼體、糾偏系統、頂進系統組成。其基本原理是電機通過安裝在隔艙板上的減速器驅動、旋轉刀盤，刀盤切削掌子面并將切削下來的泥土在土倉內進行土體改良形成塑性體泥團，通過螺旋出土器控制排土量來平衡土壓力和地下水壓力。頂管機下部設有螺旋輸送機的喂料口，切削下來的土體通過螺旋輸送機排出。

3、頂管施工重難點及控制措施

3.1地表沉降及隆起控制

3.1.1原因分析

矩形頂管施工工藝為：刀盤旋轉開挖掌子面土體，旋轉同時由刀盤主軸中心預設管道及隔板預留注漿孔向掌子面及土倉注入渣土改良漿液，渣土改良后由螺旋出土器排至機內渣土斗;出土同時由始發井內推進油缸向前推進，推進過程中通過管節預留注漿孔向管節壁后注入觸變泥漿，保持管節與土體之間潤滑以減少推進阻力;掘進行程滿足管節安裝空間即停止掘進，回收推進油缸，拆除主機電纜機各種管道，安裝管節，重新連接主機電纜及各種管道，然后開始下個循環掘進。

由此可見，矩形頂管施工工藝特點一是所有管節均由始發井安裝，逐節向前推進;二是掘進過程中管節與土體之間始終由觸變泥漿保持潤滑;三是管節安裝時主機需斷電，以上三點也是矩形頂管施工工藝和盾構施工工藝的最大區別，均不利于地表沉降及隆起控制。地鐵出入口頂管施工車流量都很大，控制地表沉降及隆起是本工程的重點。

3.1.2采取的措施

⑴ 選取合理的土倉控制壓力

根據土體極限平衡原理土壓力分為主動土壓力、靜止土壓力和被動土壓力，土倉壓力控制在主動土壓力與被動土壓力之間地表不會出現沉降與隆起。根據頂管施工工藝特點，預留后期沉降量，掘進土倉壓力按照靜止土壓力至被動土壓之間設定，根據掘進情況及時調整[1]。

⑵ 管節與土體之間形成有效的泥漿套

頂管機殼體尺寸7020*5020mm，四周比管節外徑大10mm，頂進過程需從管節預留注漿管注入觸變泥漿以減小土體與管節之間的摩擦力。采用膨潤土泥漿減阻泥漿容易被土體吸收，失去潤滑減阻效果，本工程計劃采用優質粘性土拌制濃泥結合膨潤土泥漿共同減阻，利用濃泥不易失水的特性確保管節與土體之間形成有效的泥漿套，解決管節頂部背土現象產生，控制地表沉降。

⑶ 保證主機斷電期間土倉壓力不小于靜止土壓力

管節安裝時，各種管線需要從管節內穿過，因此需要斷電。主機斷電期間若螺旋出土器出現噴涌將會造成土倉失壓，引起地表沉降。為解決該問題采取如下措施，一是在斷電前保證土倉壓力高于設定壓力0.2 bar，抵消斷電期間土倉壓降;二是斷電前通過螺旋出土器預留注漿孔向出土器鋼筒內注入濃泥起到堵水作用，減少噴涌風險[2]。

3.2液化土層掘進防止流砂形成

3.2.1原因分析

飽和砂土在地震、動荷載或其他外力作用下，受到強烈振動而喪失抗剪強度，使砂粒處于懸浮狀態，致使地基失效的作用或現象稱為砂土液化。頂管施工時，刀盤擾動前部土體，易造成砂、水分離，且在各自重力作用下下沉，形成的空隙由周邊土層中的地下水補給，引起更大范圍的地下水滲流，帶動臨近區域的砂土失水導致固有平衡破壞，引起地面沉降[3]。本工程掘進土層以2-5-3粉土為主，為中等液化土易引起流砂，如何防止流砂現象發生是本工程的重難點。

3.2.2采取的措施

根據流砂形成的原理，液化土中水流帶動砂土顆粒流動引起流砂，因此防止流砂發生需從各個滲漏水環節著手，具體如下：

⑴ 加強洞門止水密封

始發井洞門采用橡膠止水簾布密封，不能采用水泥漿、雙液漿等進行固結，必須保持管節滑動且不破壞橡膠簾布，頂進過程中應盡量減少洞門處滲漏水、杜絕漏砂。采取的措施一是頂進全過程實時觀察壓板狀況，及時調整壓板和管節之間空隙，保證橡膠簾布不翻出;二是根據洞門滲漏水及漏砂情況，及時在洞門1至2節管節注入濃泥，采用不透水的濃泥將填充止水簾布內側管節與土體之間的空隙形成土塞，起到密封作用。

⑵ 加強管節間止水密封

管節之間采用二道楔形密封膠圈止水，膠圈采用專用粘合劑固定在管節插口預留凹槽內，管節安裝時應認真檢查膠圈狀態，確保膠圈能夠按照設計狀態插入承口鋼套環，若出現膠圈破損、翻起等情況必須重新安裝，確保膠圈起到密封作用。

