淺析矩形頂管技術(shù)在城市下穿通道施工中的應(yīng)用

【摘 要】矩形頂管技術(shù)在國(guó)內(nèi)的使用始于上世紀(jì)90年代中期的江浙沿海城市。武漢地鐵2號(hào)線青年路站過街通道的施工是武漢地區(qū)矩形頂管技術(shù)的首次成功嘗試。本文通過筆者的施工實(shí)踐，主要介紹了土壓平衡式矩形頂管的施工原理、工藝流程及關(guān)鍵控制技術(shù)，以期對(duì)今后類似工程提供參考借鑒。

【關(guān)鍵詞】矩形頂管；下穿通道；施工

0.序言

近年來，隨著城市軌道交通的發(fā)展，大斷面矩形頂管掘進(jìn)技術(shù)得到大力的推廣。以往城市過街通道一直采用傳統(tǒng)的明挖法或礦山法施工，其優(yōu)點(diǎn)是工法成熟、風(fēng)險(xiǎn)小、純土建造價(jià)較低，但由于城市道路交通繁忙，地下管線復(fù)雜，且礦山法施工易造成地面沉降或隆起，因此難度大、費(fèi)用高，對(duì)環(huán)境的綜合影響大。在軟土地區(qū)采用矩形頂管施工過街通道具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，其不需搬遷地下管線，不影響交通運(yùn)行，且施工無噪音，地面沉降及管線變形可得到有效控制。

矩形頂管法是上世紀(jì)70年代末由日本最先研發(fā)并使用，上世紀(jì)90年代中期在江浙沿海地區(qū)開始推廣應(yīng)用，其斷面尺寸由2.5m×2.5m的小斷面發(fā)展到現(xiàn)在的6m×4m大斷面，施工技術(shù)也日趨成熟。本文以武漢地鐵2號(hào)線青年路站IV出入口過街通道為實(shí)例，主要介紹了矩形頂管施工原理、工藝流程及關(guān)鍵控制技術(shù)，以期為今后類似工程的施工提供參考。

1.武漢地鐵矩形頂管施工實(shí)例

1.1工程概況

武漢地鐵2號(hào)線青年路站位于青年路與建設(shè)大道交岔口，車站IV出入口過街人行通道下穿青年路，通道總長(zhǎng)62.4m，其上部分別有青年路高架橋、2-7×2.7m的排水箱涵、電力線、煤氣、供水等大量管線，采用明挖法或暗挖法施工現(xiàn)場(chǎng)條件都不允許，因而設(shè)計(jì)采用矩形頂管法施工。

頂管始發(fā)井位于青年路東側(cè)，接收井位于青年路西側(cè)車站主體結(jié)構(gòu)外（見圖1），頂管自東往西按坡度+3‰推進(jìn)，采用4m×6m偏心多軸土壓平衡式矩形頂管施工，設(shè)計(jì)共有管節(jié)41節(jié)，其中標(biāo)準(zhǔn)節(jié)40節(jié)，長(zhǎng)1.5m，單節(jié)重約33.7t，特殊節(jié)1節(jié)。管節(jié)兩端分別預(yù)埋鋼套環(huán)和鋼環(huán)，管節(jié)內(nèi)還預(yù)留對(duì)稱壓漿孔、起吊孔及翻身孔。管節(jié)接口全部采用“F”型承插式，接縫防水裝置采用鋸齒型氯丁橡膠止水圈和雙組分聚硫密封膏。

圖1 施工平面及管線布置圖

1.2地質(zhì)情況

本工程頂管覆土約為5.9m，主要在粘土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土中頂進(jìn)，頂管以上土層分別為雜填土、素填土、淤泥。場(chǎng)地內(nèi)地下水有上層滯水、孔隙承壓水和基巖裂隙水三種類型。上層滯水主要賦存于人工填土層，據(jù)勘察報(bào)告顯示，勘察期間測(cè)得其初見水位埋深為1.0～3.8m，穩(wěn)定水位埋深為1.6～4.5m?？紫冻袎核疄橘x存于第四系全新統(tǒng)沖積粉質(zhì)粘土、粉土、粉砂互層土及砂卵石層中承壓水，漢口地區(qū)長(zhǎng)江I級(jí)階地承壓水測(cè)壓水位標(biāo)高最高為20.0m，承壓水頭標(biāo)高年變化幅度在3.0～4.0m之間。

