大斷面類(lèi)矩形盾構(gòu)頂管施工風(fēng)險(xiǎn)及對(duì)策綜述

胡寶生

(中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司， 重慶 401121)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，越來(lái)越多的城市正加速現(xiàn)代化進(jìn)程，城市發(fā)展的容量和體量越來(lái)越大，因此要求基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)采用先進(jìn)工藝工裝，以減少征遷工作量、減少對(duì)既有運(yùn)營(yíng)交通的影響、減少對(duì)周?chē)用窦靶腥说挠绊?，因此盾?gòu)頂管施工技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。盾構(gòu)頂管法是繼盾構(gòu)法之后發(fā)展起來(lái)的一種地下空間施工技術(shù)，它是借助于頂管機(jī)主頂油缸及中繼間的頂推力，使掘進(jìn)機(jī)從工作井內(nèi)始發(fā)穿越既有設(shè)施，并掘進(jìn)至接收井起吊，預(yù)制管片跟隨掘進(jìn)同步安裝。此技術(shù)無(wú)需破壞既有設(shè)施，能夠穿越公路、鐵路、河川、地面建筑物、地下構(gòu)筑物以及各種地下管線，具有安全、快捷、施工干擾小等特點(diǎn)。

1 我國(guó)矩形隧道掘進(jìn)機(jī)施工技術(shù)現(xiàn)狀

自從英國(guó)人布魯諾首次采用矩形盾構(gòu)機(jī)修建倫敦泰晤士河底隧道以來(lái)，至今已逾170多年，在之后的發(fā)展進(jìn)程中，盾構(gòu)機(jī)作為地下工程設(shè)備，幾經(jīng)發(fā)展和變化，施工工藝和設(shè)備也在不斷的實(shí)踐中得到發(fā)展和提高[1]。20世紀(jì)50年代我國(guó)開(kāi)始進(jìn)行頂管施工技術(shù)試驗(yàn)和研究，最初為手掘式頂管，設(shè)備簡(jiǎn)陋；20世紀(jì)60年代至70年代，上海成功研制出小口徑土壓式機(jī)械頂管機(jī)；1978年前后，上海成功研制擠壓法頂管；1984年前后，隨著我國(guó)改革開(kāi)放政策的推廣，全國(guó)各地相繼引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的機(jī)械頂管設(shè)備，同時(shí)引進(jìn)一些頂管分析理論、施工技術(shù)和管理經(jīng)驗(yàn)，此后機(jī)械頂管技術(shù)和理論出現(xiàn)飛躍發(fā)展，由泥水(土壓)平衡掘進(jìn)機(jī)和多刀盤(pán)土壓平衡掘進(jìn)機(jī)等先進(jìn)頂管設(shè)備和技術(shù)代替簡(jiǎn)單的手掘式頂管施工。頂管管節(jié)也由最初的圓形頂管，演變成了矩形頂管、類(lèi)矩形頂管等各類(lèi)異形頂管。

目前，我國(guó)矩形頂管裝備制造及施工工藝已非常成熟，矩形頂管法施工技術(shù)已廣泛應(yīng)用于地鐵隧道、高速公路下穿、市政主干道下穿、地下停車(chē)場(chǎng)、綜合管廊、電纜隧道等領(lǐng)域的工程建設(shè)，在全國(guó)已有數(shù)十個(gè)項(xiàng)目的成功應(yīng)用，如表1所示。

表1 代表性矩形盾構(gòu)頂管隧道

隨著我國(guó)矩形斷面隧道的廣泛應(yīng)用，大斷面、長(zhǎng)距離及曲線頂進(jìn)的矩形隧道不斷涌現(xiàn)，越來(lái)越多設(shè)備的制造商集中開(kāi)發(fā)盾構(gòu)設(shè)備、研究盾構(gòu)適應(yīng)技術(shù)，而對(duì)大斷面類(lèi)矩形盾構(gòu)頂管施工風(fēng)險(xiǎn)的研究卻少之又少；鑒于施工風(fēng)險(xiǎn)分析是項(xiàng)目是否可行的關(guān)鍵，項(xiàng)目實(shí)施前，風(fēng)險(xiǎn)和對(duì)策研究對(duì)矩形盾構(gòu)頂管技術(shù)的應(yīng)用至關(guān)重要，因此，筆者就矩形盾構(gòu)頂管施工技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和對(duì)策的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和綜述。

