矩形頂管法在淺層地下空間施工中存在的主要問(wèn)題及控制措施

李俊玲

（廣州金土巖土工程技術(shù)有限公司，廣東 廣州 510507）

0 引 言

近年來(lái)，隨著中國(guó)城市化進(jìn)程不斷加快，城市空間資源的不足逐漸成為制約城市建設(shè)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最主要因素之一，為解決城市空間日漸緊張的困境，城市建設(shè)從橋梁、高層建筑等城市上空空間開(kāi)發(fā)利用，到本世紀(jì)的城市地下空間開(kāi)發(fā)利用，逐漸呈現(xiàn)多維度、立體化的擴(kuò)展趨勢(shì)[1-3]。

21 世紀(jì)為地下空間技術(shù)利用高的世紀(jì)。目前地下工程施工技術(shù)主要包括：明挖法、淺埋暗挖法、盾構(gòu)法、頂管法等。其中頂管法是近年發(fā)展起來(lái)的一種地下暗挖施工方法，這種施工方法相對(duì)于傳統(tǒng)明挖施工在征拆、環(huán)保、管線遷改、交通導(dǎo)改等方面具有較大優(yōu)勢(shì)。頂管法按照管節(jié)及頂管機(jī)形狀，可分為矩形頂管、圓形頂管及異形頂管（如直墻拱形，這類(lèi)有時(shí)也歸類(lèi)在矩形頂管中），與其他地下暗挖施工方法相比，矩形頂管法因其施工占地面積小、空間利用率高、成本相對(duì)較低、綠色環(huán)保、試用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在城市地下空間開(kāi)發(fā)利用的施工中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，如地下過(guò)街通道、地鐵出入口、綜合管廊等淺層地下空間開(kāi)發(fā)建設(shè)[4-5]。

針對(duì)矩形頂管法，許多學(xué)者從多方面、不同角度對(duì)施工技術(shù)進(jìn)行了研究，但較少對(duì)頂管施工中存在的問(wèn)題及控制解決方案進(jìn)行針對(duì)性的探討研究。本文依托深圳市軌道交通8 號(hào)線深外高中站B2 出入口人行通道矩形頂管工程，對(duì)矩形頂管法在施工中遇到的問(wèn)題進(jìn)行分析，通過(guò)施工中遇到的問(wèn)題及一系列解決措施的應(yīng)用，結(jié)合其他工程施工遇到的類(lèi)似問(wèn)題及解決方案，從多方面對(duì)施工效果進(jìn)行總結(jié)研究并形成結(jié)論，為今后頂管設(shè)計(jì)、施工提供借鑒參考。

1 工程概況

1.1 工程概況

本工程位于深圳市鹽田區(qū)深圳外國(guó)語(yǔ)學(xué)校（高中部）東北側(cè)，地處中青一路與梧桐山大道十字交叉路口，頂管通道自西向東下穿鹽排高速公路及梧桐山大道與深外高中站地鐵主體結(jié)構(gòu)連接。本工程在梧桐山大道東側(cè)設(shè)置始發(fā)井，西側(cè)接收端通過(guò)暗挖三角區(qū)段與地鐵主體結(jié)構(gòu)相連。

由于頂管接收端緊鄰梧桐山大道及鹽排高速，設(shè)計(jì)頂管出入口通道與深外高中站主體結(jié)構(gòu)斜交，不適于挖基坑做接收井布置，因此頂管掘進(jìn)到接收端時(shí)采用棄殼接收措施，斜交區(qū)域采用礦山法暗挖施工與主體結(jié)構(gòu)聯(lián)通（見(jiàn)圖1）。

圖1 深外高中站頂管通道平面示意圖

本工程長(zhǎng)75 m，通道斷面尺寸為6.9 m×4.9 m，內(nèi)凈空為5.7 m×3.7 m。采用6.92 m×4.92 m 多刀盤(pán)組合式土壓平衡頂管機(jī)施工。

