矩形盾構(gòu)頂管施工技術(shù)在城市隧道中的應(yīng)用

周明

摘 要：結(jié)合鄭州市中州大道下穿隧道工程施工實(shí)例，對(duì)土壓平衡矩型盾構(gòu)頂管機(jī)的實(shí)用性、超大斷面矩型盾構(gòu)頂管施工始發(fā)到達(dá)的安全、沉降控制、姿態(tài)控制技術(shù)四方面進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：矩型盾構(gòu)施工；隧道；應(yīng)用

1 工程概況

中州大道是鄭州市貫通南北的交通大動(dòng)脈，寬達(dá)100米，雙向14個(gè)車道，承載著鄭州交通繁重任務(wù)，為了保障施工期間最小程度的影響交通，施工采用矩形盾構(gòu)施工，不僅對(duì)地上道路的正常通行、周邊環(huán)境的影響比較小，而且施工的安全性、施工效率也比較高。采用矩形盾構(gòu)施工，還可使隧道的空間利用率提高近20%，與人工開挖相比，效率將提高4-5倍。

2 主要新技術(shù)研究及其應(yīng)用

2.1 技術(shù)特點(diǎn)

本工程下穿中州大道段采用土壓平衡矩形盾構(gòu)頂管法施工，頂管段具有以下主要特點(diǎn)：開挖斷面大、覆土埋深淺、隧道間距小、管線間距近、沉降要求高。

矩形盾構(gòu)頂管段機(jī)動(dòng)車道斷面為10.1m×7.25m，斷面72.2m2；非機(jī)動(dòng)車道斷面為7.5×5.4m，而目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)成功應(yīng)用于施工的最大斷面頂管為6.9m×4.9m（斷面面積33.81m2）；此外因受場(chǎng)地條件限制，隧道上最小覆土僅為3.5m；隧道之間間距小，2條矩形盾構(gòu)頂管隧道凈間距為1m，距離DN600mm的雨水管僅1m；最長(zhǎng)推進(jìn)長(zhǎng)度達(dá)到105m；是目前世界上斷面最大的矩形盾構(gòu)頂管，在設(shè)計(jì)技術(shù)上突破了六刀盤復(fù)合開挖聯(lián)合控制技術(shù)、盾體推進(jìn)過程當(dāng)中的減少摩擦的設(shè)計(jì)、超薄殼體和超大斷面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)難題，施工難度大。

2.2 矩形盾構(gòu)頂管

采用的土壓平衡矩形盾構(gòu)頂管機(jī)是由中國(guó)中鐵裝備自行研究、設(shè)計(jì)、制造的二臺(tái)多刀盤輻條式土壓平衡頂管機(jī)，大頂管尺寸：10120mm×7270mm，小頂管尺寸7520mm×5420mm。切刀和先行刀采用高耐磨的硬質(zhì)碳鎢合金刀具，以適應(yīng)各類土體和加固體，并配備良好的泡沫和膨潤(rùn)土、觸變泥漿注入系統(tǒng)。

2.3 土壓平衡矩形盾構(gòu)頂管機(jī)的適用性

本工程為鄭州市首次采用矩形土壓平衡頂管施工，如此超大斷面的矩形頂管機(jī)選型是否合理，設(shè)計(jì)是否安全、可靠、先進(jìn)，能否適應(yīng)工程所在的地層關(guān)鍵是工程的重點(diǎn)。

邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)外具有矩形土壓盾構(gòu)頂管設(shè)計(jì)、制造、施工經(jīng)驗(yàn)的人員組成專家組，從設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造階段開始深入的介入，將施工中可能存在的問題盡可能的在設(shè)計(jì)階段充分考慮。在設(shè)計(jì)階段充分借鑒、吸收、消化國(guó)內(nèi)外成熟經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合項(xiàng)目的施工特點(diǎn)，考慮設(shè)備有足夠的安全及性能儲(chǔ)備，確保設(shè)計(jì)安全、可靠、先進(jìn)。

制造過程中各關(guān)鍵部位零部件采用最優(yōu)的產(chǎn)品，以確保質(zhì)量；同時(shí)在工廠進(jìn)行嚴(yán)格的組裝調(diào)式。

施工前，做好地址詳勘、管線及環(huán)境調(diào)查，為施工做好充分的準(zhǔn)備；并做好施工方案比對(duì)優(yōu)化及專家評(píng)審，編制切實(shí)可行的應(yīng)急預(yù)案；在施工過程中，嚴(yán)格按照既定的技術(shù)方案實(shí)施，出現(xiàn)問題時(shí)按專項(xiàng)預(yù)案處理，并適時(shí)召開專家會(huì)議，確保工程順利實(shí)施。

