軟土地區(qū)地鐵出入口矩形頂管法施工技術探討

崔艷濤

摘 要：天津地鐵紅旗南路站新建 B 號出入口采用矩形頂管法施工，以驗證在天津地區(qū)富含地下水的軟土地質條件下，采用大斷面矩形頂管設備穿越復雜市政管線及交通主干道路的可行性。文章就該工程的重難點問題，以及施工過程中出現(xiàn)的風險問題進行闡述并提出相應的技術措施，以期為后續(xù)地鐵新線建設提供借鑒。

關鍵詞：地鐵;出入口;軟土;矩形頂管;施工技術

中圖分類號：U231+.3

1 工程簡介

天津地鐵紅旗南路站新建B號出入口位于紅旗南路，為滿足地鐵站出入口功能要求，通道凈空設計為高3.3m、寬6m。頂管頂進空間土體為地面以下4.4～9m范圍，頂進土體主要為：③1粉質黏土、④1粉質黏土、④2粉土。場地內表層地下水為第四系孔隙潛水，勘測期間水位埋深1.2～3.0m，施工范圍內土質較軟且水位埋深較淺。經技術調研后，選定土壓平衡式矩形頂管機實施本工程，頂管機外徑尺寸為高4.3m、寬7m、長5.4m，配備的6個刀盤上下錯開（圖1），切削效率為90%，配套管節(jié)每節(jié)長1.5m。頂管需穿越多條市政管線，其中雨、污水管距頂管分別為1.29m、0.45m。

2 工程重難點及技術措施

2.1 地面交通

工程所在地紅旗南路為市中環(huán)線，道路交通繁忙，車流量巨大，而接收井位于道路路中區(qū)域，工程施工期間必然干擾到交通的正常通行，采取技術措施如下。

（1）將紅旗南路交通中線向西平移，借用部分出市方向車道。

（2）結合頂管施工工藝特點，盡最大可能縮小接收井結構尺寸及圍擋面積。

（3）始發(fā)井、接收井加固區(qū)交替施工，先施作始發(fā)井加固區(qū)，再施作接收井加固區(qū)，完成后立即退回圍擋，最后僅圍閉接收井結構施工區(qū)域。

2.2 市政管線

頂管機穿越的市政管線較多且覆土較深，周邊無切改路由，是本次確定采用頂管法施行出入口通道的主要原因，也是頂管施工期間重點關注的內容，采取技術措施如下。

（1）詳細調查各市政管線資料并現(xiàn)場復核，包括管徑、材質、埋深、壓力、井位、使用情況，對覆土較深、距頂管距離最近雨、污水管道，采取潛水員下井實地探查的方式，修正資料數(shù)據(jù)偏差。

（2）在待穿越的各管線正上方布設多排監(jiān)測點，提取初始值，在頂管穿越期間安排施工方加密監(jiān)測，并聘用第三方監(jiān)測單位獨立測量，比對數(shù)據(jù)，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性，實時反饋并調整頂管推進各項參數(shù)。

2.3 施工場地

本工程頂管始發(fā)井設置于道路東側便道與賓館建筑物之間，接收井位于道路路中，為減小對交通、建筑的影響，需要盡可能縮小始發(fā)井、接收井的結構尺寸及圍擋面積。為保證工程的開展，采取以下技術措施。

（1）縮小始發(fā)井結構尺寸后，吊裝孔延頂管方向僅剩6.8m空間，不能滿足頂管機及相應設備一次安裝到位的要求。為此，先安裝基座、后靠鋼板、頂管機、刀盤、螺旋輸送機，待圍護結構洞門破除后，用臨時千斤頂空推頂管機至刀盤，抵近加固土體，再順序安裝環(huán)形頂鐵、千斤頂組，最后完成頂管機相應設備的組裝調試。

