大斷面矩形頂管在城市繁忙交通要道下長距離施工技術(shù)研究與應(yīng)用

黃志毅，曾憲鋒

（1. 廣東水電二局股份有限公司，廣東 廣州 511340；2. 粵水電軌道交通建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510610）

0 引言

近年來，隨著城市軌道交通、綜合管廊等建設(shè)快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化進(jìn)程帶來的交通和地下管線方面的壓力得到了有效的緩解。但與此同時(shí)，愈漸復(fù)雜的城市環(huán)境給軌道交通、綜合管廊等工程的建設(shè)帶來新的挑戰(zhàn)，施工技術(shù)要求越來越高［1］。傳統(tǒng)的明挖、暗挖工法雖然施工工藝成熟度高、工程成本小，但明挖法對周邊影響較大，在城市繁忙地段作業(yè)需對路面進(jìn)行圍蔽、疏解和管線遷改，極大影響路面交通；暗挖法雖可以避免交通疏解和管線遷改，但施工工期較長，在開挖過程中倘若地層不穩(wěn)定時(shí)極易發(fā)生坍塌事故，安全風(fēng)險(xiǎn)和社會(huì)影響極大［2］。頂管法作為一種非開挖工法，具有對周邊環(huán)境影響小、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)在上述工程中得到應(yīng)用，特別是矩形頂管法因其在地下空間占用、隧道埋深和空間利用率上的突出優(yōu)勢，在地鐵車站出入口、綜合管廊、市政隧道和過街通道等的建設(shè)中應(yīng)用越來越多。

廣州市軌道交通鐘村站 I 號(hào)出入口設(shè)置在車站東南側(cè)，橫穿漢溪大道。由于出入口通道需穿越交通繁忙的交通要道，采用頂管法施工。本文結(jié)合鐘村站 I 號(hào)出入口頂管通道的施工，介紹大斷面矩形頂管在城市繁忙交通要道下長距離施工存在的技術(shù)難點(diǎn)和解決措施，以期為類似頂管工程施工提供參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

廣州市軌道交通工程鐘村站設(shè)有 I 號(hào)、Ⅱ 號(hào) 2 個(gè)出入口，I 號(hào)出入口設(shè)置在車站東南側(cè)，橫穿漢溪大道，設(shè)有 Ia、Ib分出入口，均為地下一層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，底板埋深約 9.6 m。Ia與 Ib之間的通道長 84 m，坡度 0.3 %，斷面尺寸為 6.0 m×4.3 m，管節(jié)厚度 0.5 m，頂部平均覆土厚度約 4 m，采用土壓平衡矩形頂管機(jī)施工。

1.2 頂管通道周邊環(huán)境

通道地表為約 50 m 寬漢溪大道，交通非常繁忙，是通往廣州南站的主要交通干線。通道需穿越地下管線主要有：φ150 煤氣管，埋深 1.63 m，φ1200 雨、污水管（距離頂管隧道最小凈距 0.45 m），鐘村鎮(zhèn)自來水主要高壓給水管，以及多處埋深不一的電力管道，埋深 0.2～1.0 m，對土體沉降、隧道軸線偏差要求較高。

1.3 工程水文地質(zhì)情況

根據(jù)地質(zhì)詳細(xì)勘察資料，頂管通道沿線穿越的地層主要為<4N-2>沖-洪積粉質(zhì)黏土層、<4-2 B>河湖相沉積淤泥質(zhì)土層和<3-2>沖-洪積中粗砂層，底部地質(zhì)主要為殘積硬塑砂質(zhì)黏土，頂部地質(zhì)主要為人工回填土。頂管通道所在地初見水位標(biāo)高為 9.80～15.57 m，穩(wěn)定水位標(biāo)高為 7.60～14.98 m，水位在地面以下 2～2.4 m 處，主要分布在海陸交互相沉積砂層、沖洪積砂層中。地下水位的變化與地下水的賦存、補(bǔ)給及排泄關(guān)系密切，每年 5～10 月為雨季，大氣降雨充沛，水位會(huì)明顯上升，而在冬季因降水減少，地下水位隨之下降。

