試論矩形頂管工法在地下通道工程中的應(yīng)用

郝磊

【摘 要】矩形頂管工法能夠減少管線遷改及交通疏解工作量，對周邊的環(huán)境影響較小，占用場地面積小，能夠降低地下通道工程的建設(shè)成本，論文結(jié)合廣州地鐵增城廣場站，通過分析矩形頂管工法的特點、設(shè)備選型及施工工藝，探索矩形頂管工法在地下通道工程中的應(yīng)用。

【Abstract】The rectangular pipe jacking method can effectively? reduce the workload of pipeline relocation and traffic relaxation， and has less impact on the surrounding environment and occupies a smaall area. It can reduce the construction cost of underground tunnel project. Combined with the Zengcheng Square Station of Guangzhou metro， the paper explores the application of rectangular pipe jacking method in underground tunnel project through analyzing the characteristics， equipment selection and construction technology of rectangular pipe jacking method.

【關(guān)鍵詞】矩形頂管工法;土壓平衡;頂管頂推力;觸變泥漿

【Keywords】rectangular pipe jacking method; earth pressure balance; pipe jacking force; thixotropic slurry

【中圖分類號】U455? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2018）12-0125-03

1 工程概況

增城廣場站總長665m，車站為地下兩層15m島式站臺車站，標(biāo)準(zhǔn)寬度23.7m，兩層處深度為16.7m，車站埋深3m。車站設(shè)9個出入口（其中4個為車站出入口，5個為物業(yè)出入口）。出入口采用明挖法施工，明挖寬度7.7～17.18m，地下埋深10.57～13.34m，出入口過路段采用土壓平衡矩形頂管法施工，管片頂面覆土約5m，管片尺寸外徑6.0m×4.3m，管片厚度50cm，管片整環(huán)預(yù)制，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長度1.5m。每個出入口頂管長度25.8m～51.16m長度不等，頂管機由明挖段始發(fā)井始發(fā)，車站主體頂板預(yù)留口接收吊出。

2 矩形頂管工法的特點及設(shè)備選型

2.1 矩形頂管工法的特點

工作原理如下：土壓平衡矩形頂管法通過大、小刀盤對正面土體的全斷面切削，改變螺旋機的旋轉(zhuǎn)速度及頂進(jìn)速度來控制排土量，使土壓倉內(nèi)的土壓力值穩(wěn)定并控制在所設(shè)定的壓力值范圍內(nèi)，從而達(dá)到開挖切削面的土體穩(wěn)定[1]。

施工時無噪音、無環(huán)境污染，通過PLC程序控制器及各類傳感器等，在控制室內(nèi)隨時監(jiān)測施工狀況，使整個施工過程處于受控狀態(tài)，從而有效控制矩形通道頂進(jìn)軸線、轉(zhuǎn)角偏差及地面沉降。

2.2 矩形頂管工法的設(shè)備選型

在地下通道工程中應(yīng)用矩形頂管工法，需要嚴(yán)格控制設(shè)備的選型，這是保障工程順利進(jìn)行的關(guān)鍵點。刀盤的形式和功率、平衡的模式，是在進(jìn)行設(shè)備選型時需要重點考慮的因素。本站頂管機選用 6000mm×4300mm 土壓平衡式矩形頂管設(shè)備。頂管機配置如下：①頂管殼體：頂管外形尺寸寬 6040mm， 高 4340mm ，長 4100mm，殼體重量約 65 t。殼體設(shè)計成前后二部分。殼體前后二部分連接處，安裝鉸接機構(gòu)及密封裝置。殼體的前胸板上，安裝 5 只土壓傳感器，前胸板有進(jìn)入土倉的人行通道閘門。殼體前上方、前胸板、殼體后方四周分別安裝有泥水注入管口與觸變泥漿注入口。殼體前面土倉下方，左右兩側(cè)上方，分別安裝了盲區(qū)挖土裝置。殼體前沿周邊，安裝了 46 把齒刀。殼體的尾部，安裝四支脫卸千斤頂。②刀盤：刀盤由六個獨立的刀盤系統(tǒng)組成。在頂管機前方土倉前面，并列布置三臺大刀盤、三臺小刀盤。大刀盤為中心支承型，切削直徑