（2）縮小接收井結構尺寸后，吊裝孔延頂管方向僅剩3.7m空間，不能滿足頂管機一次進洞后再分解吊出的要求。為此，在刀盤抵近圍護結構后，拆除螺旋輸送機，并從始發(fā)井吊出;破除圍護結構洞門，讓刀盤、頂管機前殼體先進洞，之后拆除分解并吊出，再順序讓頂管機后殼體進洞、吊出，最后完成頂管機組的進洞與吊出。

（3）受現(xiàn)場條件限制，始發(fā)井、接收井圍擋場地狹小，需合理布置施工場地。為此，除頂管施工必需的設備、材料、物資外，其余設備、材料、渣土等及時清場，減小周轉材料存放量;頂管管節(jié)僅存放1天的用量，根據(jù)使用情況提前安排廠家發(fā)貨;渣土及時外運，同時保證現(xiàn)場安全文明施工。

2.4 地面沉降控制

2.4.1 土倉壓力控制

本工程采用的土壓平衡式頂管機通過頂管機的土倉壓力平衡開挖面的土體壓力，頂管機土倉壓力及開挖面的穩(wěn)定情況能夠直接反映到刀盤上方及前方地面沉降數(shù)據(jù)的變化中。本文采用Rankine土壓力理論公式（1）計算土壓理論值P土：

初始設置土倉壓力值P倉可略高于土壓理論值P土，定為0.11～0.12 MPa，隨著頂進的不斷進行，土壓力值P土應根據(jù)地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)情況進行相應調整。在施工控制土倉壓力P倉方面，采取以下措施。

（1）控制推進速度以及調節(jié)螺旋輸送機的轉速或閘門開度。提高推進速度、減小螺旋機轉速或者減小閘門開度均能達到增大土倉壓力的效果，反之則可減小土倉壓力。

（2）在土倉內注入渣土改良材料膨潤土和聚丙烯酰胺，使頂管切削下來的渣土具有良好的流塑性、合適的稠度、較低的透水性和較小的摩阻力，保持開挖面穩(wěn)定及土倉壓力分布均勻。

（3）控制出土量，每管節(jié)理論出土量為45.15m3，在頂進過程中，盡量精確統(tǒng)計每節(jié)的出土量，力爭使之與理論出土量保持一致，正常情況下出土量控制在理論出土量的98%～100%，嚴禁大于理論出土量。

（4）在始發(fā)井內洞門兩側各設置1道止退裝置，牢固焊接在始發(fā)基座上，所用型鋼應有足夠的剛度;控制好管節(jié)預留吊裝孔與止退裝置的位置關系，在管節(jié)頂進到位撤回千斤頂前，一定要確保止退裝置安裝牢固，必要時加裝鋼墊塊;安裝好管節(jié)、接通各種管路后，要先啟動千斤頂，給管節(jié)及頂管機一定的壓力并穩(wěn)定后，才能撤下止退裝置，然后正常頂進。

2.4.2 姿態(tài)控制

（1）始發(fā)姿態(tài)控制。①始發(fā)井、接收井結構完成后，精準測量始發(fā)井與接收井洞門軸線數(shù)據(jù)，修正結構工程偏差，指導始發(fā)基座定位安裝，頂管機組裝到位后，復測軸線數(shù)據(jù)，明確頂管機自身始發(fā)姿態(tài);②由于頂管機機頭較重，頂管機出洞后易發(fā)生“磕頭”現(xiàn)象，為此，將始發(fā)架延伸至洞口，預先在洞圈底部安裝2 道鐵枕，并將底部空隙回填密實，使頂管機在出洞階段不會產生“磕頭”現(xiàn)象;③始發(fā)階段頂管機刀盤切削的是全斷面的水泥加固土體，頂進速度應盡量放慢，此時可加入適量清水軟化和潤滑加固土體，此階段土倉壓力很難達到理論土壓值，進入原狀土后，宜適當提高頂進速度，把正面土壓力提升到稍大于理論土壓值，以避免發(fā)生“磕頭”現(xiàn)象。

