矩形盾構(gòu)頂管下穿市政設(shè)施施工技術(shù)

李尚輝

(深圳市地鐵集團有限公司,廣東 深圳 518000)

1 概述

隨著我國城鎮(zhèn)化速度的不斷加快,城市地下空間得到了有效的利用[1],在我國,頂管隧道主要應(yīng)用于軟土地層條件小直徑隧道施工,由于沿海城市地層含水量豐富,淤泥質(zhì)軟土層發(fā)育較好,因此頂管施工技術(shù)在沿海城市中得到廣泛應(yīng)用。目前一線隧道施工主要以經(jīng)驗法和施工規(guī)范為主[2-7],缺乏對頂管隧道行進狀態(tài)下施工參數(shù)的具體分析。為研究矩形截面頂管隧道建設(shè)過程中各項施工參數(shù)變化規(guī)律,為實際工程提供有效參考。本文依托深圳地鐵10號線某主干道下穿矩形盾構(gòu)頂管隧道進行施工技術(shù)總結(jié),對隧道頂進過程中各項施工參數(shù)進行理論分析,以期為同類工程提供有效借鑒。

2 工程概況

深圳地鐵10號線某車站位于深圳市主干道,交通量巨大,周邊分布有市政工程相關(guān)管線,橫跨出入口通道上方分布有電力管廊、電信等重要管線,上覆土層為淤泥質(zhì)土及人工填土,土體性質(zhì)軟弱,埋深約0.91 m～2.63 m。因遷改困難大,故出入口下穿道路采用頂管施工法進行施工,管線位置截面示意圖如圖1所示。

3 矩形盾構(gòu)頂管機選型

該隧道開挖采用土壓平衡式矩形頂管機施工,其截面尺寸為6 900 mm×4 200 mm,頂管機機頭處含有1個大刀盤和4個小刀盤,大刀盤直徑4 220 mm、小刀盤直徑2 100 mm,刀盤前后錯開布置,大刀盤前置,小刀盤后置。大刀盤采用6臺30 kW電動機驅(qū)動,電機轉(zhuǎn)速1 470 r/min,刀盤轉(zhuǎn)速0 r/min～1 r/min,刀盤最大扭矩1 700 kN·m;小刀盤采用2臺30 kW電動機驅(qū)動,電機轉(zhuǎn)速1 470 r/min,刀盤轉(zhuǎn)速0 r/min～1.76 r/min,單個刀盤最大扭矩290 kN·m。

4 矩形盾構(gòu)頂管機施工分析

4.1 初始段始發(fā)井施工

當隧道洞口位置處支護結(jié)構(gòu)拆除后,即可開始操作頂管機掘進。受初始開挖段洞室結(jié)構(gòu)影響,刀盤容易受損,此時應(yīng)降低掘進速度保障施工安全。

因始發(fā)洞門預(yù)埋鋼環(huán)和機殼間存在15 cm的間隙,且簾布橡膠板等防水結(jié)構(gòu),隧道掘進過程中容易發(fā)生水土流失,山體滑坡等現(xiàn)象,為防止該類事件發(fā)生,應(yīng)沿隧道外表面向土體內(nèi)部打錨桿,灌注混凝土等措施增強地層穩(wěn)定性。始發(fā)井處頂進施工時需注意的要點如下:頂進開門時,用鑿巖機破壞鋼筋混凝土墻,破壞時應(yīng)保證洞周完整性,提高隧道圍巖穩(wěn)定性;在洞內(nèi)側(cè),先施工鋼筋混凝土墻(結(jié)構(gòu)側(cè)墻),預(yù)先埋設(shè)鋼桶、鋼法蘭等構(gòu)件保證洞口止水功能良好。

對于出洞段有承壓水影響的情況,除了采取洞口加固措施以外,還要認真做好深井降水,頂管始發(fā)過程見圖2。

4.2 頂管受力分析

1)頂推力計算。

通道頂管段頂力計算,頂管段長64.5 m計算,管頂覆土取6.0 m,則有:

F=F0+f0L。

其中，F(xiàn)為隧道截面所受總推力，kN；F0為初始頂進時隧道截面所受頂推力，kN；f0為單位長度管節(jié)與土體之間的綜合摩擦阻力，kN/m。

初始推力計算公式:F0=S×(P0+Pw)。

其中，S為機頭截面積,m2；P0為機頭底部以上1/3高度處的靜止土壓力,kN/m2,P0=K0γ(H+2H1/3)，γ為土的容重,取20 kN/m3；H為管頂土層厚度,取6.0 m；H1為掘進機高度,取4.2 m；φ為土的內(nèi)摩擦角,取28°；K0為砂性土中取0.25～0.33 之間,在黏土中可取0.33～0.7之間；Pw為地下水壓力。地下水壓力計算水頭高度起算點為地面。

F0=S×(P0+Pw)=6.9×4.2×[0.33×20×(6.0+2×4.2/3)+1×10×(6.0+2×4.2/3)]=4 233.4 kN。

管外摩阻系數(shù):

f0=RS+Wf。

其中，R為綜合摩擦阻力，取8 kPa；S為管外周長,得S=(a+b)×2=(4.2+6.9)×2=22.2 m；W為每米管節(jié)的重力，239 kN/m；f為管節(jié)重力在土中的摩擦系數(shù),調(diào)研相關(guān)文獻[8]發(fā)現(xiàn),當管土摩擦為流體摩擦(含潤滑劑)時,摩擦系數(shù)取值范圍為0.1～0.3,且頂管施工時注漿作用可使阻力減少30%～50%?？紤]注漿影響,本案例中取中間值0.2。