2.4 頂管施工始發(fā)、到達(dá)的安全控制技術(shù)

頂管的始發(fā)與到達(dá)是頂管施工中最易出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)，常會(huì)因?yàn)轫敼苁┕な及l(fā)、到達(dá)過程中定位不準(zhǔn)確、方向控制不好，或者端頭加固的質(zhì)量問題，導(dǎo)致始發(fā)、到達(dá)時(shí)出現(xiàn)坍塌、突泥、涌水，嚴(yán)重影響施工安全。

同時(shí)，由于盾構(gòu)頂管到達(dá)時(shí)容易造成掌子面土體破壞，頂管施工的觸變泥漿泄露，導(dǎo)致地層沉降超限，管節(jié)摩擦力超限，頂推無法實(shí)施。因此，如何確保頂管始發(fā)和到達(dá)的安全成為本工程的重點(diǎn)、難點(diǎn)，施工過程中采取如下措施：

嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求的長(zhǎng)度及寬度對(duì)端頭進(jìn)行加固，做好過程控制；加固施工過程中嚴(yán)格按照相關(guān)要求，從材料進(jìn)場(chǎng)、設(shè)備、施工工藝等幾個(gè)角度嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，確保加固質(zhì)量。

做好洞口防水密封，頂管始發(fā)，預(yù)先安裝洞門圈預(yù)埋鋼環(huán)，始發(fā)時(shí)采用延長(zhǎng)洞門+2道簾布橡膠板道作為洞口密封，并在延長(zhǎng)洞門上預(yù)留注漿口，避免在始發(fā)過程中及整個(gè)推進(jìn)過程中管節(jié)長(zhǎng)時(shí)間摩擦洞門密封導(dǎo)致密封被破壞，確保工程安全。

頂管到達(dá)時(shí)，由于頂管掌子面反力破壞、減小、喪失，觸變泥漿流失，同始發(fā)一樣，檢查洞門加固質(zhì)量后，在洞門鋼環(huán)內(nèi)焊接1道鋼絲刷，外側(cè)安裝簾布橡膠板和折頁壓板，到達(dá)加固體后、掌子面前，低推力，低轉(zhuǎn)速，盡可能的多出土，晚破壞掌子面；掌子面破壞后要快速的推出，以防止漏泥漏水。

加強(qiáng)頂管在始發(fā)、到達(dá)段的推進(jìn)控制?？刂坪庙敼茏藨B(tài)，在保證除渣量正常的前提下，盡量快速完成頂管的始發(fā)與到達(dá)。同時(shí)，充分考慮到由于對(duì)端頭地層進(jìn)行了加固處理，地層性質(zhì)所發(fā)生改變，推進(jìn)時(shí)要密切灌注頂管突變情況，勤測(cè)量、勤糾偏，并在頂進(jìn)最后3環(huán)管節(jié)時(shí)，在盾構(gòu)頂管機(jī)后注入高稠度泥漿，防止到達(dá)時(shí)漏漿。

2.5 超大斷面矩形對(duì)鉤頂管施工沉降控制技術(shù)

在埋深相同的條件下，由于頂管和管節(jié)頂板面積巨大化，上覆土形成受力拱的作用大大減弱，在覆土發(fā)生沉降的敏感度較強(qiáng)。盡管存在泥漿套的減摩作用，但是隨著頂板面積作用于上覆土的推進(jìn)摩擦力逐漸增大，“背土”作用也逐漸變得明顯。此外由于頂管機(jī)開挖橫斷面增大后，存在渣土改良不均勻性，超大斷面矩形土倉(cāng)內(nèi)各點(diǎn)的土壓可能會(huì)有差別，對(duì)開挖面的穩(wěn)定帶來不利影響。同時(shí)由于螺旋輸送機(jī)數(shù)量增加到兩個(gè)，增加了各點(diǎn)出土量控制的難度，開挖面有可能出現(xiàn)局部超挖?；蛘呙芊獠缓茫|變泥漿泄漏，以及注漿質(zhì)量控制不好導(dǎo)致沉降超限，嚴(yán)重影響管線、地面交通等，因此，如何確保矩形盾構(gòu)頂管施工沉降成為本工程的重難點(diǎn)，在施工過程中采取如下措施：

嚴(yán)格按照要求對(duì)地層進(jìn)行勘測(cè)，并在基坑開挖過程中對(duì)地層進(jìn)行詳細(xì)統(tǒng)計(jì)、研究，充分了解地質(zhì)性能和變化情況；為頂管推進(jìn)提供詳實(shí)的依據(jù)，同時(shí)為觸變泥漿的制備提供真實(shí)地層力學(xué)和物理參數(shù)。