1.2 工程地質(zhì)及水文特征

深外高中站B2 出入口頂管通道平均覆土厚度約11.55 m，穿越地層主要為①1素填土，局部穿越①3填塊石、①4填碎石和④14卵石層。頂管通道地質(zhì)剖面圖見(jiàn)圖2。

圖2 頂管通道地質(zhì)剖面圖（單位：m）

其中①1素填土地層主要由黏性土混少量砂礫組成，偶夾碎塊石，由人工填成；①3填碎石地層主要由中等～微風(fēng)化花崗巖碎石組成，碎石直徑一般為20～100 cm，局部粒徑超過(guò)300 cm，夾有少量黏性土及角礫，由人工填成；①4填塊石地層主要由微風(fēng)化花崗巖質(zhì)塊石組成，塊石直徑10～20 cm，最大者可達(dá)30 cm 以上，含量大于50%，塊石間為碎石、角礫及黏性土充填，本層在場(chǎng)區(qū)內(nèi)不均勻分布；④14卵石層主要為稍密～中密狀，局部密實(shí)，卵石呈亞圓、次圓狀，直徑2～8 cm 不等，個(gè)別大于10 cm，有較多的粗、礫砂及黏性土填充。

頂管穿越地層基本為人工填筑地層，地層的物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)

1.3 周邊建（構(gòu)）筑物及地下管線

本工程自東向西下穿梧桐山大道、鹽排高速，鹽排高速樁基距頂管通道水平最小凈距約1.21 m。頂管施工下穿DN400 污水管、DN800 給水管，管線覆土厚度最淺處直線凈距約1.7 m 左右，給水管線距始發(fā)井最近處直線凈距約2.38 m，污水管線距始發(fā)井直線凈距約3.68 m。

頂管周邊建（構(gòu)）筑物、管線與頂管相對(duì)位置見(jiàn)圖3。

圖3 頂管通道周邊環(huán)境及管線位置（單位：m）

2 主要施工風(fēng)險(xiǎn)及控制措施

針對(duì)矩形頂管在淺層地下空間施工的特點(diǎn)及環(huán)境因素等，本文將頂管施工中存在的主要問(wèn)題根據(jù)發(fā)生的原因及風(fēng)險(xiǎn)的可預(yù)測(cè)性歸納總結(jié)為三類(lèi)施工風(fēng)險(xiǎn)，第一類(lèi)是矩形頂管施工工法自身施工局限性引起的施工風(fēng)險(xiǎn)，如頂管機(jī)栽頭、頂管機(jī)背土、頂管通道扭轉(zhuǎn)、頂管機(jī)及管節(jié)后退、姿態(tài)控制、掘進(jìn)減阻、始發(fā)接收漏漿；第二類(lèi)是與施工工況相關(guān)的施工風(fēng)險(xiǎn)，如頂管通道下穿高架橋、道路或邊坡等沉降風(fēng)險(xiǎn)、管線沉降風(fēng)險(xiǎn)、不良地質(zhì)掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)等；第三類(lèi)為不可預(yù)見(jiàn)風(fēng)險(xiǎn)，這類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)是地下工程本身的特性所決定，主要為地質(zhì)不確定風(fēng)險(xiǎn)[6]。

本工程根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況及地質(zhì)水文情況，提煉出10 個(gè)施工中主要存在的問(wèn)題，其中第一類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)施工問(wèn)題6 個(gè)，第二類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)施工問(wèn)題3 個(gè)，第三類(lèi)施工風(fēng)險(xiǎn)施工問(wèn)題1 個(gè)，本文主要介紹第二類(lèi)、第三類(lèi)施工風(fēng)險(xiǎn)中主要施工問(wèn)題及控制措施。

2.1 第一類(lèi)施工風(fēng)險(xiǎn)

第一類(lèi)施工風(fēng)險(xiǎn)是矩形頂管施工工法局限所引起的施工風(fēng)險(xiǎn)，因此這類(lèi)施工風(fēng)險(xiǎn)是可預(yù)見(jiàn)并可規(guī)避的施工風(fēng)險(xiǎn)，可以在設(shè)計(jì)中采取加強(qiáng)措施、施工中嚴(yán)格質(zhì)量控制以規(guī)避施工風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。