2.矩形頂管結(jié)構(gòu)及功能

矩形頂管的主要結(jié)構(gòu)包括掘進(jìn)機(jī)頭、刀盤裝置、糾偏裝置、螺旋出土機(jī)、主頂裝置、動(dòng)力裝置、壓漿系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2.1切削刀及刀具

偏心多軸刀盤共有2個(gè)（2.5m×3.5m），位于頂管機(jī)的最前端，置于前段殼體外，與刀盤驅(qū)動(dòng)裝置的軸承支座用高強(qiáng)度螺栓連接，刀盤裝置包括：正面刀具、周邊刀具、長(zhǎng)攪拌棒、短攪拌棒、刀盤盤體。

正面刀具作為主要切削裝置位于最前方，采用十字形結(jié)構(gòu)，它通過偏心曲軸與推進(jìn)油缸的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)、頂進(jìn)進(jìn)行土體切削。周邊刀具作為輔助切削裝置位于刀盤的四周側(cè)面上，它通過刀盤盤體作為偏心旋轉(zhuǎn)的作用，將正面刀具切削過程中未能切削掉的土體進(jìn)行補(bǔ)充切削。長(zhǎng)攪拌棒、短攪拌棒作為輔助實(shí)施位于刀盤盤體的最后方，它通過刀盤盤體作為偏心旋轉(zhuǎn)的作用，對(duì)刀具切削的土體進(jìn)行攪碎和攪拌土體，以便于螺旋機(jī)出土。刀盤盤體作為偏心旋轉(zhuǎn)的主體，在偏心驅(qū)動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)和推進(jìn)油缸的頂進(jìn)作用下，進(jìn)行偏心平面運(yùn)動(dòng)和朝前移動(dòng)，帶動(dòng)正面刀具和周邊刀具切削土體，帶動(dòng)后面的長(zhǎng)短攪拌棒進(jìn)行切削土的攪碎和攪拌。

2.2刀盤驅(qū)動(dòng)

刀盤驅(qū)動(dòng)采用了偏心多軸的驅(qū)動(dòng)方式，利用平行雙曲柄機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理，由四組偏心曲軸組成的驅(qū)動(dòng)裝置同時(shí)驅(qū)動(dòng)刀盤，刀盤上的每把刀具繞著以各自的支撐圓心點(diǎn)與曲軸回轉(zhuǎn)支撐點(diǎn)之間的距離為半徑作平面圓周運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到全斷面切削的目的。在同一刀盤上的四根曲軸全部采用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，四根曲軸同時(shí)向同一方向旋轉(zhuǎn)，以保證刀盤作平面圓周運(yùn)動(dòng)切削土體。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置采用高速油馬達(dá)、減速器和一級(jí)齒輪驅(qū)動(dòng)，共兩組8個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置，刀盤轉(zhuǎn)速為0～3r/min，刀盤驅(qū)動(dòng)總功率為264kW。

2.3螺旋輸送機(jī)

螺旋輸送機(jī)在土壓平衡掘進(jìn)過程中起著重要作用，它控制排土量，維持工作面正確土壓，以控制地面沉降。螺旋輸送機(jī)的功能是將土倉(cāng)內(nèi)已開挖的土排出，其入口位于頂管土倉(cāng)隔板的底部，前端槽體為前殼體的一部分，其內(nèi)壁堆焊耐磨硬質(zhì)合金，后端用法蘭與中段槽體連接，螺桿由空心軸和螺旋葉片組成，螺旋葉片繞制在空心軸上，螺桿上部由三排圓柱滾子組合轉(zhuǎn)盤軸支承，采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，在螺旋輸送機(jī)上可以裝設(shè)出土閘門，出土閘門由兩只液壓油缸控制。由于頂管機(jī)的橫斷截面為4m×6m，為達(dá)到更好的出土性能，采用兩個(gè)螺旋機(jī)（左右旋各一）同時(shí)出土。每只螺旋機(jī)的最大出土量為42m3/h，轉(zhuǎn)速為0～15r/min。

