試論矩形頂管工法在地下通道工程中的應用

郝磊

（中鐵十五局集團城市軌道交通工程有限公司，廣東 珠海 519000）

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，標準寬度23.7m，兩層處深度為16.7m，車站埋深3m。車站設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)預制，標準管節(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)，車站主體頂板預留口接收吊出。

2 矩形頂管工法的特點及設備選型

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,改變螺旋機的旋轉速度及頂進速度來控制排土量,使土壓倉內的土壓力值穩(wěn)定并控制在所設定的壓力值范圍內,從而達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軸線、轉角偏差及地面沉降。

2.2 矩形頂管工法的設備選型

在地下通道工程中應用矩形頂管工法，需要嚴格控制設備的選型，這是保障工程順利進行的關鍵點。刀盤的形式和功率、平衡的模式，是在進行設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。殼體設計成前后二部分。殼體前后二部分連接處，安裝鉸接機構及密封裝置。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φ 2516mm，每臺大刀盤由3臺30kW電機變頻驅動。小刀盤為中心支承型，切削直徑φ2170mm，每臺小刀盤由二臺30kW電機變頻驅動。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、閥）組成。液壓動力系統(tǒng)設有兩個泵，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地面頂進輔助設施的布置、安裝，井口吊機設置、安裝，洞口密封的安裝、主頂設備后靠背的安裝，主頂設備導向機架、主頂千斤頂的安裝、調整，工作井工作平臺、輔助設備、控制操作臺的布置、安裝，出洞輔助技術設施地基加固處理；③頂管機吊裝、下井、就位，頂管機井內安裝調試，做好進洞準備。

3.2 頂管機頂進施工工藝順序

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→主頂進裝置啟動、頂進→地面注漿或注水系統(tǒng)投入運行→螺旋輸送機運轉排土→主頂進千斤頂停止頂進，注漿或注水系統(tǒng)停止→排土停止，關閉主機→頂進中途繼續(xù)數次軸線偏差測量→主頂千斤頂全部回縮原位→切斷井下總電源，準備下一循環(huán)[2]。

3.3 頂管機出洞施工工藝

頂管機到達接收井洞門后，破除接收井洞門墻；安裝接收導軌，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)預埋注漿孔注水泥漿；頂管機、后靠背頂進裝置吊出；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 施工過程技術措施

4.1 頂管出洞的技術措施

始發(fā)井圍護結構采用鉆孔灌注樁，C35水下混凝土，樁間旋噴樁止水，二者樁頂高程一致，出洞口兩側采用降水法疏干地下水。出洞前，洞口止水圈的安裝是關鍵技術，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。

圖1 土壓平衡矩形頂管施工工藝圖

基座定位后必須穩(wěn)固、正確，軌道與頂進軸線平行，導軌高程偏差與中心水平位移均不超過3mm，導軌規(guī)格采用43kg/m的重軌。軌道安裝后，機頭應放在機架上，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，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。

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

4.2 頂進過程中的技術措施

4.2.1 正面土壓力的設定

本工程利用壓力倉內的土壓力來平衡開挖面的土體，土壓力采用Rankine壓力理論進行計算為88.6kN/m2為最初設定值，在實際頂進的過程中，土壓力值根據實際頂進參數、地面沉降監(jiān)測數據作相應的調整。

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。

式中：F——總推力（kN）

F0——初始推力（kN）

f0——每m管子與土層之間的綜合摩擦阻力（kN/m）

式中：A——機頭截面積，m2

P0——機頭底部以上1/3高度處的靜止土壓力，kN/m2

Pw——地下水壓力，地下水位埋深1.73m。

式中：γ——土的容重(20kN/m3)

H——管頂土層厚度(4.9m)

H1——掘進機高度(4.3m)

φ——土的內摩擦角(280)

K0——砂性土中取0.25～0.33之間，在粘上中可取0.33～0.7之間。

式中：R——綜合摩擦阻力（kPa），取2～8kPa

S——管外周長（m），得S=(a+b)×2=（6.0+4.3）×2=20.6（m）

W——每m管子的重力（233kN/m）

f——管子重力在土中的摩擦系數，取0.2。

得：f0=8×20.6+233×0.2=211.3（kN/m）

③最后得出：總推力F=3530+211.3×51.16=14340.1kN。

經計算，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

在頂進過程中，應合理控制頂進速度，保證連續(xù)均衡施工，避免出現長時間擱置情況；不斷根據地面沉降觀測反饋數據進行土壓力設定值調整，使之達到最佳狀態(tài)；嚴格控制出土量，防止欠挖或超挖[3]。

測點布設：正式進洞之前，測量人員應用油漆或鐵釘在路面之上布點，在頂進軸線方向，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繼續(xù)進行觀測。

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》，每次觀測數據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)、總結規(guī)律，以指導施工。并將每班的沉降觀測數據及時報給頂進班組，以便及時調整施工參數，采取相應措施，控制沉降。

4.2.4 觸變泥漿減阻

注漿口配置在機頭位置，補漿孔配置在相應的管節(jié)處，頂進過程中，根據實際情況，及時有效地跟蹤壓漿。拌制觸變泥漿要嚴格操作規(guī)程。觸變泥漿的使用量根據周圍土質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，而砂土的損耗系數要大于淤泥質土與花崗片麻巖。

4.3 頂管進洞的技術措施

由于增城廣場站周邊交通量極大，機頭進洞易通過15cm的周邊空隙引發(fā)水土流失，嚴重時會導致路面沉降、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，頂進中壓漿位置逐次后移，確保進洞前形成6m左右的土塞，避免進洞中因減摩泥漿的大量流失造成摩阻力驟然上升。

頂管機切口進入接收井洞口加固區(qū)域，適當減慢頂進速度，通過調整出土量的方法逐漸減小正面土壓力，確保洞口結構穩(wěn)定和頂管機設備完好。

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、接收井洞門進行封閉，利用管片預留注漿孔進行水泥漿置換觸變泥漿。

5 結語

在當前城市建設當中，地下通道的數量越來越多，能夠優(yōu)化城市交通設計。矩形頂管工法應用于地下通道工程中，能夠保障工程的質量和施工效率。在各個施工環(huán)節(jié)中，施工人員應該嚴格遵循施工規(guī)范，促進施工工藝的合理運用，保障地下通道工程的順利進行。