（2）正常頂進姿態(tài)控制。①頂進過程中通過管節(jié)預留孔向四周注入由膨潤土、水和化學處理劑混合而成的觸變泥漿，填充頂進時形成的建筑空隙，遵循“先壓后頂、隨頂隨壓、及時補漿”的原則，在管節(jié)四周形成泥漿套，減少頂進阻力和土體擾動;②糾偏，矩形頂管對橫向水平要求較高，要密切注意頂進軸線和機頭的轉角，機頭一旦出現(xiàn)微小轉角，應立即糾正，可以調動矩形頂管機內前后節(jié)間的多個千斤頂實現(xiàn)糾偏，也可采取刀盤反轉、反側注漿、加壓鐵等措施糾偏。

（3）接收姿態(tài)控制。①當頂管機頭逐漸靠近接收井時，應適當加強測量的頻率和精度，采取糾偏措施，減小軸線偏差，以確保頂管能順利進洞;②頂進至接收井加固土體后，應減慢推進速度，逐漸降低土倉壓力;③頂進至接收井圍護結構時，采用8號槽鋼對通道內部管節(jié)進行連接，使得多個管節(jié)形成一個整體，使其具有較好的穩(wěn)定性。

2.4.3 及時補注漿液

（1）頂進過程中，通過管節(jié)預留孔向四周及時注入觸變泥漿填充建筑空隙，通過計算設定每環(huán)管節(jié)泥漿注入量為2～3.4 m3。

（2）頂進過程中，根據(jù)地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用少量多次的方式，通過頂管機及管節(jié)預留孔向管節(jié)四周及時注入高黏稠度的黃泥，以控制地面沉降，保證市政管線安全。

2.5 滲漏水控制

2.5.1 頂管機及管節(jié)

（1）頂進施工前需檢查頂管機自身預留孔洞封堵狀況、鉸接位置、螺旋機安裝密封、后殼體與管節(jié)間止水膠條，以及螺旋機閘門關閉的密封性。

（2）本工程管節(jié)厚500mm，采用“F”型承插式接頭，接頭處設3道防水，第1道為管片與鋼套環(huán)間形成的嵌縫槽，安裝聚氨脂密封膠，第2道為管片預留槽安裝橡膠止水條，第3道在工程結束后，管節(jié)間的縫隙采用聚硫密封膠嵌縫，每道止水措施務必檢查合格。

2.5.2 頂管始發(fā)

（1）首先進行洞門探水，確保水泥加固土體止水效果良好。在加固區(qū)兩側各設1口水位觀察井，預備好水泵，在必要時及時抽水減壓。

（2）在洞門安裝止水裝置，止水裝置采用2道橡膠簾布板+鋼翻板組成止水鋼箱，鋼箱中間位置預留注漿孔，頂進過程中及時壓注惰性漿液，保證鋼箱內惰性漿液始終處于充盈狀態(tài)。

（3）刀盤切削加固土體通常會加入膨潤土或水，土倉渣土含水量大，此時土倉壓力不宜過大，以免渣土從螺旋機噴出。

（4）刀盤抵近原狀土前，需通過管節(jié)預留孔向四周及時注入高黏稠度的黃泥，以阻隔水系前后貫通。

2.5.3 頂管機接收

（1）同始發(fā)階段一樣，首先進行洞門探水，確保水泥加固土體止水效果良好。在加固區(qū)兩側各設1口水位觀察井，預備好水泵，在必要時及時抽水減壓。

（2）刀盤抵近接收井圍護結構后，需通過管節(jié)預留孔向四周及時注入高黏稠度的黃泥，形成多環(huán)密封效果，以阻隔水系前后貫通，防止土壤中的水沿著頂管機外壁進入接收井。

（3）拆除螺旋機前，應先通過觀察孔查看土倉內情況，螺旋機拆除后及時封閉。

（4）在接收井洞門鋼圈內安裝2道止水鋼板，內道止水鋼板高度應略高于管節(jié)外壁10mm，在對應每個三角撐的位置割開10mm高的切口，2道止水鋼板間用海綿條填充并固定，防止泥漿或水從洞門間隙中流失。