2 大斷面類(lèi)矩形盾構(gòu)頂管工法主要施工風(fēng)險(xiǎn)及對(duì)策

2.1 超大斷面開(kāi)挖引起地表沉降風(fēng)險(xiǎn)[2]

根據(jù)不同工程需要進(jìn)行不同刀盤(pán)開(kāi)挖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，矩形盾構(gòu)頂管施工關(guān)鍵是控制地表沉降[3]，針對(duì)不同地層巖性，對(duì)矩形掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖方式進(jìn)行對(duì)比分析，以期找到更適宜項(xiàng)目的開(kāi)挖技術(shù)，如表2所示。分析表2可知，采用組合多刀盤(pán)聯(lián)合[4]開(kāi)挖方式，對(duì)土體擾動(dòng)小，設(shè)備加工相對(duì)簡(jiǎn)單，設(shè)備后期運(yùn)行可靠性較高。

表2 矩形掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖方式

2.2 超大斷面管片吊裝、運(yùn)輸、安裝風(fēng)險(xiǎn)

目前已有2車(chē)道的施工案例，如鄭州市紅專(zhuān)路下穿中州大道隧道(斷面10.12 m×7.27 m)，天津黑牛城道下穿項(xiàng)目(斷面10.42 m×7.57 m)。3車(chē)道矩形頂管隧道方面，如浙江嘉興環(huán)城快速路項(xiàng)目(斷面14.9 m×9.46 m)，目前該項(xiàng)目已完成設(shè)計(jì)和招標(biāo)工作。超大斷面管片吊裝運(yùn)輸?shù)膯?wèn)題可通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)、分塊組裝的方式解決，即分塊運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)組裝[5]。預(yù)制管節(jié)分塊現(xiàn)場(chǎng)組裝示意如圖1所示，管節(jié)翻身如圖2所示。

2.3 長(zhǎng)距離掘進(jìn)軌跡精確控制風(fēng)險(xiǎn)

1) 長(zhǎng)距離掘進(jìn)軸線控制

采用UNS測(cè)量導(dǎo)向系統(tǒng)[6]和多維度位姿控制技術(shù)，為保證頂進(jìn)的測(cè)量精度，施工前對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)導(dǎo)線網(wǎng)與水準(zhǔn)網(wǎng)等進(jìn)行校核，對(duì)始發(fā)井和接收井坐標(biāo)及高程進(jìn)行聯(lián)測(cè)，以減少測(cè)量系統(tǒng)誤差。頂進(jìn)期間，利用UNS導(dǎo)向系統(tǒng)，隨時(shí)了解掘進(jìn)軌跡，發(fā)現(xiàn)誤差及時(shí)糾偏。其中，掘進(jìn)機(jī)標(biāo)靶測(cè)量[7]時(shí)，管內(nèi)控制測(cè)量采用支導(dǎo)線法、施工測(cè)量時(shí)觀測(cè)機(jī)頭標(biāo)靶的三維坐標(biāo)，對(duì)其水平偏差、垂直偏差及掘進(jìn)里程進(jìn)行復(fù)核。

(a) 管片分塊現(xiàn)場(chǎng)組裝

(b) 管片現(xiàn)場(chǎng)組裝成環(huán)

(a) 預(yù)制管節(jié)吊具

(b) 管節(jié)翻身架

管節(jié)軌跡偏移測(cè)量[8]時(shí)，在管節(jié)法蘭連接處，將水平尺兩端卡在管節(jié)上并保持水準(zhǔn)氣泡居中，觀測(cè)水平尺上反射片的十字絲得出三維坐標(biāo)(a,b,c)，根據(jù)坐標(biāo)反算可得測(cè)點(diǎn)處的里程S，依次推算出此里程處的設(shè)計(jì)值(X,Y,Z)，此里程的實(shí)際坐標(biāo)為(x,y,z)，其中：x=a,y=b,z=c+L-R，由實(shí)際值和理論值比較得出偏差值(ΔX,ΔY,ΔZ)。

2) 設(shè)備方面

通過(guò)調(diào)向系統(tǒng)的力位混合控制與雙螺旋輸送機(jī)協(xié)調(diào)出渣控制，保證姿態(tài)的穩(wěn)定。對(duì)于滾轉(zhuǎn)控制，盾殼上設(shè)計(jì)有水平傾角傳感器[9]，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)滾轉(zhuǎn)姿態(tài)，并設(shè)置報(bào)警系統(tǒng)。在前盾周圈預(yù)留壓漿口，通過(guò)注入泥漿進(jìn)行糾偏；每個(gè)刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)速度及方向均可調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)盾體滾轉(zhuǎn)糾偏。