? 2516mm，每臺大刀盤由 3 臺 30kW 電機變頻驅(qū)動。小刀盤為中心支承型，切削直徑?2170mm，每臺小刀盤由二臺 30kW 電機變頻驅(qū)動。大刀盤與小刀盤錯層布置，小刀盤突前，大刀盤在后面。③糾偏裝置：糾偏裝置由十二只糾偏千斤頂、液壓動力系統(tǒng)組成。④螺旋輸送機：頂管機上安裝了二臺相同輸送量的螺旋輸送機，螺旋輸送機采用軸向出土形式。⑤液壓系統(tǒng)：液壓系統(tǒng)由液壓動力站、液壓管路及各個液壓執(zhí)行元件（千斤頂、液壓馬達(dá)、閥）組成。液壓動力系統(tǒng)設(shè)有兩個泵，即螺旋機閘門泵與糾偏泵。螺旋機閘門液壓系統(tǒng)，用于螺旋機閘門的控制，用于向盲區(qū)挖土千斤頂提供動力。頂進(jìn)糾偏（鉸接裝置）動力裝置，用于向糾偏千斤頂提供動力，用于脫卸千斤頂動力。⑥集中潤滑系統(tǒng)：用于向刀盤系統(tǒng)、螺旋輸送機、鉸接裝置等提供土沙密封的潤滑油脂。⑦電氣控制系統(tǒng)：包括控制面板、PLC 操作系統(tǒng)、各個控制電柜、各類檢測電氣元件、動力電纜、輸送電線電纜等。

3 土壓平衡矩形頂管工法施工工藝

3.1 頂管施工前期工藝

①工作井、接收井清理，測量、軸線放樣;②地面頂進(jìn)輔助設(shè)施的布置、安裝，井口吊機設(shè)置、安裝， 洞口密封的安裝、主頂設(shè)備后靠背的安裝，主頂設(shè)備導(dǎo)向機架、主頂千斤頂?shù)陌惭b、調(diào)整，工作井工作平臺、輔助設(shè)備、控制操作臺的布置、安裝，出洞輔助技術(shù)設(shè)施地基加固處理;③頂管機吊裝、下井、就位，頂管機井內(nèi)安裝調(diào)試，做好進(jìn)洞準(zhǔn)備。

3.2 頂管機頂進(jìn)施工工藝順序

管節(jié)接口扣密封環(huán)、傳力襯墊的安放、固定→管節(jié)下吊→管口中心調(diào)整、連接就位→電源接通及管線接通→頂管機主機啟動→土壓平衡控制器運行→主頂進(jìn)裝置啟動、頂進(jìn)→地面注漿或注水系統(tǒng)投入運行→螺旋輸送機運轉(zhuǎn)排土→主頂進(jìn)千斤頂停止頂進(jìn)，注漿或注水系統(tǒng)停止→排土停止，關(guān)閉主機→頂進(jìn)中途繼續(xù)數(shù)次軸線偏差測量→主頂千斤頂全部回縮原位→切斷井下總電源，準(zhǔn)備下一循環(huán)[2]。

3.3 頂管機出洞施工工藝

頂管機到達(dá)接收井洞門后，破除接收井洞門墻;安裝接收導(dǎo)軌，頂管機快速出洞;及時封閉始發(fā)井、接收井洞門;通過管節(jié)預(yù)埋注漿孔注水泥漿;頂管機、后靠背頂進(jìn)裝置吊出;始發(fā)井、接收井洞門環(huán)梁鋼筋綁扎、模板安裝、澆筑砼（圖1）。

4 施工過程技術(shù)措施

4.1 頂管出洞的技術(shù)措施

始發(fā)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁，C35水下混凝土，樁間旋噴樁止水，二者樁頂高程一致，出洞口兩側(cè)采用降水法疏干地下水。出洞前，洞口止水圈的安裝是關(guān)鍵技術(shù)，既可以防止頂管機出洞時正面的水土涌入工作井，又可以防止頂進(jìn)過程中減阻泥漿從此處流失，保證泥漿套的完整性與有效性。

基座定位后必須穩(wěn)固、正確，軌道與頂進(jìn)軸線平行，導(dǎo)軌高程偏差與中心水平位移均不超過3mm，導(dǎo)軌規(guī)格采用43kg/m的重軌。軌道安裝后，機頭應(yīng)放在機架上，不能直接放在軌道上，機架及后靠鋼盒總重約20t，后靠鋼盒與混凝土后被墻及工作井墻壁充分接觸，使反頂力均勻分部。

出洞的頂管機姿態(tài)控制通過主頂油缸的編組實現(xiàn)，出洞過程盡可能連續(xù)慢速，若出土困難，可加清水軟化潤滑水泥土。

進(jìn)入原狀土后，提高頂進(jìn)速度，按計劃工期，一天頂進(jìn)2節(jié)（3m），由于頂管兩班連續(xù)作業(yè)施工，現(xiàn)場四角各安裝防水照明燈一座，同時頂進(jìn)過程中，需隨時檢查洞口止水裝置的完好，以防漿液外漏。

