軟土地區(qū)地鐵出入口矩形頂管法施工技術(shù)探討

崔艷濤

摘 要：天津地鐵紅旗南路站新建 B 號(hào)出入口采用矩形頂管法施工，以驗(yàn)證在天津地區(qū)富含地下水的軟土地質(zhì)條件下，采用大斷面矩形頂管設(shè)備穿越復(fù)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(diǎn)問(wèn)題，以及施工過(guò)程中出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題進(jìn)行闡述并提出相應(yīng)的技術(shù)措施，以期為后續(xù)地鐵新線建設(shè)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：地鐵;出入口;軟土;矩形頂管;施工技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：U231+.3

1 工程簡(jiǎn)介

天津地鐵紅旗南路站新建B號(hào)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(shè)計(jì)為高3.3m、寬6m。頂管頂進(jìn)空間土體為地面以下4.4～9m范圍，頂進(jìn)土體主要為：③1粉質(zhì)黏土、④1粉質(zhì)黏土、④2粉土。場(chǎng)地內(nèi)表層地下水為第四系孔隙潛水，勘測(cè)期間水位埋深1.2～3.0m，施工范圍內(nèi)土質(zhì)較軟且水位埋深較淺。經(jīng)技術(shù)調(diào)研后，選定土壓平衡式矩形頂管機(jī)實(shí)施本工程，頂管機(jī)外徑尺寸為高4.3m、寬7m、長(zhǎng)5.4m，配備的6個(gè)刀盤(pán)上下錯(cuò)開(kāi)（圖1），切削效率為90%，配套管節(jié)每節(jié)長(zhǎng)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(diǎn)及技術(shù)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(chē)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(shù)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(chē)道。

（2）結(jié)合頂管施工工藝特點(diǎn)，盡最大可能縮小接收井結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)施工區(qū)域。

2.2 市政管線

頂管機(jī)穿越的市政管線較多且覆土較深，周邊無(wú)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(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容，采取技術(shù)措施如下。

（1）詳細(xì)調(diào)查各市政管線資料并現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核，包括管徑、材質(zhì)、埋深、壓力、井位、使用情況，對(duì)覆土較深、距頂管距離最近雨、污水管道，采取潛水員下井實(shí)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(shè)多排監(jiān)測(cè)點(diǎn)，提取初始值，在頂管穿越期間安排施工方加密監(jiān)測(cè)，并聘用第三方監(jiān)測(cè)單位獨(dú)立測(cè)量，比對(duì)數(shù)據(jù)，保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，實(shí)時(shí)反饋并調(diào)整頂管推進(jìn)各項(xiàng)參數(shù)。

2.3 施工場(chǎng)地

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

（1）縮小始發(fā)井結(jié)構(gòu)尺寸后，吊裝孔延頂管方向僅剩6.8m空間，不能滿足頂管機(jī)及相應(yīng)設(shè)備一次安裝到位的要求。為此，先安裝基座、后靠鋼板、頂管機(jī)、刀盤(pán)、螺旋輸送機(jī)，待圍護(hù)結(jié)構(gòu)洞門(mén)破除后，用臨時(shí)千斤頂空推頂管機(jī)至刀盤(pán)，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(jī)相應(yīng)設(shè)備的組裝調(diào)試。

（2）縮小接收井結(jié)構(gòu)尺寸后，吊裝孔延頂管方向僅剩3.7m空間，不能滿足頂管機(jī)一次進(jìn)洞后再分解吊出的要求。為此，在刀盤(pán)抵近圍護(hù)結(jié)構(gòu)后，拆除螺旋輸送機(jī)，并從始發(fā)井吊出;破除圍護(hù)結(jié)構(gòu)洞門(mén)，讓刀盤(pán)、頂管機(jī)前殼體先進(jìn)洞，之后拆除分解并吊出，再順序讓頂管機(jī)后殼體進(jìn)洞、吊出，最后完成頂管機(jī)組的進(jìn)洞與吊出。

（3）受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，始發(fā)井、接收井圍擋場(chǎng)地狹小，需合理布置施工場(chǎng)地。為此，除頂管施工必需的設(shè)備、材料、物資外，其余設(shè)備、材料、渣土等及時(shí)清場(chǎng)，減小周轉(zhuǎn)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(shí)外運(yùn)，同時(shí)保證現(xiàn)場(chǎng)安全文明施工。