2.4糾偏裝置

4m×6m偏心多軸矩形頂管機(jī)分成前后兩段，中間由12臺(tái)糾偏油缸聯(lián)接。前后段之間的密封采用三道唇形橡膠密封圈。根據(jù)軸線偏差方位以及偏差量，對(duì)糾偏油缸進(jìn)行編組及控制油缸伸縮量，使前、后殼體形成一夾角，從而改變機(jī)頭方向，以達(dá)到糾偏目的。糾偏角度為左右±1.1°，上下±1.7°。

2.5主頂進(jìn)裝置

主頂進(jìn)裝置由12臺(tái)油缸及U形頂鐵、頂環(huán)、墊鐵、底架、鋼后靠等組成。12臺(tái)油缸分成兩組，呈對(duì)稱分布，并用分體式結(jié)構(gòu)的支座固定，由于矩形頂管機(jī)底部的摩阻力比較大，所以在主頂進(jìn)裝置的下部對(duì)稱布置有4臺(tái)油缸，以增加下部的頂進(jìn)力，油缸的工作行程為3500mm。每臺(tái)油缸可單獨(dú)控制，也可編組工作，額定總推力為20000kN，最大推力24000kN。

3.矩形頂管工藝流程

4m×6m偏心多軸土壓平衡式矩形頂管采用兩個(gè)單獨(dú)的刀盤切割土體，并支撐開挖面土體，有效防止正面土體倒坍。整個(gè)控制系統(tǒng)以土壓平衡為工作原理，刀盤切削下來的泥土進(jìn)入土壓倉(cāng)，調(diào)整螺旋機(jī)的轉(zhuǎn)速及頂進(jìn)速度來控制出土量，使土倉(cāng)的土壓力值穩(wěn)定在所設(shè)定的壓力值范圍內(nèi)，與開挖面土壓力取得平衡，螺旋機(jī)連續(xù)出土，機(jī)頭掘進(jìn)形成的斷面由不斷頂進(jìn)的矩形管節(jié)組成矩形隧道。具體工藝流程詳見圖2。

圖2 矩形頂管工藝流程圖

4.技術(shù)參數(shù)的控制

4.1正面土壓力的設(shè)定

土壓平衡式掘進(jìn)機(jī)土倉(cāng)內(nèi)的壓力設(shè)定值是根據(jù)掘進(jìn)機(jī)正面土壓力計(jì)算值而確定的。開挖面土壓力采用Rankine壓力理論進(jìn)行計(jì)算：P=K0γZ；其中P：管道頂部或底部的側(cè)向土壓力（MPa）；K0：軟粘土的側(cè)向系數(shù)；γ：土的容重（kN/m3）；Z：覆土深度（m）。此數(shù)據(jù)為理論計(jì)算值，作為土壓力的最初設(shè)定值。在頂管出洞進(jìn)入原狀土后，通過出土量、頂進(jìn)速度、路面和管線隆沉等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，適時(shí)調(diào)整土壓力的設(shè)定值。

4.2主頂力的計(jì)算

矩形頂管的主頂力隨頂進(jìn)距離的增加而增大，主頂力的增大應(yīng)該是緩慢的，而不允許有突變。主頂力R估算由掘進(jìn)機(jī)前端的迎面阻力N和注入觸變泥漿的管壁外周摩阻力F組成，其公式表示為：R=N+ F=S×Pt+f×L×l。其中S： 機(jī)頭截面積，m2；Pt： 機(jī)頭底部以上1/3高度處的被動(dòng)土壓力，kN/m2；Pt=γ（H+2D/3）tg2（45°+∮/2）；γ：土的容重，kN/m3；H：管頂土層厚度，m；D： 頂管掘進(jìn)機(jī)高度，m；∮：土的內(nèi)摩擦角，度；f： 采用注漿工藝的摩阻系數(shù)，可通過實(shí)際試驗(yàn)確定，其值一般取f=4～6kN/m2；L： 機(jī)頭或管節(jié)周長(zhǎng)，m；l： 頂進(jìn)長(zhǎng)度，m。