2 繁忙交通要道下大斷面矩形頂管長距離施工技術(shù)研究

2.1 矩形頂管長距離施工防背土技術(shù)研究

矩形頂管機(jī)法是一種類似于盾構(gòu)法的地下工程非開挖方法，借助頂推設(shè)備（液壓千斤頂）將管節(jié)頂入由頂管機(jī)刀盤切削穿越土層形成的空間中構(gòu)筑成襯砌的施工方法，頂進(jìn)力主要由掌子面阻力和管壁摩擦阻力組成。由于矩形頂管機(jī)機(jī)頭、管節(jié)與土體接觸面積大、土體自穩(wěn)性較圓形斷面差，在管壁摩擦阻力的帶動(dòng)下，頂管機(jī)上方土體會(huì)跟隨向前移動(dòng)，易在頂部形成背土現(xiàn)象，特別是對于大斷面長距離矩形頂管頂進(jìn)，管壁摩擦阻力占了總頂進(jìn)力的絕大部分，頂部背土現(xiàn)象更為嚴(yán)重。國內(nèi)諸多學(xué)者、工程技術(shù)人員等對頂管背土進(jìn)行了大量研究，余彬泉等［3］最早將頂管背土概念引入國內(nèi)；唐培文、豆小天等［4—7］在工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上對頂管背土及減阻技術(shù)進(jìn)行了深入研究?，F(xiàn)有的頂管背土處理措施通常采用在頂管機(jī)和管節(jié)四周注入觸變泥漿，在頂管機(jī)機(jī)體外殼及管節(jié)外壁形成泥漿套以減少頂管機(jī)、管節(jié)與土體的摩擦阻力。根據(jù)實(shí)際工程實(shí)踐，采用觸變泥漿套雖可以減少頂管與上部土體間的摩擦阻力，但受地質(zhì)條件和現(xiàn)場頂管施工水平影響較大，不可避免地出現(xiàn)頂管背土現(xiàn)象，影響頂管正常頂進(jìn)。

為確保頂管安全順利長距離下穿交通繁忙的漢溪大道，降低對周邊環(huán)境的影響，采用觸變泥漿注漿減阻防背土的方法，通過設(shè)置在頂管機(jī)機(jī)頭和管節(jié)四周的相應(yīng)數(shù)量注漿孔往周邊注入配置好的觸變泥漿。同時(shí)為達(dá)到更好的防背土效果，改進(jìn)泥漿注入結(jié)構(gòu)和注入方式，即在頂管機(jī)機(jī)頭頂部設(shè)置注漿孔頂部一定厚度的鋼板，焊縫在注漿口位置斷開，使注漿方向與掘進(jìn)方向平行，漿液通過注漿孔和焊縫斷開位置往頂管掘進(jìn)相反方向高速注入，漿液噴射形成一個(gè)長的切割面直接沖刷頂管機(jī)上部積土，降低土體粘結(jié)性；同時(shí)使得矩形頂管及機(jī)體及管節(jié)外壁在觸變泥漿的包裹下形成完整的減摩漿液薄膜，處于潤滑狀態(tài)，減少頂管機(jī)、管節(jié)與土體間的摩擦阻力，確保矩形頂管掘進(jìn)機(jī)作業(yè)正常進(jìn)行，如圖 1 所示。

圖1 頂管機(jī)機(jī)頭頂部注漿孔布置及注漿示意圖

觸變泥漿由膨潤土、水和摻合劑（純堿、CMC 等）按一定比例混合而成，配置時(shí)應(yīng)綜合考慮土體特性、預(yù)配置泥漿性能、注漿間隙、填充率等因素以及現(xiàn)場施工情況。注漿時(shí)分同步注漿和二次補(bǔ)漿，同步注漿應(yīng)按“先壓后頂，隨頂隨壓，及時(shí)補(bǔ)漿”的原則［8］進(jìn)行，以確保形成效果良好的泥漿套。頂管頂進(jìn)過程中要及時(shí)跟蹤二次補(bǔ)漿，以避免因泥漿失水、固結(jié)、摩擦脫落等破壞泥漿套的完整性。二次補(bǔ)壓漿按照“由上而下，由中間向兩端”的順序［7］進(jìn)行，補(bǔ)漿的次數(shù)和注漿量應(yīng)根據(jù)施工時(shí)的具體情況來確定。