2.4 地面沉降控制

2.4.1 土倉(cāng)壓力控制

本工程采用的土壓平衡式頂管機(jī)通過(guò)頂管機(jī)的土倉(cāng)壓力平衡開(kāi)挖面的土體壓力，頂管機(jī)土倉(cāng)壓力及開(kāi)挖面的穩(wěn)定情況能夠直接反映到刀盤(pán)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(jì)算土壓理論值P土：

初始設(shè)置土倉(cāng)壓力值P倉(cāng)可略高于土壓理論值P土，定為0.11～0.12 MPa，隨著頂進(jìn)的不斷進(jìn)行，土壓力值P土應(yīng)根據(jù)地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)情況進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。在施工控制土倉(cāng)壓力P倉(cāng)方面，采取以下措施。

（1）控制推進(jìn)速度以及調(diào)節(jié)螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速或閘門(mén)開(kāi)度。提高推進(jìn)速度、減小螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速或者減小閘門(mén)開(kāi)度均能達(dá)到增大土倉(cāng)壓力的效果，反之則可減小土倉(cāng)壓力。

（2）在土倉(cāng)內(nèi)注入渣土改良材料膨潤(rùn)土和聚丙烯酰胺，使頂管切削下來(lái)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(kāi)挖面穩(wěn)定及土倉(cāng)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(jìn)過(guò)程中，盡量精確統(tǒng)計(jì)每節(jié)的出土量，力爭(zhēng)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(yán)禁大于理論出土量。

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

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(jié)構(gòu)完成后，精準(zhǔn)測(cè)量始發(fā)井與接收井洞門(mén)軸線數(shù)據(jù)，修正結(jié)構(gòu)工程偏差，指導(dǎo)始發(fā)基座定位安裝，頂管機(jī)組裝到位后，復(fù)測(cè)軸線數(shù)據(jù)，明確頂管機(jī)自身始發(fā)姿態(tài);②由于頂管機(jī)機(jī)頭較重，頂管機(jī)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(yù)先在洞圈底部安裝2 道鐵枕，并將底部空隙回填密實(shí)，使頂管機(jī)在出洞階段不會(huì)產(chǎn)生“磕頭”現(xiàn)象;③始發(fā)階段頂管機(jī)刀盤(pán)切削的是全斷面的水泥加固土體，頂進(jìn)速度應(yīng)盡量放慢，此時(shí)可加入適量清水軟化和潤(rùn)滑加固土體，此階段土倉(cāng)壓力很難達(dá)到理論土壓值，進(jìn)入原狀土后，宜適當(dāng)提高頂進(jìn)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(jìn)姿態(tài)控制。①頂進(jìn)過(guò)程中通過(guò)管節(jié)預(yù)留孔向四周注入由膨潤(rùn)土、水和化學(xué)處理劑混合而成的觸變泥漿，填充頂進(jìn)時(shí)形成的建筑空隙，遵循“先壓后頂、隨頂隨壓、及時(shí)補(bǔ)漿”的原則，在管節(jié)四周形成泥漿套，減少頂進(jìn)阻力和土體擾動(dòng);②糾偏，矩形頂管對(duì)橫向水平要求較高，要密切注意頂進(jìn)軸線和機(jī)頭的轉(zhuǎn)角，機(jī)頭一旦出現(xiàn)微小轉(zhuǎn)角，應(yīng)立即糾正，可以調(diào)動(dòng)矩形頂管機(jī)內(nèi)前后節(jié)間的多個(gè)千斤頂實(shí)現(xiàn)糾偏，也可采取刀盤(pán)反轉(zhuǎn)、反側(cè)注漿、加壓鐵等措施糾偏。

（3）接收姿態(tài)控制。①當(dāng)頂管機(jī)頭逐漸靠近接收井時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)測(cè)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(jìn)洞;②頂進(jìn)至接收井加固土體后，應(yīng)減慢推進(jìn)速度，逐漸降低土倉(cāng)壓力;③頂進(jìn)至接收井圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，采用8號(hào)槽鋼對(duì)通道內(nèi)部管節(jié)進(jìn)行連接，使得多個(gè)管節(jié)形成一個(gè)整體，使其具有較好的穩(wěn)定性。

2.4.3 及時(shí)補(bǔ)注漿液

（1）頂進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)管節(jié)預(yù)留孔向四周及時(shí)注入觸變泥漿填充建筑空隙，通過(guò)計(jì)算設(shè)定每環(huán)管節(jié)泥漿注入量為2～3.4 m3。