本工程采用6.9 m×4.9 m 多刀盤(pán)土壓平衡矩形頂管機(jī)，頂管機(jī)重量約200 t，矩形人行通道斷面及直線長(zhǎng)度較大，因此本工程第一類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)中存在的主要問(wèn)題為：

（1）頂管機(jī)栽頭；

（2）頂管機(jī)背土；

（3）頂管通道扭轉(zhuǎn)；

（4）頂管機(jī)及管節(jié)后退；

（5）姿態(tài)控制；

（6）掘進(jìn)減阻。

2.2 第二類(lèi)施工風(fēng)險(xiǎn)

第二類(lèi)施工風(fēng)險(xiǎn)是與施工工況相關(guān)的施工風(fēng)險(xiǎn)，這類(lèi)施工風(fēng)險(xiǎn)在設(shè)計(jì)時(shí)或施工前需采取必要措施，同時(shí)施工過(guò)程中嚴(yán)格控制質(zhì)量方可減小風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生幾率。

本工程人行通道下穿鹽排高速公路，與鹽排高速樁基直線凈距僅1.2 m，上方有較多管線，且穿越地層有素填土、填塊石等，因此本工程第二類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)中存在的主要問(wèn)題為：

（1）頂管通道下穿高架橋及道路的沉降；

（2）管線沉降；

（3）不良地質(zhì)掘進(jìn)中主要為塊石、碎石、卵石地質(zhì)。

2.3 第三類(lèi)施工風(fēng)險(xiǎn)

由于地下工程的特性，第三類(lèi)施工風(fēng)險(xiǎn)在施工前或發(fā)生前幾乎不可預(yù)見(jiàn)，因此無(wú)法做預(yù)見(jiàn)性措施，只能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況采取應(yīng)急或補(bǔ)救措施。

本工程施工中發(fā)生的問(wèn)題就是第三類(lèi)施工風(fēng)險(xiǎn)——地質(zhì)不確定。

3 施工中遇到的主要問(wèn)題原因分析及解決措施

3.1 地質(zhì)突變施工

本工程始發(fā)掘進(jìn)施工時(shí)，發(fā)現(xiàn)地層中塊石、碎石較多，由于本工程地質(zhì)剖面圖顯示，主要穿越為素填土地層，部分地段中含碎石、塊石，因此未予以重視，掘進(jìn)到約3 m 左右時(shí)遇到孤石，同時(shí)發(fā)現(xiàn)部分塊石、碎石粒徑達(dá)30～50 cm，且地層中碎石、塊石含量及地層延續(xù)遠(yuǎn)超地質(zhì)剖面圖所示，此段每掘進(jìn)0.5～1.0 m 就必須打開(kāi)頂管機(jī)螺旋出土器清理積聚在出土口的碎石、塊石，嚴(yán)重影響掘進(jìn)速度，直至掘進(jìn)到約33 m 時(shí)，頂管機(jī)前遇到大塊孤石，刀盤(pán)夾死，左側(cè)攪拌棒、刀盤(pán)相繼斷裂，掘進(jìn)失敗（見(jiàn)圖4）。

圖4 螺旋出入器出土口打開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)圖

3.2 掘進(jìn)失敗原因分析

一是地質(zhì)情況突變導(dǎo)致掘進(jìn)失敗。

本工程掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)孤石后，對(duì)頂管施工范圍內(nèi)地質(zhì)情況進(jìn)行鉆孔補(bǔ)勘驗(yàn)證，補(bǔ)勘鉆孔顯示頂管穿越高程范圍內(nèi)存在⑨2-1砂土狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r及⑨2-2塊狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r地層。其中⑨2-1強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r呈褐色- 灰褐色，原巖結(jié)構(gòu)清晰，原巖礦物除石英外，基本已風(fēng)化，巖芯呈砂土狀，手捏易散，遇水易崩解，極軟巖，極破碎，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ類(lèi)，揭露層厚3.1～4.6 m，屬于III 級(jí)硬土；⑨2-2塊狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r呈褐黃、灰褐色，原巖結(jié)構(gòu)清晰，原巖礦物除石英外，基本已風(fēng)化，巖芯呈半巖半土狀，錘擊易碎，干鉆困難；軟巖，破碎，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ類(lèi)，揭露層厚3.0 m，屬于IV 級(jí)軟質(zhì)巖。各土層物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。

