武漢軌道交通七號線出入口頂管掘進施工技術(shù)

吳克寶 吳賢國 仲景冰 覃亞偉

(華中科技大學土木工程與力學學院 湖北武漢 430074)

1 工程概況

1.1 工程概述

武漢市軌道交通七號線一期工程第十二標段土建工程包含小東門站、小東門站～武昌火車站區(qū)間(以下簡稱小武區(qū)間)、武昌火車站，共計2個車站和1個盾構(gòu)區(qū)間3個單位工程。其中Ⅲ號出入口及Ⅳ號出入口采用頂管法施工。3處頂管均采取站內(nèi)接收的方式，其中頂管始發(fā)井結(jié)合出入口(風道)設(shè)置。

1.2 工程地質(zhì)

武昌火車站IV號出入口場地地層自上而下主要由7個單元層組成，即①單元層為人工填土層(Qml/)；③單元層為全新統(tǒng)長江沖積(Q/4al/)一般黏性土層；⑥單元層為長江沖洪積三級階地低洼、坳溝區(qū)內(nèi)沉積的一般黏性土層(Q/4al/)；單元層為上更新統(tǒng)長江沖洪積(Q/3al+pl/)老黏性土層；單元層為中更新統(tǒng)長江沖洪積(Q/2al+pl/)黏質(zhì)砂土層；單元層為下更新統(tǒng)長江沖洪積(Q/1al+pl/)砂礫卵石層及單元層志留系(S)粉砂質(zhì)泥巖。

1.3 水文地質(zhì)

根據(jù)場區(qū)原始地形條件及地層的水理性質(zhì)、賦水性能及地下水的埋藏條件等分析判斷，在勘探深度范圍內(nèi)擬建場地地下水類型主要可分為上層滯水、孔隙承壓水兩種類型。

2 施工重難點

該工程頂管掘進機開挖斷面尺寸為9820mm×5520mm，為大斷面矩形頂管，施工時易產(chǎn)生以下4個問題。

(1)矩形掘進機殼體頂部與土層的接觸面積大，容易出現(xiàn)掘進機機頭背向土層，使得土體松動、流失，甚至會出現(xiàn)地面塌陷、管線斷裂[1-2]。

(2)矩形頂管掘進機正面與土層的接觸面積大，當拼裝管節(jié)或加墊塊時，主頂油缸一回縮，在掘進機正面承受的土層軸向推力作用下，掘進機連同管節(jié)易發(fā)生整體后退[3-4]。

(3)掘進機向前運轉(zhuǎn)時，受到的扭矩較大，使得掘進機前進方向難于控制。

(4)由于頂管機刀盤切削面積為53.9m2，在運轉(zhuǎn)過程對周邊土層影響較大，導(dǎo)致塌陷、管線下沉，難于控制運作范圍。

因此，大斷面頂進條件下控制地面及管線沉降，控制頂管機姿態(tài)，防止頂管機整體后退是該工程重難點之一。

3 頂管機性能參數(shù)選擇

根據(jù)工程經(jīng)驗和現(xiàn)場條件，選擇頂管機性能參數(shù)如表1所示。

表1 頂管機性能參數(shù)表

4 頂管掘進施工

4.1 頂管掘進方案

(1)頂進速度

機器開始運轉(zhuǎn)時，緩慢啟動加速，盡量控制在10mm/min左右，達到一定的時間后，可以提高到20～30mm/min左右以正常施工，如圖1所示。

圖1 掘進頂推施工

(2)出土量

在開挖不斷產(chǎn)生土的時候，嚴格控制出土量。根據(jù)出土量控制開挖過程，避免出現(xiàn)超挖與欠挖。出土量控制在理論出土量的98%～100%。出土采用履帶吊直接吊至地面的集土坑內(nèi)。

4.2 頂進軸線控制

頂管頂進的過程中，時刻保持頂管軸線與規(guī)劃軸線在一條線上。在頂管機前方節(jié)、后方節(jié)及第一節(jié)管四周布置定位貼片，全站儀定時測量頂管機及后方管節(jié)姿態(tài)。全程動態(tài)糾偏，防止土層受到較大的擾動、管線出現(xiàn)偏差角過大，具體的做法是頂管前進0.5m進行一次測量[5-6]。

該案例采用的是矩形頂管，在使用過程中嚴格控制管道的橫向水平，機頭如出現(xiàn)轉(zhuǎn)角，及時停止，并采用刀盤反轉(zhuǎn)、反側(cè)注泥、加壓鐵等措施應(yīng)急處理。

頂進軸線偏差控制標準從兩個方面出發(fā)，一是高程，二是水平偏差，要求均為±50mm。

4.3 地面沉降控制

在施工過程中，嚴格按照施工計劃進行，以保證施工的連續(xù)性，避免出現(xiàn)較長的停置。在機械運轉(zhuǎn)過程中根據(jù)動態(tài)施工監(jiān)測的土壓力數(shù)據(jù)不斷調(diào)整施工參數(shù)，使得施工處于安全運轉(zhuǎn)狀態(tài)，并嚴格控制施工出土量，防止超挖、欠挖情況出現(xiàn)。施工過程中嚴格測量監(jiān)控地面沉降，一旦發(fā)生沉降，立即采取補漿、注泥等措施修正，頂進結(jié)束后進行二次補泥。