⑶ 加強螺旋出土器閘門密封

頂管機采用雙螺旋出土器排渣，當到達螺旋機出口的渣土過稀且有一定壓力時就會發生噴涌，原因是土倉和螺旋機內的土體不能完全有效的抵抗開挖面上較高的水壓力，從而在螺旋機的出土口發生噴水、噴泥現象。管節安裝時頂管機主機處于斷電狀態，無法進行操作，螺旋機一旦發生噴涌很難控制，進而會引起掌子面發生流砂現象，引起地面沉降。

防止螺旋機噴涌主要采用以下措施，一是土倉渣土必須充分改良及攪拌，確保螺旋機排除渣土稠度適中，且無明水排出;二是螺旋機出土時必須嚴格控制土倉壓力維持在設定壓力值，確保地面穩定;三是主機斷電前觀察螺旋機內渣土情況，若地層以砂為主，透水性較強，斷電前利用螺旋機預留注漿孔向螺旋機內注入粘性土泥漿，利用不透水的濃泥密封螺旋機;四是及時清理螺旋機閘門槽內異物，確保螺旋機閘門閉合密實。

3.3液化土層加固

3.3.1原因分析

徐州市軌道交通2號線地質情況為頂管底板以下土層為粉土，局部夾雜粉砂，以均為中等液化土，為消除液化沉降風險，頂管完成后采用花管注漿的方式對液化土層進行加固。

管節底板預埋φ50mm注漿管，每節16個，共計16×38 = 608個。頂管完成后采用φ42 mm、長6000 mm花管進行注漿。注漿漿液為水泥漿，水灰比0.5～1，注漿壓力0.5～1 Mpa，加固后的地基應具有良好的均勻性和自立性，其無側限抗壓強度為不小于0.8MPa，滲透系數不大于1.0×10-8cm/s，加固完畢后應對加固體進行檢驗。注漿完成后應采用微膨脹水泥砂漿填充封堵，保證砂漿與螺紋緊密相連，最后進行收面抹平。底板預留孔滲漏水、成型通道變形風險，且注漿效果檢測困難，是本工程的難點。

3.3.2采取的措施

⑴ 采取有效措施防止注漿孔漏水及流砂

管底注漿工序：管節預留孔鉆孔→花管插入→注漿→封孔，管節預留注漿孔底距管節外壁50 mm，注漿前采用水鉆取芯鉆孔。管節混凝土開孔后，通道和通道底土層聯通，土層中地下水在水頭差的作用下降流向通道內，水流帶動周邊砂土，一旦形成徑流通道將發生涌水涌砂險情[4]。為防止險情發生，采取以下措施，一是準備帶有密封墊片的專用堵頭，利用管節預埋注漿孔內螺紋進行臨時封堵，一旦發生涌水立即采用堵頭封堵注漿孔;二是花管端頭設置內螺紋及堵頭，花管插入及注漿前封堵花管;三是注漿完成后加強注漿孔封堵，采用膨脹水泥砂漿進行封堵，為保證安全在膨脹水泥砂漿頂部增設水膨脹密封膠，加強堵漏效果。

⑵ 加強監控量測控制通道變形

管底注漿過程中，實時對通道變形進行監測，無變形按照既定注漿方案進行注漿;若注漿過程中發生隆起、水平位移等情況立即停止注漿，待通道穩定后再開始管底注漿，必須保證成型通道變形不超過設計指標。

⑶ 優化注漿參數確保注漿效果

注漿施工前，首先進行注漿試驗，對水灰比、注漿壓力、注漿量等參數進行試驗，采取試驗參數進行試注漿，注漿完成后檢驗注漿質量，達到設計要求后方可進行正式施工。注漿按照注漿壓力和注漿量雙控，以注漿壓力為主，計算管底土層被動土壓力，嚴格控制注漿壓力不超過被動土壓力，大于被動土壓力立即停止注漿，以免因壓力過大引起地表隆起。

結論：

頂管施工技術將是今后地鐵施工中應用到的最為安全的一項施工技術，但根據不同的地質條件及周邊環境，頂管施工技術所需要注意的安全風險和施工重難點不盡相同，本文根據徐州地鐵2號線的現場施工經驗，對液化土層中頂管施工重難點進行科學的分析并制定了相應的控制措施，通過現場應用證明制定的控制措施是科學有效的，為以后的液化土層頂管施工提供了科學的實踐依據。

參考文獻：

[1]趙全峰.淺談砂卵石地層人工頂管施工檢測技術[J].中小企業管理與科技，2020年11月下旬刊：188-189.

[2]王延市.關于市政工程頂管施工技術的探究[J].低碳世界，2020年11期，：175-176.

[3]吳楨，姚蕊，張國林.頂管穿越大范圍全斷面黏土地層綜合施工技術[J].水利水電施工，2019年02期：30-32.

[4]王凱，張曉川，徐昕，等.土工基礎[J].2019年05期：13-15