（5）管節(jié)頂進到位后，清理洞口雜物，采用10mm鋼板沿環(huán)向滿焊封堵洞門，并在鋼板上預留注漿管。

3 施工風險及對策

3.1 吊裝風險

（1）吊裝風險貫穿頂管施工整個過程，頂管機前殼體重約80t、后殼體重約40t，結合現(xiàn)場實際情況經過多次論證后，為保險起見，選用650t汽車吊吊裝頂管設備，但在頂管機前殼體吊裝翻身時，鋼絲繩出現(xiàn)嚴重磨損，使用備用鋼絲繩完成后續(xù)吊裝。

（2）吊車站位地基承載力。吊車站位平臺采用間距300mm的單層鋼筋網片、厚300mm的C30混凝土澆筑而成，平臺下方土基是未處理的原狀土，地基承載力不足，造成施工過程中混凝土平臺出現(xiàn)裂縫及不均勻沉降，臨近的800mm灌注樁存在剪切破壞風險。為此，加鋪厚40mm鋼板，并在吊裝過程中盡量遠離圍護結構。

3.2 雨、污水管道漏水風險

本工程施工期間正值雨季，1000mm雨水、500mm污水管道內水量大，管道年代久遠，管道承插口周圍土體可能存在水泡現(xiàn)象，極易造成頂管姿態(tài)難以控制及涌水。為此，采取提前封堵雨水管道，不間斷抽空雨水管內積水、降低污水管內水位，并在頂管穿越管道時保持土倉壓力穩(wěn)定，并持續(xù)注入漿液。

4 結論

天津地鐵紅旗南路站新建B號出入口矩形頂管法施工的順利實施表明，本文針對矩形頂管法施工地鐵出入口工程中的重難點問題，以及施工過程中出現(xiàn)的風險問題所提出的相應技術措施可行有效;在富含地下水軟土地區(qū)，采用大斷面矩形頂管設備穿越復雜市政管線及交通主干道路技術可行。

參考文獻

[1]GB 50157-2013地鐵設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[2]GB 50446-2017盾構法隧道施工及驗收規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2017.

[3]DG/TJ 08-2049-2016頂管工程施工規(guī)程[S].上海：同濟大學出版社，2016.

[4] 葛春輝.頂管工程設計與施工[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[5]謝爾勒.頂管工程[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1983.

[6]朱瑤宏.類矩形盾構隧道工程技術研究[M]. 北京：人民交通出版社股份有限公司， 2018.

[7]葛金科.現(xiàn)代頂管施工技術及工程實例[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[8]潘永堅.軟土城市軌道交通勘察管理與實踐[M]. 四川成都：西南交通大學出版社，2015.

[9]魏汝龍.軟粘土的強度和變形[M].北京：人民交通出版社，1987.

[10] 高乃熙.頂管技術[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1984.

[11] 孫巍. 大斷面矩形盾構法隧道設計研究與實踐[M].? 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2017.

[12] 余彬全.頂管技術[M].北京：人民交通出版社股份有限公司，2018.

[13] 繆林昌.軟土力學特性與工程實踐[M]. 北京：科學出版社，2012.

[14] 吳紹升.軟土區(qū)地鐵深基坑研究與實踐[M].北京：中國鐵道出版社，2017.

[15] 韓選江.大型地下頂管施工技術原理及應用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[16] 王云江.城市軌道交通工程盾構施工與管理[M].北京：化學工業(yè)出版社，2013.

[17] 魏綱.頂管工程技術[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2011.

[18] 上海隧道工程股份有限公司《軟土地下工程施工技術》編寫小組.軟土地下工程施工技術[M].上海：華東理工大學出版社，2001.

[19] 武志國.頂管技術規(guī)程[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016.

[20] 杜東菊.天津濱海軟土[M].北京：科學出版社，2012.

[21] 朱嶸.長距離頂管施工過程中的關鍵控制技術研究[J].科技創(chuàng)新導報，2011（6）.

[22] 于聰.頂管法施工的特點和設計方法[J].內蒙古水利，2011（4）.

收稿日期 2019-09-10

責任編輯 朱開明