二是通過(guò)地質(zhì)剖面圖及地質(zhì)情況說(shuō)明可推測(cè)，本工程掘進(jìn)地層中含塊石、碎石，頂進(jìn)前未充分考慮到地層變化，并預(yù)測(cè)相關(guān)可能性做好頂管機(jī)適應(yīng)性選型，該工程頂管機(jī)較為適應(yīng)軟土地質(zhì)頂進(jìn)，對(duì)于本工程突變后穿越地層呈現(xiàn)的上軟下硬特質(zhì)頂進(jìn)施工較為不利。

3.3 主要解決方案

對(duì)于“地質(zhì)不確定”，矩形頂管施工中常采用以下六種方法進(jìn)行處理：

（1）預(yù)處理措施

因地下工程存在隱蔽性、不可預(yù)見(jiàn)性、地質(zhì)多變等特性，頂管施工前，應(yīng)對(duì)地質(zhì)情況進(jìn)行鉆孔分析，對(duì)周邊環(huán)境進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘，如發(fā)現(xiàn)頂管穿越地層中部分地段含巖石層等地層，應(yīng)盡可能提前對(duì)地質(zhì)進(jìn)行補(bǔ)勘驗(yàn)證，對(duì)可能存在巖石等不適用于頂管施工的地層，應(yīng)采取適宜施工方案或預(yù)處理施工措施。

這要求相關(guān)從業(yè)技術(shù)人員具有很強(qiáng)的地層敏感性及豐富的設(shè)計(jì)、施工經(jīng)驗(yàn)。

（2）頂管機(jī)選型

如選用頂管施工工法的工程地質(zhì)中含碎石、塊石、巖石等地層，施工前必須進(jìn)行頂管機(jī)設(shè)備選型，選擇刀盤(pán)抗扭矩性能強(qiáng)、剛度大、韌性強(qiáng)、刀盤(pán)布置均衡、刀具切削能力強(qiáng)、螺旋出土器口徑相對(duì)較大的適用于碎石、卵石、巖石等地層的頂管機(jī)。

頂管機(jī)配置必要的土體改良及注漿系統(tǒng)，可及時(shí)向刀盤(pán)及掌子面注高壓水、濃泥等，清理刀盤(pán)且使塊石、碎石、巖石等經(jīng)刀盤(pán)破碎后包裹在泥漿中及時(shí)掉落到螺旋機(jī)出土器口，通過(guò)出土口排出。

（3）打開(kāi)螺旋出土器口取石

施工中遇到粒徑較大經(jīng)刀盤(pán)破碎后無(wú)法直接經(jīng)螺旋出土器排出的塊石，先探測(cè)確定塊石位置，然后采取降水措施使地下水位低于管底以下1 m，再拆除螺旋出土器，用水鉆等工具人工破碎孤石、塊石后取出。

（4）棄殼接收

施工中發(fā)生頂管機(jī)刀盤(pán)損壞等設(shè)備故障或其他因素造成頂管機(jī)無(wú)法繼續(xù)工作時(shí)，可采取棄殼接收措施，將頂管機(jī)胸板、刀盤(pán)及減速機(jī)、糾偏油缸等構(gòu)件拆解后從已掘進(jìn)完成通道內(nèi)退回始發(fā)井，殼體留在通道內(nèi)作為通道初期支撐[7]。