4.3出土量控制

在頂進(jìn)過程中，應(yīng)盡可能精確地統(tǒng)計(jì)出每節(jié)管節(jié)的實(shí)際出土量，使之與理論出土量保持一致，以保證正面土體的相對(duì)穩(wěn)定，減小地面隆沉量。

4.4頂進(jìn)速度控制

頂管推進(jìn)速度是保證切口土壓力穩(wěn)定、螺旋機(jī)出土量均勻的主要手段。所以在頂進(jìn)時(shí)，應(yīng)不斷調(diào)整頂進(jìn)速度、正面土壓力、出土量三者的最佳匹配值，確保頂管以最佳的狀態(tài)工作。

5.矩形頂管進(jìn)、出洞技術(shù)

5.1頂管出洞段施工

頂管機(jī)頂出洞圈至頂管機(jī)切口距工作井6m范圍為出洞段。頂管的出洞過程即為攪拌樁內(nèi)拔除H型鋼和頂管機(jī)頭經(jīng)過出洞段加固區(qū)并進(jìn)入原狀土體的過程。

在洞圈內(nèi)的H型鋼全部拔除后，應(yīng)立即開始頂進(jìn)機(jī)頭，由于正面為全斷面的水泥土，為保護(hù)刀盤，頂進(jìn)速度應(yīng)放慢。另外若出現(xiàn)螺旋機(jī)出土困難，必要時(shí)可加入適量清水來軟化或潤(rùn)滑水泥土。頂管機(jī)進(jìn)入原狀土后，為防止機(jī)頭“磕頭”，拉緊機(jī)頭和前三節(jié)管節(jié)之間的拉桿螺絲，同時(shí)適當(dāng)提高頂進(jìn)速度，使正面土壓力稍大于理論計(jì)算值，以減少對(duì)正面土體的擾動(dòng)及出現(xiàn)地面沉降。

5.2頂管進(jìn)洞段施工

本工程接收井圍護(hù)為SMW工法樁圍護(hù)，H型鋼拔除后，為了防機(jī)頭進(jìn)洞時(shí)洞內(nèi)土體的塌方，在接收井洞門內(nèi)預(yù)先澆注20～30cm厚的鋼筋混凝土擋墻，作為接收井的封門形式。頂管機(jī)進(jìn)洞時(shí)除了要拔除H型鋼，還要鑿除混凝土擋墻。

（1）頂管到達(dá)距接收井6m后，開始停止第一節(jié)管節(jié)的壓漿，并在以后頂進(jìn)中壓漿位置逐漸后移，保證頂管進(jìn)洞前形成完好的6m左右的土塞。

（2）在頂管機(jī)切口進(jìn)入接收井洞口加固區(qū)域時(shí)，應(yīng)適當(dāng)減慢頂進(jìn)速度，調(diào)整出土量，逐漸減小機(jī)頭正面土壓力，以確保頂管機(jī)設(shè)備完好和洞口結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

（3）頂管機(jī)切口距接收井H型鋼50cm左右時(shí)，頂管機(jī)暫停頂進(jìn)，等待H型鋼的拔出。H型鋼拔除后，頂管機(jī)繼續(xù)推進(jìn)，緩緩地靠上臨時(shí)砼封門。當(dāng)主頂壓力突然升高，立即停止推進(jìn)，等待臨時(shí)砼封門的鑿除。

（4）當(dāng)臨時(shí)砼封門鑿除完畢后，應(yīng)立即進(jìn)行推進(jìn)，將頂管機(jī)頭部分推進(jìn)至接收井內(nèi)，隨即拆卸連接頂管機(jī)前后兩段的全部螺栓，用300T吊車將頂管機(jī)頭前段吊出接收井；然后將后段機(jī)頭推進(jìn)到位，并將后段機(jī)頭與管節(jié)脫開，進(jìn)行后段機(jī)頭的吊裝。

6.矩形頂管正常段施工

6.1頂進(jìn)軸線的控制

矩形頂管在正常段頂進(jìn)施工中，必須密切注意頂進(jìn)軸線和轉(zhuǎn)角的控制。矩形頂管分成前后兩段，中間由幾組糾偏油缸連接。根據(jù)軸線偏差方位以及偏差量，對(duì)糾偏油缸進(jìn)行編組及控制油缸伸縮量，使前后殼體形成一夾角，從而改變機(jī)頭方向，以達(dá)到糾偏目的。