得:f0=8×22.2+239×0.2=225.4 kN/m。

總推力：F=4 233.4+225.4×64.5=18 771.7 kN。

由以上結(jié)論可知:該工況下頂管隧道初始頂進時隧道截面所受頂推力為4 233.4 kN,總推力為18 771.7 kN,該結(jié)論可為同類型工程提供相應(yīng)指導(dǎo)。

2)管材受力分析。

a.管節(jié)壁厚450 mm,管節(jié)外圍尺寸6 900 mm×4 200 mm,根據(jù)施工組織設(shè)計,管節(jié)軸向推力安全系數(shù)設(shè)置為0.391。

b.C50鋼筋混凝土抗壓強度設(shè)計值23.1 N/mm2。

c.管節(jié)受力面積為:

受力面積S=6.9×4.2-6.0×3.3=9.18 m2。

d.管節(jié)軸向允許推力:

23.1 N/mm2×9.18×106mm2×0.391=82 915 kN。

3)后座反力計算。

參考相關(guān)文獻[9]可知,隧道始發(fā)井位置處后座支反力R采用下式計算:

R=α·B·

其中，R為總推力之反力,kN;α為系數(shù),取α=2.5;B為后座墻的寬度,8 m;γ為土的容重,20 kN/m3;H為后座墻的高度,4.7 m;Kp為被動土壓系數(shù),Kp=tan2(45°+φ/2);c為土的內(nèi)聚力,取0 kPa;h為地面到后座墻頂部土體的高度,平均取6.7 m；φ為填土內(nèi)摩擦角,取28°。

將以上數(shù)據(jù)代入公式:

Kp=tan2(45°+φ/2)=tan2(45°+28°/2)=2.78，

由上式可知,初始段后座支反力R值低于管節(jié)軸向允許推力,隧道結(jié)構(gòu)安全。

4.3 地面沉降控制

頂管頂進施工中產(chǎn)生的地層損失對地層穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響,并由此易產(chǎn)生塌方,山體滑坡等工程災(zāi)害。由此需對頂管截面布置測量監(jiān)測點保證施工安全,頂管橫斷面測點布置要求如下:

1)頂管通道位于既有建筑物、地下管線的正下方,因此頂管施工需對既有結(jié)構(gòu)物、地面沉降、地下管線變形及頂管通道水平位移和沉降進行監(jiān)測。2)頂管施工前,施工監(jiān)測應(yīng)建立完善的監(jiān)測網(wǎng),測定其穩(wěn)定的初始值,且應(yīng)該不小于3次。3)量測過程中必須采取有效措施,保證量測數(shù)據(jù)的及時性、準確性和連續(xù)性。4)施工監(jiān)測隨頂進施工的進程連續(xù)進行,當出現(xiàn)掘進參數(shù)異常、地面及管線沉降變形變化較快時應(yīng)加大量測頻率。5)施工前應(yīng)做好既有結(jié)構(gòu)物、路面和地下管線的調(diào)查和記錄工作,必要時進行現(xiàn)場拍攝。

4.4 注漿漿液安全控制

頂管隧道行進過程中,管壁注漿是不可或缺的一部分,其對隧道能否正常施工產(chǎn)生重要影響,本文從漿液質(zhì)量控制、注漿壓力的調(diào)整與控制、注漿泵的工作情況、壓水量調(diào)控進行歸納總結(jié),控制要點具體如下:1)漿液質(zhì)量控制。a.在隧道 注漿前應(yīng)仔細檢驗注漿用漿液有無質(zhì)量問題,以免影響注漿效果。b.為保障漿液與管壁黏結(jié)充分,漿液需進行充分攪拌。c.為防止雨水等自然因素對注漿漿液質(zhì)量影響,貯存漿液用水池應(yīng)安裝遮陽棚,并鋪設(shè)防雨層。2)注漿壓力的調(diào)整與控制。a.注漿時應(yīng)實時監(jiān)測漿液壓力變化,保障注漿過程平穩(wěn)有序進行。b.實際操作中發(fā)現(xiàn)注漿壓力大于設(shè)定值時,需及時調(diào)整漿液濃度及配合比。3)觀察注漿泵的工作情況。實際操作過程中需重點觀察注漿用增壓泵運營狀況,當注漿泵發(fā)生異響或運作緩慢時需及時停止施工,找出問題原因并及時解決。

5 結(jié)語

本文通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)測、理論分析計算等方面對頂進施工中施工重難點進行了技術(shù)總結(jié),對矩形盾構(gòu)頂管機施工過程進行了詳細分析,總結(jié)了初始段始發(fā)井處頂管施工要點,并對頂管頂力計算、管材受力分析、后座反力計算等展開了研究。此外,本文對地面沉降控制、注漿漿液控制提出了有效控制措施。在施工過程中嚴把質(zhì)量關(guān),根據(jù)現(xiàn)場情況及時調(diào)整控制參數(shù),嚴密監(jiān)測,將地表沉降值控制在安全范圍之內(nèi)。結(jié)果表明:矩形頂管施工避免了明挖施工造成的交通中斷、管線遷改等,節(jié)省了工程造價,加快了進度,該結(jié)論可為工程實際提供有效參考。