泥漿用量主要取決于切削間隙大小及土質(zhì)特性，本工程中理論間隙每環(huán)注漿量為（4.34×6.04-4.3×6.0）×1.5=0.62 m3，由于泥漿的流失及地下水等作用，泥漿的實(shí)際用量要比理論大得多，一般可達(dá)理論值的 2～3 倍，考慮工程地質(zhì)主要以殘積土和沉積淤泥質(zhì)黏土層為主，漿液不易流失，故注漿量擬定理論值 1～1.5 倍為宜，即每環(huán)注漿量 0.62～0.93 m3，并應(yīng)根據(jù)實(shí)際頂進(jìn)和路面監(jiān)測情況等作適當(dāng)調(diào)整。

2.2 矩形頂管盲區(qū)開挖及輔助技術(shù)研究

不同于圓形頂管或圓形盾構(gòu)的單刀盤回轉(zhuǎn)全斷面開挖，矩形頂管斷面開挖要復(fù)雜得多［8］，除要滿足矩形斷面開挖覆蓋率需求的同時(shí)，還需考慮矩形開挖斷面的開挖穩(wěn)定性。由于開挖斷面為矩形，且多數(shù)矩形頂管機(jī)采用六刀盤形式，盡管刀盤設(shè)計(jì)再優(yōu)化，在開挖面仍存在一定的切削盲區(qū)。為確保矩形斷面開挖覆蓋率、減少切屑盲區(qū)范圍、提高盲區(qū)開挖效率，一般可采用多軸偏心刀盤設(shè)計(jì)、組合旋轉(zhuǎn)刀盤設(shè)計(jì)、類矩形斷面設(shè)計(jì)或增加其他輔助措施進(jìn)行解決，但是多軸偏心刀盤對周圍土體擾動(dòng)較大，不利于頂管姿態(tài)控制且設(shè)備運(yùn)行可靠性差；組合旋轉(zhuǎn)刀盤仍存在一定的開挖盲區(qū)，需要增加額外輔助措施對盲區(qū)進(jìn)行處理［9］；類矩形斷面設(shè)計(jì)會(huì)存在空間利用率減小、工程造價(jià)高的問題；盲區(qū)位置設(shè)置獨(dú)立的開挖裝置同樣不利于頂管機(jī)姿態(tài)控制，影響殼體邊緣鏟刀布置，設(shè)備運(yùn)行可靠性差。

針對矩形斷面已在開挖面形成開挖盲區(qū)，基于隧道空間利用率、設(shè)備制造及運(yùn)行穩(wěn)定性、工程造價(jià)、頂管機(jī)姿態(tài)控制要求高等方面的考慮，工程采用一臺(tái) 4 300 mm×6 000 mm 的土壓平衡矩形頂管機(jī)施工。該頂管機(jī)配置 3 個(gè)挖掘直徑為φ2 170 mm 的小刀盤和 3 個(gè)挖掘直徑為φ2 516 mm 的大刀盤，在頂管機(jī)殼體邊沿布滿鏟刀，刀盤開挖尺寸為 4 340 mm×6 040 mm，通過大小刀盤的前后疊加來減小盲區(qū)范圍。同時(shí)，為防止刀盤開挖盲區(qū)造成施工困擾，針對盲區(qū)部位在設(shè)備上設(shè)置了盲區(qū)導(dǎo)土開挖輔助裝置，通過改變盲區(qū)位置殼體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得盲區(qū)范圍被鏟刀切削的土體沿著盲區(qū)導(dǎo)土開挖裝置向貼臨的刀盤開挖區(qū)域移動(dòng)，導(dǎo)入刀盤開挖范圍，達(dá)到盲區(qū)開挖的目的。盲區(qū)部位導(dǎo)土開挖輔助裝置為由鋼板焊接在殼體內(nèi)壁形成三角椎體或組合楔形體結(jié)構(gòu)，主要設(shè)置在土倉內(nèi)頂部、下部及角部位盲區(qū)位置，如圖 2 和圖 3 所示。