（1）平面控制。通過主頂油缸編組控制；通過執(zhí)行相應(yīng)糾偏油缸的伸縮進(jìn)行控制；通過調(diào)整掘進(jìn)機(jī)和前三節(jié)管節(jié)依次連接的拉桿螺栓的松緊度來控制。（2）高程控制。和平面控制一樣，高程控制一般通過主頂油缸的編組，糾偏油缸的編組和拉桿螺栓的松緊度進(jìn)行控制。（3）轉(zhuǎn)角控制。機(jī)頭一旦出現(xiàn)微小轉(zhuǎn)角，應(yīng)立即采取加壓鐵等措施回糾。

6.2止退裝置的使用

由于矩形頂管的斷面較大，前端阻力很大，即便管節(jié)頂進(jìn)了較長(zhǎng)里程，每次拼裝管節(jié)或加墊塊時(shí)，主頂油缸一回縮，機(jī)頭和管節(jié)仍會(huì)一起后退20～30cm，說明機(jī)頭受到后推力很大。當(dāng)頂管和管節(jié)往后退時(shí)，機(jī)頭和前方土體間的土壓平衡受到破壞，土體面得不到穩(wěn)定的支撐，易引起機(jī)頭前方土體坍塌。若不采取一定的止退措施，路面和管線的沉降量將難以得到控制。施工中可在前基座上安裝一套止退裝置，當(dāng)加墊塊或拼裝管節(jié)時(shí)，在主頂油缸回縮之前，用止退裝置將管節(jié)和機(jī)頭穩(wěn)住。

6.3減摩技術(shù)的控制

頂進(jìn)施工中，減阻泥漿的應(yīng)用是減少頂進(jìn)阻力的重要措施。頂進(jìn)時(shí)，在管道外壁壓注觸變泥漿，在管道四周形成一圈泥漿套以減少土體同殼體的摩擦力，防止背土現(xiàn)象的發(fā)生，從而達(dá)到理想的減摩效果。

采用泥漿攪拌機(jī)進(jìn)行制漿，按配比表（見表1）配制泥漿，純堿和CMC應(yīng)預(yù)先化開（CMC可以邊攪拌邊添加），再加入膨潤(rùn)土攪拌20分鐘，最后加入乳化油攪拌10分鐘左右，泥漿要充分?jǐn)嚢杈鶆?。泥漿拌好后，應(yīng)在儲(chǔ)漿箱內(nèi)放置一定的時(shí)間才能使用。壓漿泵將泥漿壓至管道內(nèi)的總管，然后經(jīng)壓漿孔壓至管壁外。注漿壓力控制在0.05MPa左右。

表1 觸變泥漿配合比（kg/m3）

7.地面沉降控制

7.1沉降控制要求

矩形頂管在穿越道路和地下管線過程中，必須嚴(yán)格控制地面和管線隆沉量在規(guī)定的范圍內(nèi)。頂進(jìn)過程中應(yīng)合理控制頂進(jìn)速度，一般控制在15mm/min左右，連續(xù)均衡施工，避免出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間擱置情況；嚴(yán)格控制出土量，防止欠挖或超挖；嚴(yán)格控制頂進(jìn)的糾偏量，盡量減少對(duì)正面土體的擾動(dòng)；在穿越過程中必須持續(xù)、均勻壓漿，保證通道上部土體的穩(wěn)定。

7.2頂進(jìn)過程中的箱涵保護(hù)