2.4 長(zhǎng)距離掘進(jìn)頂力不足風(fēng)險(xiǎn)

1) 注漿減摩技術(shù)[10]

在盾構(gòu)頂管施工過(guò)程中，有效降低頂推力是保證工程順利實(shí)施的一個(gè)關(guān)鍵因素。降低頂進(jìn)摩擦阻力最有效的方法是向盾體及管節(jié)外壁注入觸變泥漿，形成完整的潤(rùn)滑漿套，將干摩擦滑動(dòng)變成濕潤(rùn)滑動(dòng)，從而降低頂進(jìn)時(shí)的摩擦阻力，其綜合摩擦阻力比沒(méi)有注潤(rùn)滑泥漿時(shí)低1/4～1/3。減摩泥漿系統(tǒng)分為同步注漿系統(tǒng)與補(bǔ)漿系統(tǒng)；同步注漿的目的是在設(shè)備掘進(jìn)的同時(shí)及時(shí)填充開(kāi)挖間隙形成泥漿套，要求邊掘進(jìn)、邊注漿，壓力控制在0.1 MPa～0.15 MPa左右。補(bǔ)漿時(shí)，一般從機(jī)頭往后壓，一環(huán)一環(huán)的進(jìn)行補(bǔ)壓漿，先開(kāi)后一環(huán)再關(guān)前一環(huán)，防止壓力過(guò)高擊穿泥漿套以及對(duì)閥門(mén)的破壞，壓力一般保持在0.1 MPa左右。

2) 中繼系統(tǒng)[11]

在減少摩擦力的同時(shí)，為了確保項(xiàng)目順利實(shí)施，還需配備中繼系統(tǒng)。頂進(jìn)過(guò)程中，先由若干個(gè)中繼間(中繼間間距根據(jù)頂力計(jì)算確定)按先后順序把管節(jié)向前推進(jìn)至油缸行程大小距離后，再由主頂油缸推進(jìn)最后一個(gè)區(qū)間的管節(jié)，這樣不斷地重復(fù)，一直到把管節(jié)從始發(fā)井頂?shù)浇邮站?。管?jié)貫通后，中繼間按先后順序拆除其內(nèi)部油缸后合龍。

2.5 淺覆土和周邊建(構(gòu))筑物沉降控制風(fēng)險(xiǎn)

控制沉降和保護(hù)周邊建(構(gòu))筑物[12]是盾構(gòu)頂管項(xiàng)目最關(guān)鍵的技術(shù)，因此在盾構(gòu)設(shè)計(jì)、制造[13]和施工工藝控制[14]上均須高度重視。

1) 采用多刀盤(pán)低擾動(dòng)開(kāi)挖系統(tǒng)[15]

該開(kāi)挖系統(tǒng)由于多刀盤(pán)直徑較小，因此刀盤(pán)開(kāi)挖邊緣線速度較小，即對(duì)上部土層擾動(dòng)?。涣硗?，由于多刀盤(pán)在切削時(shí)，各個(gè)刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)方向不一致，使掌子面受力相互抵消。此外，根據(jù)土拱效應(yīng)分析，單刀盤(pán)形成的土拱區(qū)域面積較大，容易造成土體沉降，因此對(duì)覆土要求高；而多刀盤(pán)由于刀盤(pán)直徑較小，會(huì)形成多個(gè)小的聯(lián)拱，因此能夠更好地實(shí)現(xiàn)超淺覆土及超小間距施工。

同時(shí)，多刀盤(pán)開(kāi)挖將攪拌扭矩分散到多個(gè)小刀盤(pán)上，攪拌能力更強(qiáng)，所以矩形頂管機(jī)更能適應(yīng)滿倉(cāng)掘進(jìn)，對(duì)開(kāi)挖掌子面頂部形成有效支撐，能更好地控制沉降。多刀盤(pán)低擾動(dòng)開(kāi)挖系統(tǒng)工作示意如圖3所示。

圖3 不同開(kāi)挖斷面刀盤(pán)速度分析

2) 合理設(shè)計(jì)矩形頂管盾體結(jié)構(gòu)[16]