4.4 管節(jié)注漿

為提高土層與管道之間的潤滑度，采用觸變泥漿灌注在管道外壁，形成泥漿套提高潤滑度。采用的泥漿保持一定的含水率、不分層，以達到減小總頂力的效果[7]。

(1)泥漿配比(表2)

表2 泥漿配比(每立方) kg

(2)壓漿系統(tǒng)分為2個獨立的子系統(tǒng)

其中一個子系統(tǒng)是對機器內(nèi)部的土體注漿，目的是改良土體的流塑性；另一個系統(tǒng)通過對管節(jié)外注漿，目的是形成減摩泥漿套。

(3)壓漿設(shè)備及壓漿工藝

壓漿泵動力方式采用液壓注漿泵，在使用前將其固定在始發(fā)井口，出料泥漿先注入儲漿桶，并在儲漿桶拌制后放置一段時間再輸運到井下。該工程覆土較淺，注漿壓力宜控制在0.05MPa左右。

(4)壓漿施工要點

①壓漿專人負責，保證觸變泥漿的穩(wěn)定，在施工期間不失水，不固結(jié)，不沉淀。

②嚴格按壓漿操作規(guī)范施工，在頂進作業(yè)及時灌注觸變泥漿，填補施工產(chǎn)生的空隙，在管節(jié)周圍制造泥漿套，減少頂進阻力和地表沉降。

③壓漿遵循“先壓后頂、隨頂隨壓、及時補漿”原則，嚴格按照施工要求進行。

④壓漿順序

地面拌漿→啟動壓漿泵→總管閥門打開→管節(jié)閥門打開→送漿(頂進開始)→管節(jié)閥門關(guān)閉(頂進停止)→總管閥門關(guān)閉→井內(nèi)快速接頭拆開→下管節(jié)→接6.67cm總管→循環(huán)復(fù)始。

(5)減阻壓漿量的計算(每節(jié)管節(jié))

為使減阻注漿在運用時達到最佳效果，根據(jù)經(jīng)驗總結(jié)其總注漿量取理論值的3～5倍(擴散系數(shù)為3～5倍)。

理論間隙每環(huán)：(9.82+5.52)×2×0.02×3×1.2=2.21m3/m。經(jīng)計算，該工程減摩注漿泥漿理論方量為2.21×37=81.7m3。

4.5 渣土改良的方法與添加劑

渣土改良是專用裝置向刀盤面、土倉或螺旋輸送機內(nèi)注入添加劑，通過這些設(shè)備的攪拌使添加劑與土渣混合，其目的是使渣土流塑性好、稠度適宜、透水性和摩阻力小，以滿足在各種復(fù)雜地質(zhì)條件下相應(yīng)的掘進方式。添加劑主要有聚丙烯酰胺和膨潤土。

由于聚丙烯酰胺具有中和陰陽離子的功能，達到降低粘土的吸附性，從而進一步提高渣土的流動性與潤滑效果，根據(jù)實驗確定選用1‰陰離子聚丙烯酰胺溶液按土體比重5%添加，達到的做泥效果最佳。

4.6 管節(jié)防水

管節(jié)中重要的一個工作是接口的拼接，接口拼接密實性一定程度上保證了頂管工作順利進行，因此在施工時著重考慮接口的制作過程。

對于混凝土管節(jié)，管節(jié)接頭采用“F”型承插式接頭。拼裝時，接口上均勻涂刷一層硅油，接口插入后，將探棒插入鋼套環(huán)空隙中，并四周校對止水圈位置，如有偏移等情況，即拔出重新粘接和插入。施工時如若發(fā)現(xiàn)止水條質(zhì)量不合格，立即上報技術(shù)部門，調(diào)整后再使用。

相鄰管節(jié)之間為了緩沖混凝土應(yīng)力，采用中等硬度的木制材料作為襯墊，板接口接口方式為企口方式，采用的板厚為20mm。粘貼前進行基面清理，拼裝有脫落的立即進行返工，確保整個環(huán)面襯墊的平整性、密閉性，如圖2所示。

頂管拼接工作施工結(jié)束，管節(jié)間的縫隙采用單組分聚硫密封膏填充。嵌縫前清理雜質(zhì)、污垢，保持表面平整、干凈、干燥。將配置好的聚硫膏先在管節(jié)接口兩側(cè)涂一遍，然后勾縫到所需高度。整個施工要求壓緊刮平，防止填充中出現(xiàn)氣泡而影響接縫強度和水密性。密封膏表干時間為24h,7d后達到80%強度，在密封膏未充分固化前要注意防水措施，保持周圍環(huán)境適宜。

圖2 管節(jié)鋼套環(huán)及襯墊

5 結(jié)語

武漢市軌道交通七號線Ⅲ號出入口及Ⅳ號出入口采用頂管法施工，頂管掘進機開挖斷面尺寸為9820mm×5520mm，為大斷面矩形頂管，根據(jù)工程經(jīng)驗和現(xiàn)場條件，選擇合適頂管機性能參數(shù)。確定頂管掘進方案，控制頂進速度，嚴格控制出土量，防止超挖或欠挖，控制頂進軸線、地面沉降、管節(jié)注漿、渣土改良等環(huán)節(jié)，工程順利實施，取得良好效果。規(guī)范操作程序，指導(dǎo)現(xiàn)場施工，確保頂管掘進過程安全順利，為頂管施工提供可行性施工經(jīng)驗，確保頂管施工工期的節(jié)點目標。

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