圖2 頂管機(jī)盲區(qū)導(dǎo)土開挖輔助裝置正視及大樣圖

圖3 頂管機(jī)盲區(qū)導(dǎo)土開挖輔助裝置

針對頂管機(jī)對硬塑狀粉質(zhì)黏土層掘進(jìn)時(shí)盲區(qū)導(dǎo)土開挖輔助裝置阻力較大、總推力相對增大的情況，在土倉隔板內(nèi)壁上設(shè)置注漿孔，設(shè)置位置與開挖斷面盲區(qū)區(qū)域相對應(yīng)。當(dāng)在硬塑狀粉質(zhì)黏土層頂進(jìn)開挖時(shí)，通過設(shè)置好的注漿孔往土倉前方注入清水或泥漿，結(jié)合設(shè)置在土倉內(nèi)的盲區(qū)導(dǎo)土開挖負(fù)責(zé)裝置，在實(shí)現(xiàn)盲區(qū)開挖的同時(shí)，減少導(dǎo)土開挖輔助裝置阻力，進(jìn)而降低頂管機(jī)頂進(jìn)過程中的阻力。

2.3 矩形頂管機(jī)姿態(tài)控制及輔助糾偏技術(shù)研究

在矩形頂管施工過程中，由于土質(zhì)不均勻、地面超載、頂管機(jī)制造誤差、施工布置不合理或操作不當(dāng)?shù)确矫娴脑颍?0—11］，矩形頂管機(jī)容易出現(xiàn)軸線偏移和側(cè)向偏轉(zhuǎn)，繼而帶動(dòng)頂管管節(jié)也跟隨偏移和扭轉(zhuǎn)，直接影響管節(jié)拼裝和通道成型質(zhì)量。尤其是側(cè)向偏轉(zhuǎn)得不到有效控制時(shí)，一旦頂管機(jī)和管節(jié)側(cè)向偏轉(zhuǎn)過大，將會(huì)影響到頂管機(jī)的正常掘進(jìn)，或?qū)е马敼軝C(jī)無法正常接收。因此，在矩形頂管頂進(jìn)過程中，需要及時(shí)對頂管機(jī)姿態(tài)進(jìn)行控制和糾偏。

考慮到頂管通道需在繁忙的交通要道下長距離頂進(jìn)穿過，穿越和上覆地層主要為沖-洪積粉質(zhì)黏土層、河湖相沉積淤泥質(zhì)土層等軟弱地層，頂管施工對土體沉降、隧道軸線偏差要求較高，因此在頂管機(jī)頂進(jìn)時(shí)需按設(shè)計(jì)軸線、坡度進(jìn)行，并根據(jù)自動(dòng)導(dǎo)向測量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測量數(shù)據(jù)，結(jié)合頂管機(jī)姿態(tài)的發(fā)展趨勢對頂管機(jī)軸線進(jìn)行控制，做到隨偏隨糾，及時(shí)將頂管機(jī)姿態(tài)調(diào)整到設(shè)計(jì)軸線偏差允許范圍。此外，糾偏過程中不能大糾猛糾，應(yīng)按照勤糾小糾的原則，盡量避免過度糾偏造成頂管機(jī)和管節(jié)偏轉(zhuǎn)。頂管機(jī)姿態(tài)調(diào)整可通過鉸接油缸、糾偏千斤頂綜合進(jìn)行，工程投入使用的矩形頂管機(jī)殼體采用鉸接進(jìn)行連接，設(shè)置了 12 個(gè)糾偏千斤頂，用于輔助掘進(jìn)姿態(tài)及方向控制，最大糾偏量上下可達(dá) 1.4°，左右可達(dá) 1.0°。當(dāng)頂進(jìn)過程中頂管機(jī)軸線偏移趨勢明顯，按正常頂進(jìn)設(shè)備糾偏無法達(dá)到理想狀態(tài)時(shí)，應(yīng)及時(shí)暫停或放緩頂進(jìn)速度，采取輔助軸線調(diào)整措施，如壓重或注漿等輔助措施。