（5）頂管機(jī)及管節(jié)退頂

施工中發(fā)生頂管機(jī)刀盤(pán)損壞故障造成無(wú)法掘進(jìn)時(shí)，還可以選擇退頂施工技術(shù)。一般頂管掘進(jìn)里程在10 m 內(nèi)、進(jìn)洞管節(jié)在2～3 節(jié)時(shí)，建議采用相對(duì)較容易且經(jīng)濟(jì)合理的退頂施工措施，否則建議進(jìn)行棄殼施工。

退頂施工是在頂管機(jī)前方打水泥土，一方面保證頂管機(jī)退頂過(guò)程中掌子面土體穩(wěn)定，防止頂管機(jī)后退造成地面塌陷；另一方面通過(guò)打水泥土使頂管機(jī)及管節(jié)獲得后退的動(dòng)力，配合退頂油缸的拉力及止退油缸的推力，使頂管機(jī)及管節(jié)從通道內(nèi)回退至始發(fā)井（見(jiàn)圖5）。

（6）設(shè)置中間接收井

在發(fā)生頂管機(jī)因地質(zhì)變化、設(shè)備故障等原因無(wú)法繼續(xù)掘進(jìn)的情況時(shí)，可以采取“開(kāi)天窗”措施，即在頂管機(jī)停機(jī)部位開(kāi)挖中間接收井，本工程因在城區(qū)位置且處于高架橋下方，因征拆、管線遷改、地基加固、交通導(dǎo)改等各方面因素制約，使得頂管機(jī)無(wú)法采用這種措施吊出。

4 本工程解決方案及效果

本工程對(duì)于地質(zhì)突變情況，處理措施分為兩階段。

第一階段慢磨掘進(jìn)。施工中采取的措施是土體改良，配合打開(kāi)螺旋出土器人工取石。

（1）頂管工程理論正常頂進(jìn)速度為10～20 mm/min，本工程發(fā)現(xiàn)地質(zhì)變化后正常頂進(jìn)速度減少為5～10 mm/min。

（2）通過(guò)頂管機(jī)及刀盤(pán)上注漿孔向頂管機(jī)頂進(jìn)前方掌子面注漿對(duì)掌子面土體進(jìn)行改良，注漿比例中膨潤(rùn)土用量以可以均勻包裹地層中碎石、塊石、卵石為準(zhǔn)，同時(shí)根據(jù)出土情況及地質(zhì)剖面圖判斷土質(zhì)變化，及時(shí)調(diào)整膨潤(rùn)土注入比例，改良后出渣土具有良好的塑性、流動(dòng)性和止水性可以使塊石、碎石、卵石等隨泥漿均勻的通過(guò)出土螺旋器。

（3）通過(guò)觀察頂管機(jī)土壓力表及刀盤(pán)電流，初步掌子面土體情況，如發(fā)現(xiàn)某時(shí)段刀盤(pán)電流變化較大或者土壓力變化幅度較大的情況，停止頂進(jìn)。

（4）發(fā)現(xiàn)（3）所述情況后，首先頂管機(jī)停機(jī)，同時(shí)為防止頂管機(jī)停機(jī)期間管節(jié)及頂管機(jī)整體后退，油缸保持壓力。其次打開(kāi)胸板及螺旋出土器上預(yù)留觀察孔，通過(guò)預(yù)留觀察孔觀察掌子面障礙物情況，判斷是否開(kāi)倉(cāng)。最后采取措施，如障礙物較小，可直接啟動(dòng)頂管機(jī)，通過(guò)刀盤(pán)、胸板預(yù)留注漿孔注入高壓水及泥漿，將掌子面前障礙物沖刷到螺旋出土器出入口，通過(guò)螺旋出土器排出；如障礙物較大，積聚在出土口的塊石、碎石無(wú)法排除，則需停機(jī)時(shí)打開(kāi)螺旋出土器直接取出，對(duì)于粒徑大于螺旋出土器口的塊石、孤石，或刀盤(pán)無(wú)法磨碎的孤石，打開(kāi)頂管機(jī)或者胸板上觀察孔，采用風(fēng)鎬切割、破除后取出。