矩形掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)開(kāi)挖尺寸與前盾尺寸相同，開(kāi)挖無(wú)間隙，且在環(huán)周焊有盾體切刀及切口耐磨層。前盾殼體與尾盾殼體齊平，尾盾殼體外徑要比管節(jié)外徑單邊大10 mm，但該間隙將及時(shí)注入減摩泥漿形成支撐，因此結(jié)構(gòu)上沒(méi)有形成沉降的物理空間。盾體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4矩形頂管盾體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Fig.4 Structural design of rectangular pipe jacking shield

3 工程應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目概況

鄭州市紅專(zhuān)路下穿中州大道隧道工程起始端位于紅專(zhuān)路與姚寨路交叉路口，起始點(diǎn)位于紅專(zhuān)路道路中心線，沿紅專(zhuān)路向東，下穿中州大道，終點(diǎn)位于金匯西街與龍湖外環(huán)路交叉口處，工程全長(zhǎng)801.263 m，其中頂管段長(zhǎng)度105 m。隧道平面布置如圖5所示。

下穿隧道為4條平行隧道，2條機(jī)動(dòng)車(chē)道、2條人行通道，頂管段設(shè)計(jì)長(zhǎng)度105 m，覆土3.2 m～4 m，機(jī)動(dòng)車(chē)道斷面尺寸10.12 m×7.27 m，人行通道斷面尺寸7.52 m×5.42 m。隧道橫斷面布置如圖6所示。

圖5 紅專(zhuān)路下穿中州大道隧道平面示意

3.2 地質(zhì)概況

工程場(chǎng)址位于鄭州市區(qū)東北部，所處地貌單元為黃河沖積平原，地面高程85.3 m～94.74 m。土體主要為雜填土(地面下約2.5 m)、第四系全新統(tǒng)(Q4)粉土、粉質(zhì)粘土、粉砂及細(xì)砂。

3.3 項(xiàng)目難點(diǎn)

隧道斷面大(10.12 m×7.27 m)、距離長(zhǎng)(105 m)、隧道間距小(最小間距1 m)、覆土淺(最大覆土厚度3 m)，頂管施工難度大。

3.4 采取的措施

本項(xiàng)目施工中采取的先進(jìn)技術(shù)和措施包括：多刀盤(pán)低擾動(dòng)開(kāi)挖系統(tǒng)；UNS測(cè)量導(dǎo)向系統(tǒng)和多維度位姿控制技術(shù)；矩形頂管盾體結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)(尾盾殼體外徑要比管節(jié)外徑單邊大10 mm)；注漿減摩技術(shù)。隧道施工現(xiàn)狀如圖7所示。

(a) 始發(fā)

(b) 掘進(jìn)

(c) 換管節(jié)

(d) 螺機(jī)出渣

(e) 地面出渣

(f) 出洞

圖7紅專(zhuān)路下穿中州大道隧道工程施工圖片

Fig.7 Pictures of tunnel construction Hongzhuan
Road underpass Zhongzhou Avenue

3.5 實(shí)施效果

地表沉降一般控制在15 mm以內(nèi)，個(gè)別點(diǎn)位最大沉降為28.2 mm，無(wú)地表隆起；實(shí)測(cè)軸線最大高程偏差為+15 mm；最大水平偏差為+26 mm；管節(jié)接頭無(wú)滲水，工程實(shí)體各項(xiàng)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)范要求。隧道實(shí)施期間實(shí)測(cè)沉降曲線如圖8所示。

圖8 紅專(zhuān)路下穿中州大道隧道工程實(shí)測(cè)沉降曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

1) 主要從地表沉降、大件吊裝運(yùn)輸、掘進(jìn)軌跡及頂力控制、周邊建(構(gòu))筑物沉降控制等幾方面對(duì)大斷面類(lèi)矩形盾構(gòu)頂管工法的施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析，指出了相應(yīng)對(duì)策和控制手段，有助于設(shè)計(jì)和施工管理人員做好各類(lèi)針對(duì)性施工技術(shù)措施及設(shè)備加工措施，將施工風(fēng)險(xiǎn)降至最低。

2) 隨著矩形盾構(gòu)頂管隧道斷面和頂進(jìn)長(zhǎng)度的日漸增加，施工中摩阻力和頂力也隨之增加，長(zhǎng)距離掘進(jìn)軌跡及頂力控制、地面沉降控制難度均有所提高，因此，需在項(xiàng)目前期做好各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估并制定相應(yīng)對(duì)策，以減少施工風(fēng)險(xiǎn)。