對于矩形頂管機(jī)側(cè)向偏轉(zhuǎn)的糾偏，通?？衫酶淖冺敼軝C(jī)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)方向時(shí)產(chǎn)生的反向扭矩、調(diào)整觸變泥漿的注入位置抬升偏轉(zhuǎn)位置或通過頂管機(jī)單側(cè)壓重來實(shí)現(xiàn)糾偏。從實(shí)際糾偏效果看，采取改變刀盤旋轉(zhuǎn)方向糾偏的糾偏范圍相對較小，一般在 0～20 mm 范圍內(nèi)，且糾偏距離相對較長，當(dāng)前地鐵車站出入口通道、市政或過街通道長度設(shè)計(jì)一般在 50～100 m 左右，糾偏在一定程度上受通道長度限制；采用觸變泥漿注入糾偏的糾偏效果差，糾偏距離長，受隧道埋深、注漿參數(shù)影響較大，壓力過高會(huì)擊穿地表，壓力低則達(dá)不到糾偏效果。為此，采用了一種從頂管機(jī)頂部和下部定向泵送黏土［12］輔助頂管機(jī)自身糾偏系統(tǒng)的頂管機(jī)側(cè)向偏轉(zhuǎn)糾偏方法。

該方法主要通過在矩形頂管機(jī)側(cè)向偏轉(zhuǎn)方向地層定向泵送注入拌制好的黏土，經(jīng)加壓填充增強(qiáng)土體承載力，同時(shí)在頂管機(jī)殼體上作用于一個(gè)反向作用力或力偶，達(dá)到抬升和旋轉(zhuǎn)頂管機(jī)殼體實(shí)現(xiàn)輔助糾偏的目的，不僅可以滿足側(cè)向偏轉(zhuǎn)糾偏，還可以滿足頂管機(jī)軸線水平和垂直方向的糾偏，較其他糾偏方法糾偏效果更好，糾偏距離更短。在矩形頂管機(jī)頂部和底部各對稱設(shè)置兩個(gè)注入孔，作業(yè)時(shí)通過管路與頂管通道內(nèi)的黏土輸送泵相連。黏土可在現(xiàn)場或者頂管通道內(nèi)拌制而成，拌制過程中密切關(guān)注拌合物姿態(tài)，含砂率≤ 1 %，砂的細(xì)度模數(shù)以 1.6～2.2 為宜，平均粒徑在 0.25～0.35 mm 為宜，含砂量或粒徑過大，拌合物可泵送性低，且設(shè)備密封易損壞。

當(dāng)頂管機(jī)殼體發(fā)生側(cè)向偏轉(zhuǎn)，橫向高差超過 20 mm（見圖 4），且采取一般糾偏措施得不到有效改善時(shí)，開始施注，并結(jié)合鉸接、糾偏千斤頂?shù)却胧┻M(jìn)行頂管機(jī)姿態(tài)糾偏。沿掘進(jìn)方向，頂管機(jī)殼體順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，從右側(cè)往頂管機(jī)底部定向泵送注入拌制好的黏土，頂管機(jī)殼體逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)時(shí)則在左側(cè)定向注入。泵送作業(yè)可在頂管機(jī)停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行，也可在頂進(jìn)狀態(tài)下進(jìn)行。泵送注泥過程中，要特別注意泵送壓力和流量，泵送壓力控制在 0.5～1 MPa，并且土倉壓力要適當(dāng)增加 0.02 MPa，以減少黏土的流失。每注入 0.03 m3黏土或每掘進(jìn) 150 mm 測量一次掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)，每頂進(jìn)一環(huán)測量一次地表沉降，當(dāng)橫向高差值＜10 mm 時(shí)可停止注入。

圖4 矩形頂管機(jī)側(cè)向偏轉(zhuǎn)橫向高差及糾偏示意圖

3 結(jié)語

在廣州軌道交通七號(hào)線鐘村站 Ⅰ 號(hào)出入口通道橫穿交通繁忙的漢溪大道以及多條重要管線的施工中，通過對城市繁忙交通要道下大斷面矩形頂管長距離施工關(guān)鍵技術(shù)的研究、分析和總結(jié)，解決了大斷面矩形頂管機(jī)在不利地層長距離下穿繁忙交通要道施工中頂管機(jī)背土、盲區(qū)開挖、姿態(tài)控制和糾偏等一系列較為突出的工程技術(shù)難題，確保了頂管通道的安全順利貫通，未對路面交通和周邊環(huán)境造成不良影響，為后續(xù)類似矩形頂管工程施工提供參考。Q