此階段雖掘進(jìn)速度較慢，但從發(fā)現(xiàn)大量碎石、塊石進(jìn)行處理起至掘進(jìn)失敗累計(jì)推進(jìn)16 節(jié)管，共約24 m。

圖6 出土及螺旋出土器中取出石塊現(xiàn)場(chǎng)圖

第二階段為頂管機(jī)刀盤(pán)損壞、掘進(jìn)無(wú)法進(jìn)行的棄殼接收階段。因本工程頂管機(jī)設(shè)計(jì)為可拆分模塊化結(jié)構(gòu)，方便了頂管機(jī)在通道內(nèi)進(jìn)行棄殼拆解施工。

本工程棄殼接收完成后頂管通道共施工33 m，原定靠近車(chē)站處三角區(qū)域進(jìn)行礦山法暗挖施工，現(xiàn)剩余42 m 均采取礦山法暗挖施工。

5 結(jié)語(yǔ)及建議

本文通過(guò)對(duì)矩形頂管施工中的各類(lèi)問(wèn)題總結(jié)歸類(lèi)，研究探討了問(wèn)題出現(xiàn)的原因及控制解決措施，并提出以下幾點(diǎn)關(guān)于地下工程的建議供設(shè)計(jì)、施工等相關(guān)從業(yè)人員進(jìn)行參考借鑒：

圖7 深外高中站棄殼接收施工現(xiàn)場(chǎng)圖

（1）在地下工程施工中，對(duì)地質(zhì)水文條件的了解程度是地下工程施工成敗的關(guān)鍵之一。因此地下工程施工前，必須進(jìn)行提前探勘，各公司可依托于在全國(guó)各地施工項(xiàng)目多、施工經(jīng)驗(yàn)不斷積累，同時(shí)利用互聯(lián)網(wǎng)+ 的優(yōu)勢(shì)，建立不同地域地質(zhì)水文條件及施工具體經(jīng)驗(yàn)總結(jié)數(shù)據(jù)庫(kù)，甚至可對(duì)各公司數(shù)據(jù)進(jìn)行互聯(lián)互通，共享數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)。

（2）頂管機(jī)的性能決定了頂管工程在淺層地下空間頂管施工中的適應(yīng)能力。通過(guò)施工前的設(shè)備選型及對(duì)頂管機(jī)刀盤(pán)、刀具、螺旋出土器、注漿系統(tǒng)、土體改良系統(tǒng)等的改進(jìn)，頂管機(jī)在淺層地下空間中用途會(huì)越來(lái)越廣。

（3）管節(jié)、頂管機(jī)模塊化生產(chǎn)可提高矩形頂管在地下空間施工的競(jìng)爭(zhēng)力。目前頂管機(jī)及管節(jié)進(jìn)場(chǎng)、轉(zhuǎn)場(chǎng)遠(yuǎn)距離主要依靠公路運(yùn)輸，超重、超大設(shè)備物流成本越來(lái)越高，頂管機(jī)及管節(jié)的模塊化生產(chǎn)可有效降低運(yùn)輸成本、方便現(xiàn)場(chǎng)安裝拆解等施工作業(yè)。

（4）針對(duì)不同工況下出現(xiàn)的問(wèn)題靈活應(yīng)用解決措施是施工管理的關(guān)鍵之一。地下工程中發(fā)生地質(zhì)原因問(wèn)題較為常見(jiàn)，靈活運(yùn)用解決措施的能力需要施工團(tuán)隊(duì)多年在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)施工的經(jīng)驗(yàn)累積。

（5）施工管理決定了頂管工程施工質(zhì)量的優(yōu)劣。頂管施工過(guò)程中，規(guī)范化、高質(zhì)量的施工管理及團(tuán)隊(duì)協(xié)作，可以減少施工風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生幾率、提高施工效率、減少資源浪費(fèi)，規(guī)范化、高質(zhì)量管理必然是企業(yè)、社會(huì)的未來(lái)發(fā)展方向。