設(shè)計(jì)方面：在能夠確保隧道行車限界斷面的前提下，盡可能的優(yōu)化斷面結(jié)構(gòu)，減少盾構(gòu)頂管的切削盲區(qū)，便于土壓控制。

有針對(duì)性對(duì)矩形盾構(gòu)頂管機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)：

（1）泥漿套形成、保持及防泄漏設(shè)計(jì)：刀盤開挖直徑及前盾切口設(shè)置的輔助切刀高度不超過前切口外表面，在盾切口一定寬度范圍內(nèi)設(shè)置一圈防漏帽檐，帽檐與徑向開挖面緊密接觸，防止觸變泥漿套前竄進(jìn)入土倉(cāng)。同時(shí)在泥漿套壓力控制上，降低前盾注入點(diǎn)壓力，提高泥漿注入的均勻性。

（2）頂管及管節(jié)密封設(shè)計(jì)：頂管鉸接密封及盾尾管節(jié)密封采用不同硬度的雙密封設(shè)計(jì)，在推進(jìn)過程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確保至少有一道密封可更換，防止密封損壞后泥漿套的缺失。

（3）盾體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：頂管以剛度作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)，確保矩形平面結(jié)構(gòu)在外土壓力下變形或變形在允許范圍內(nèi)，確保泥漿套的平滑和連續(xù)。

（4）壓力精確控制設(shè)計(jì)：壓力控制是基于傳感器能夠準(zhǔn)確的采集真實(shí)的壓力，進(jìn)而進(jìn)行控制，如果采集的數(shù)據(jù)不真實(shí)，則控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)不真實(shí)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行控制。頂管土倉(cāng)內(nèi)上下左右配置9個(gè)具有高靈敏度的壓力傳感器，能精確控制土倉(cāng)壓力進(jìn)行土壓管理，能滿足地表沉降控制在允許的范圍內(nèi)。管節(jié)也采用性能可靠的傳感器進(jìn)行全面的各點(diǎn)壓力控制。

（5）渣土改良設(shè)計(jì)：該項(xiàng)目地質(zhì)以粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂為主，結(jié)合這種地質(zhì)特點(diǎn)設(shè)備配置了泡沫及膨潤(rùn)土改良系統(tǒng)，可以在管路實(shí)現(xiàn)渣土改良方式的互換。泡沫系統(tǒng)一臺(tái)泵對(duì)應(yīng)一個(gè)刀盤，每一路泡沫的流量和壓力都相對(duì)獨(dú)立，不會(huì)隨其他各路泡沫的流量和壓力的變化而變化，能夠較好的防止泡沫注入口的堵塞，最大限度的保證每個(gè)刀盤攪拌區(qū)域的渣土改良均勻，跑米系統(tǒng)能夠滿足手動(dòng)、半自動(dòng)、全自動(dòng)的控制、施工過程：

（1）施工前通過地質(zhì)、水文情況詳細(xì)計(jì)算好土壓，施工過程中嚴(yán)格控制土壓，防止施工過程中土壓控制出現(xiàn)“拉風(fēng)箱”，破壞原狀地層，并根據(jù)地層檢測(cè)情況適時(shí)調(diào)整。

（2）在保證土倉(cāng)壓力的情況下嚴(yán)格控制出渣量和推進(jìn)速度，使兩者高度匹配，并及時(shí)的做好出渣量和推進(jìn)距離的控制分析、總結(jié)，根據(jù)頂進(jìn)距離嚴(yán)格控制出渣量，出渣量以90%-102%。

（3）觸變泥漿施工控制：按照設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制觸變泥漿的質(zhì)量；根據(jù)注入的位置以及量的不同，分別計(jì)量核算觸變泥漿的注入量；確保觸變泥漿的壓力，并根據(jù)檢測(cè)情況調(diào)整注漿壓力。

（4）在遇到富水砂層等不良地層時(shí)，改用膨潤(rùn)土、聚合物等進(jìn)行針對(duì)性渣土改良，能有效的控制地層沉降。

（5）管節(jié)制作過程中確保外壁的光滑，能夠有效的減少推進(jìn)阻力和“背土”現(xiàn)象，有效控制沉降。

（6）嚴(yán)格管線控制，避免蛇形糾偏。

在頂管施工過程中，如果隧道上部有管線，由于在頂管推進(jìn)的過程中，地層中沒有穩(wěn)定，處于泥漿下的平衡性長(zhǎng)期受到擾動(dòng)，因此在頂管推進(jìn)的時(shí)候予以特別注意，在確保地面沉降的同時(shí)，還要做好一下注意事項(xiàng)：