4.2 頂進(jìn)過程中的技術(shù)措施

4.2.1 正面土壓力的設(shè)定

本工程利用壓力倉內(nèi)的土壓力來平衡開挖面的土體，土壓力采用Rankine壓力理論進(jìn)行計算為88.6kN/m2為最初設(shè)定值，在實際頂進(jìn)的過程中，土壓力值根據(jù)實際頂進(jìn)參數(shù)、地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)作相應(yīng)的調(diào)整。

4.2.2 頂管頂推力計算

通道頂管段頂推力計算，以1號口頂管段長51.16m計算，管頂覆土取4.9m。

經(jīng)計算，廣場站各出入口頂管頂推力1號口所需總推力最大。

說明：以上的管壁摩擦力計算未充分考慮觸變泥漿減阻效果，施工是采用觸變泥漿減阻，可以有效折減管壁摩擦阻力。

4.2.3 地面沉降控制

在頂進(jìn)過程中，應(yīng)合理控制頂進(jìn)速度，保證連續(xù)均衡施工，避免出現(xiàn)長時間擱置情況;不斷根據(jù)地面沉降觀測反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行土壓力設(shè)定值調(diào)整，使之達(dá)到最佳狀態(tài);嚴(yán)格控制出土量，防止欠挖或超挖[3]。

測點布設(shè)：正式進(jìn)洞之前，測量人員應(yīng)用油漆或鐵釘在路面之上布點，在頂進(jìn)軸線方向，每10m布一組點，每組3個點。

監(jiān)測方法：頂管開始頂進(jìn)時，啟動對該車道測點的監(jiān)測工作，對頂管已通過的測點應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行觀測。

監(jiān)測頻率及記錄、分析：對道路路面沉降點監(jiān)測頻率采用1次/12小時的頻率，當(dāng)觀察值變化較大時增加觀測頻率。

測量組制作專門的表格《道路路面沉降觀測記錄表》，每次觀測數(shù)據(jù)均如實填入沉降記錄表，并繪制沉降觀測曲線，掌握路面沉降動態(tài)、總結(jié)規(guī)律，以指導(dǎo)施工。并將每班的沉降觀測數(shù)據(jù)及時報給頂進(jìn)班組，以便及時調(diào)整施工參數(shù)，采取相應(yīng)措施，控制沉降。

4.2.4 觸變泥漿減阻

注漿口配置在機頭位置，補漿孔配置在相應(yīng)的管節(jié)處，頂進(jìn)過程中，根據(jù)實際情況，及時有效地跟蹤壓漿。拌制觸變泥漿要嚴(yán)格操作規(guī)程。觸變泥漿的使用量根據(jù)周圍土質(zhì)特性及管道與周圍空隙的大小確定，實際操作中，觸變泥漿的實際用量是理論值的2到5倍，而砂土的損耗系數(shù)要大于淤泥質(zhì)土與花崗片麻巖。

4.3 頂管進(jìn)洞的技術(shù)措施

由于增城廣場站周邊交通量極大，機頭進(jìn)洞易通過15cm的周邊空隙引發(fā)水土流失，嚴(yán)重時會導(dǎo)致路面沉降、損害地下管線。頂管距接收井6m時，停止第一節(jié)管節(jié)的壓漿，頂進(jìn)中壓漿位置逐次后移，確保進(jìn)洞前形成6m左右的土塞，避免進(jìn)洞中因減摩泥漿的大量流失造成摩阻力驟然上升。

頂管機切口進(jìn)入接收井洞口加固區(qū)域，適當(dāng)減慢頂進(jìn)速度，通過調(diào)整出土量的方法逐漸減小正面土壓力，確保洞口結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和頂管機設(shè)備完好。

為避免頂管通道完成頂管后引起地面工后沉降，頂管施工完成后立即組織人員對始發(fā)井、接收井洞門進(jìn)行封閉，利用管片預(yù)留注漿孔進(jìn)行水泥漿置換觸變泥漿。

5 結(jié)語

在當(dāng)前城市建設(shè)當(dāng)中，地下通道的數(shù)量越來越多，能夠優(yōu)化城市交通設(shè)計。矩形頂管工法應(yīng)用于地下通道工程中，能夠保障工程的質(zhì)量和施工效率。在各個施工環(huán)節(jié)中，施工人員應(yīng)該嚴(yán)格遵循施工規(guī)范，促進(jìn)施工工藝的合理運用，保障地下通道工程的順利進(jìn)行。

【參考文獻(xiàn)】

【1】賈連輝.矩形頂管在城市地下空間開發(fā)中的應(yīng)用及前景[J].隧道建設(shè)，2016，36（10）：1269-1276.

【2】黎東輝，鐘顯奇.矩形頂管工法在地下通道工程中的應(yīng)用[J].廣東土木與建筑，2016，23（Z1）：60-62.

【3】劉發(fā)前，盧永成.矩形頂管地下通道的設(shè)計[J].城市道橋與防洪，2014（08）：317-320+324+24.