本工程矩形頂管下穿的排水箱涵為磚混結(jié)構(gòu)，每孔凈空6.8m寬×2.7m高，涵洞底板、蓋板為鋼筋砼，底板厚度不詳，涵內(nèi)水深0.6m。自始發(fā)井內(nèi)壁開始計(jì)算，則頂進(jìn)至39.8m時(shí)刀盤切口到達(dá)箱涵前井壁，頂進(jìn)至58.6m時(shí)盾尾離開箱涵，機(jī)頭與箱涵投影重疊長(zhǎng)度為18.8m，箱涵與頂管之間的垂直凈距為1.6m。由于過水箱涵斷面大，汛期水位高，與矩形頂管相交距離長(zhǎng)，垂直間距小，再加上其建造年代久遠(yuǎn)，運(yùn)營(yíng)時(shí)間長(zhǎng)，無法掌握其破損情況及穩(wěn)定狀態(tài)，因此頂管頂進(jìn)過程中對(duì)其的保護(hù)難度極大，為確保箱涵結(jié)構(gòu)的安全，在施工前采取以下加固措施：

（1）在箱涵前端1.5m位置設(shè)置兩排泄壓孔。泄壓孔直徑600mm，中心間距1m，深度5m，設(shè)置在頂進(jìn)軸線兩側(cè)各5m范圍。泄壓孔采用小型鉆機(jī)施工，成孔后孔內(nèi)灌水至地面標(biāo)高。當(dāng)頂進(jìn)壓力過大時(shí)，可避免壓力直接作用到箱涵上。

（2）在箱涵的前端、中部和后端各設(shè)置1排直接監(jiān)測(cè)點(diǎn)，頂進(jìn)時(shí)根據(jù)箱涵沉降情況及時(shí)調(diào)整頂進(jìn)參數(shù)。

7.3施工監(jiān)測(cè)

施工過程中的監(jiān)測(cè)主要有兩個(gè)方面的內(nèi)容，即頂管機(jī)姿態(tài)監(jiān)測(cè)以及地面及管線沉降監(jiān)測(cè)，頂管機(jī)姿態(tài)監(jiān)測(cè)主要通過設(shè)置于始發(fā)井內(nèi)的觀測(cè)臺(tái)進(jìn)行觀測(cè)，監(jiān)測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)偏位應(yīng)及時(shí)采取糾編措施；對(duì)地面及管線沉降監(jiān)測(cè)則通過埋設(shè)的沉降觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

8.矩形頂管接縫防水技術(shù)

本工程過街通道常年處于地下水位線以下，加之整個(gè)通道全部由1.5m一節(jié)的管節(jié)拼接而成，拼接位置的滲漏處理關(guān)系到整個(gè)通道的防水效果及以后的正常使用功能，施工過程中對(duì)關(guān)鍵部位采取了一系處理措施，具體如下：

（1）提高預(yù)制混凝土管片自身的抗?jié)B性。

（2）管節(jié)接口的接縫防水裝置采用鋸齒型氯丁橡膠止水圈，要求橡膠止水圈安裝牢固，在進(jìn)行管線拼接時(shí)不得錯(cuò)位。

（3）管節(jié)壁外注漿防水。在頂管機(jī)吊出接收井后，馬上用磚頭砌墻，將兩頭洞門與管節(jié)間的間隙封堵。注入雙液漿（水泥與水玻璃），置換出觸變泥漿，對(duì)管節(jié)外的土體進(jìn)行加固。

（4）嵌縫密封防水。管節(jié)間的縫隙采用雙組分聚硫密封膏填充，防止帶入氣泡而影響強(qiáng)度和水密性。

9.結(jié)束語

矩形頂管掘進(jìn)技術(shù)在軟土地質(zhì)條件的城市下穿通道施工中所具備的優(yōu)勢(shì)是顯而易見的，且對(duì)周邊環(huán)境影響小、施工速度快。本例武漢地鐵2號(hào)線青年路站過街通道頂管施工從設(shè)備安裝完成正式頂進(jìn)到整個(gè)通道施工完成，全部工作僅用了18天時(shí)間，平均每天的頂進(jìn)速度可達(dá)到4.5～6m。

通過施工中對(duì)各關(guān)鍵工序的嚴(yán)格控制，整個(gè)頂進(jìn)過程中地面最大沉降僅為3cm，確保了管線的安全，尤其是攻克了矩形頂管穿越淺層大型排水箱涵這個(gè)重大技術(shù)難關(guān)，確保了整個(gè)掘進(jìn)過程的安全順利，為今后類似大斷面矩形頂管的施工提供了可靠的參考依據(jù)。