（1）前期做好管線跳查，詳細(xì)了解管線的性質(zhì)（雨水、污水、燃?xì)?、電力、熱力、光纜、自來水、通訊等）是否帶壓（有壓、無壓區(qū)分對(duì)待）、埋深、材質(zhì)（鋼、鑄鐵、混凝土、塑料凳）、接口形式（焊接、承插口、栓接等）、施工方法、施工時(shí)間、管道內(nèi)流體的波動(dòng)時(shí)間、周圍有無替換管線等。

（2）嚴(yán)格檢測(cè)管線的沉降，做好對(duì)應(yīng)管線的沉降超現(xiàn)時(shí)應(yīng)急預(yù)案。

2.6 超大矩形斷面盾構(gòu)頂管施工姿態(tài)控制技術(shù)

由于矩形盾構(gòu)頂管橫斷面尺寸增大，在同時(shí)可能存在開挖面各點(diǎn)壓力差別，調(diào)向糾偏的難度增大，或者超大斷面矩形盾構(gòu)頂管在推進(jìn)的過程中可能由于側(cè)向受力不均，或者地層不均勻?qū)е戮匦味軜?gòu)頂管居轉(zhuǎn)或者姿態(tài)難以控制；特別是由于橫斷面尺寸大，頂管或管節(jié)發(fā)生滾轉(zhuǎn)偏差對(duì)隧道凈空位置的影響明顯，滾轉(zhuǎn)的糾偏也因橫斷面尺寸增大而變得困難，如何控制矩形盾構(gòu)頂管姿態(tài)成為本工程重點(diǎn)、難點(diǎn)，施工過程采用如下措施：

嚴(yán)格按照要求對(duì)地層進(jìn)行勘測(cè)，并在基坑開挖過程中對(duì)地層進(jìn)行詳細(xì)統(tǒng)計(jì)、研究充分了解地質(zhì)性能和變化情況。

頂管設(shè)計(jì)和管節(jié)設(shè)計(jì)開始就緊密結(jié)合，確保土木設(shè)計(jì)、設(shè)備設(shè)計(jì)初期就都充分考慮了矩形盾構(gòu)頂管的方向控制問題。

矩形盾構(gòu)頂管設(shè)計(jì)、制造方面針對(duì)性設(shè)計(jì)。

（1）盾構(gòu)設(shè)計(jì)：對(duì)盾體設(shè)計(jì)的要求包括2個(gè)方面：調(diào)向的靈敏性和盾體穩(wěn)定的向?qū)ё饔?。超大矩形盾?gòu)頂管前盾的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)得比較短，以便減少鉸點(diǎn)到刀盤的距離，使鉸接力能有效的傳遞到刀盤便于轉(zhuǎn)向。

（2）輔助調(diào)節(jié)糾偏系統(tǒng)設(shè)計(jì)：當(dāng)發(fā)生滾轉(zhuǎn)偏差和尾盾中線偏差時(shí)，前盾的糾偏力已經(jīng)不足，此時(shí)借助于盾體上的預(yù)留孔和糾偏泥漿注入系統(tǒng)，在需要的位置向地層注入糾偏泥漿，依靠泥漿對(duì)地層的壓力和地層微量的壓縮性進(jìn)行糾偏。

（3）向?qū)到y(tǒng)設(shè)計(jì)：采用激光向?qū)到y(tǒng)，控制頂管推進(jìn)5個(gè)方向自由度保證頂管的線路和位置關(guān)系進(jìn)行精確的測(cè)量和顯示。

（4）刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)方向的調(diào)向糾偏輔助作用設(shè)計(jì)：頂管共設(shè)有6個(gè)刀盤，每個(gè)刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)方向均可獨(dú)立控制，在需要時(shí)通過6個(gè)刀盤的同向轉(zhuǎn)動(dòng)使頂管獲得某方向的反扭矩，大道輔助滾轉(zhuǎn)糾偏目的。

（5）提高設(shè)備的加工精度，并在設(shè)備設(shè)計(jì)制造中烤爐設(shè)備的幾何中心與重心盡可能重合，以方便矩形盾構(gòu)頂管姿態(tài)控制和方向調(diào)節(jié)。

施工過程中勤糾偏、緩糾偏，糾偏控制在0.4%以內(nèi)，頂管隧道中誤差控制在±30mm。

做好方向偏轉(zhuǎn)或者扭轉(zhuǎn)過大應(yīng)急預(yù)案。

3 結(jié)束語

矩形盾構(gòu)在城市下穿隧道應(yīng)用在全國(guó)尚屬首次，將會(huì)對(duì)國(guó)內(nèi)大城市主干道下穿隧道建設(shè)產(chǎn)生積極的示范效應(yīng)和深遠(yuǎn)影響，并將我國(guó)矩形盾構(gòu)頂管施工的水平提升到國(guó)際領(lǐng)先水平。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭州市下穿隧道工程實(shí)施性施工組織設(shè)計(jì).