（2）頂進(jìn)過(guò)程中，根據(jù)地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用少量多次的方式，通過(guò)頂管機(jī)及管節(jié)預(yù)留孔向管節(jié)四周及時(shí)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(jī)及管節(jié)

（1）頂進(jìn)施工前需檢查頂管機(jī)自身預(yù)留孔洞封堵?tīng)顩r、鉸接位置、螺旋機(jī)安裝密封、后殼體與管節(jié)間止水膠條，以及螺旋機(jī)閘門(mén)關(guān)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(shè)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(yù)留槽安裝橡膠止水條，第3道在工程結(jié)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(wù)必檢查合格。

2.5.2 頂管始發(fā)

（1）首先進(jìn)行洞門(mén)探水，確保水泥加固土體止水效果良好。在加固區(qū)兩側(cè)各設(shè)1口水位觀察井，預(yù)備好水泵，在必要時(shí)及時(shí)抽水減壓。

（2）在洞門(mén)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(yù)留注漿孔，頂進(jìn)過(guò)程中及時(shí)壓注惰性漿液，保證鋼箱內(nèi)惰性漿液始終處于充盈狀態(tài)。

（3）刀盤(pán)切削加固土體通常會(huì)加入膨潤(rùn)土或水，土倉(cāng)渣土含水量大，此時(shí)土倉(cāng)壓力不宜過(guò)大，以免渣土從螺旋機(jī)噴出。

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

2.5.3 頂管機(jī)接收

（1）同始發(fā)階段一樣，首先進(jìn)行洞門(mén)探水，確保水泥加固土體止水效果良好。在加固區(qū)兩側(cè)各設(shè)1口水位觀察井，預(yù)備好水泵，在必要時(shí)及時(shí)抽水減壓。

（2）刀盤(pán)抵近接收井圍護(hù)結(jié)構(gòu)后，需通過(guò)管節(jié)預(yù)留孔向四周及時(shí)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(jī)外壁進(jìn)入接收井。

（3）拆除螺旋機(jī)前，應(yīng)先通過(guò)觀察孔查看土倉(cāng)內(nèi)情況，螺旋機(jī)拆除后及時(shí)封閉。

（4）在接收井洞門(mén)鋼圈內(nèi)安裝2道止水鋼板，內(nèi)道止水鋼板高度應(yīng)略高于管節(jié)外壁10mm，在對(duì)應(yīng)每個(gè)三角撐的位置割開(kāi)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(mén)間隙中流失。

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

3 施工風(fēng)險(xiǎn)及對(duì)策

3.1 吊裝風(fēng)險(xiǎn)

（1）吊裝風(fēng)險(xiǎn)貫穿頂管施工整個(gè)過(guò)程，頂管機(jī)前殼體重約80t、后殼體重約40t，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況經(jīng)過(guò)多次論證后，為保險(xiǎn)起見(jiàn)，選用650t汽車(chē)吊吊裝頂管設(shè)備，但在頂管機(jī)前殼體吊裝翻身時(shí)，鋼絲繩出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，使用備用鋼絲繩完成后續(xù)吊裝。

（2）吊車(chē)站位地基承載力。吊車(chē)站位平臺(tái)采用間距300mm的單層鋼筋網(wǎng)片、厚300mm的C30混凝土澆筑而成，平臺(tái)下方土基是未處理的原狀土，地基承載力不足，造成施工過(guò)程中混凝土平臺(tái)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(fēng)險(xiǎn)。為此，加鋪厚40mm鋼板，并在吊裝過(guò)程中盡量遠(yuǎn)離圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

3.2 雨、污水管道漏水風(fēng)險(xiǎn)

本工程施工期間正值雨季，1000mm雨水、500mm污水管道內(nèi)水量大，管道年代久遠(yuǎn)，管道承插口周?chē)馏w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(nèi)積水、降低污水管內(nèi)水位，并在頂管穿越管道時(shí)保持土倉(cāng)壓力穩(wěn)定，并持續(xù)注入漿液。

4 結(jié)論

天津地鐵紅旗南路站新建B號(hào)出入口矩形頂管法施工的順利實(shí)施表明，本文針對(duì)矩形頂管法施工地鐵出入口工程中的重難點(diǎn)問(wèn)題，以及施工過(guò)程中出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題所提出的相應(yīng)技術(shù)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(shè)備穿越復(fù)雜市政管線及交通主干道路技術(shù)可行。

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收稿日期 2019-09-10

責(zé)任編輯 朱開(kāi)明