大截面長距離泥水平衡矩形頂管施工技術(shù)研究*

胡小沖，張國強，葉建榮

(廣東省基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510620)

1 國內(nèi)矩形頂管發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)90年代以后，矩形頂管技術(shù)逐漸在我國得到應(yīng)用。1999年上海地鐵2號線陸家嘴車站5號出入口地下人行通道首次成功應(yīng)用了矩形頂管施工技術(shù)，斷面尺寸為3.8m×3.8m、頂進(jìn)長度約為62.25m，穿越了凈距僅為1.56m的延安東路南線引道段結(jié)構(gòu)底板；2006年上海軌道交通6號線浦電路站過街出入口通道截面尺寸6.24m×4.36m，頂進(jìn)長度為40.5m，管廊的頂面距離DN450污水管為1.07m；2017年蘇州城北路地下綜合管廊元和塘土壓平衡矩形頂管截面尺寸9.1m×5.5m，頂進(jìn)長度為233.6m。而本項目針對大截面長距離泥水平衡矩形頂管施工技術(shù)進(jìn)行研究，頂管與既有建(構(gòu))筑物的最小凈距0.72m，小于規(guī)范規(guī)定的1.0m，截面達(dá)7.7m×4.5m且一次頂進(jìn)長度226m，國內(nèi)尚未見有此類相關(guān)文獻(xiàn)及施工技術(shù)報道。

2 工程概況

廣花一級公路地下綜合管廊與道路快捷化改造配套工程(K0+000—K5+900)位于廣州市白云區(qū)廣花一路，主要施工內(nèi)容包括地下綜合管廊和道路快捷化改造兩部分。其中地下綜合管廊下穿機場高速平沙出口南側(cè)匝道段(K3+745—K4+137)和華南快速高架橋段(K3+143—K4+372)采用矩形泥水平衡頂管法施工，管廊截面尺寸為7 700mm×4 500mm，管壁厚度為600mm，管片采用工廠化預(yù)制、每節(jié)管長1.5m。分3段頂進(jìn)，頂進(jìn)長度分別為226m(1號頂管段)、169m(2號頂管段)和206m(3號頂管段)，管節(jié)覆土厚度8.7～10.1m，頂進(jìn)范圍地層主要為粉質(zhì)黏土和粗礫砂，地下水豐富。

3 施工條件分析

1號頂管段施工環(huán)境最為復(fù)雜，需從均禾涌、機場高架橋墩、機場高速平沙出口I匝道及DN1 350污水管下穿，頂管邊線與橋臺最小凈距為5.5m，頂管頂面與污水管最小凈距為0.72m。

2號頂管段下穿機場高速平沙出口K匝道和D2 200污水管，頂管頂面與污水管最小凈距為0.82m。機場高架下部構(gòu)造采用柱式橋墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)；DN1 350污水管采用鋼筋混凝土管，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長2m，承插式F形接頭，頂管法施工；D2 200污水管采用鋼管，頂管法施工。

3號頂管段(5號井—4號井)依次下穿嘉禾涌、華南快速、DN2 400西江引水鋼管。其中嘉禾涌涌底與頂管隧道頂板之間的凈距僅約0.5m，且涌底存在約1.5m厚的磚渣等回填物，不滿足頂管施工的覆土要求，需對河涌進(jìn)行清底壓蓋處理；隧道與華快高架橋橋墩之間的最小凈距為3.13m，與西江引水管道斜交角度為53°，豎向與西江引水管道之間的凈距約為1.0m。

綜合管廊與相鄰地下管線及地下構(gòu)筑物的最小凈距應(yīng)滿足GB50838—2015《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》。本項目綜合管廊與地下管線交叉垂直凈距分別為0.72m和0.82m，小于《城市綜合管廊工程規(guī)范》規(guī)定的1.0m，在這種地層和環(huán)境條件下，采用7.7m×4.5m矩形頂管一次頂進(jìn)長度226m，沒有類似的施工經(jīng)驗，現(xiàn)有的大截面泥水平衡頂管工藝無法滿足施工要求，需要研制新的泥水平衡頂進(jìn)工藝以解決施工中遇到的技術(shù)難題，確保工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量和施工安全，有效控制周邊的土體變形及建(構(gòu))筑物的沉降，縮短施工工期，節(jié)約施工成本。

4 重點施工技術(shù)研究

4.1 研制矩形頂管中繼間

4.1.1中繼間設(shè)計與加工

研發(fā)一種矩形頂管中繼間，該中繼間動力系統(tǒng)由40個50t液壓千斤頂組成，千斤頂行程為30cm。中繼間外包尺寸7 700mm×4 500mm，殼體采用40mm厚Q345鋼板，為增強中繼間整體剛度以滿足受力要求，在殼體內(nèi)設(shè)置30mm厚縱橫鋼板肋。中繼間分前、后2節(jié)，為承插式鉸接連接，接頭安裝2道橡膠止水圈進(jìn)行止水。

4.1.2中繼間安裝與使用

中繼間在安放時，第1只中繼間應(yīng)放在比較前面一些。因為掘進(jìn)機在推進(jìn)過程中推力會因土質(zhì)條件變化而有較大變化。所以，當(dāng)總推力達(dá)到中繼間總推力40%～60%時，就應(yīng)安放第1只中繼間，以后每當(dāng)達(dá)到中繼間總推力的70%～80%時，安放1只中繼間。而當(dāng)主頂油缸達(dá)到中繼間總推力的90%時，就必須啟用中繼間。中繼間設(shè)計允許轉(zhuǎn)角1°，每道中繼間安裝1套行程傳感器及限位開關(guān)。中繼間在管道上的分段安放位置，可通過頂進(jìn)阻力計算確定。

為減少中繼間接力頂進(jìn)的時間損耗，提高頂進(jìn)速度，將每個中繼間通過傳感器及數(shù)據(jù)線統(tǒng)一連接至程控室，自前向后對中繼間進(jìn)行連續(xù)編號識別，并建立PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)對中繼間的遠(yuǎn)程操控，控制系統(tǒng)主界面可實時反映每個中繼間的千斤頂行程、油壓等數(shù)據(jù)。

當(dāng)主頂系統(tǒng)頂推力達(dá)到允許值后，優(yōu)先試啟動最后方的中繼間，根據(jù)主界面反映出的油壓數(shù)據(jù)，判斷其是否具備頂推前方管道前進(jìn)的能力，若不具備，立即停止該中繼間的啟動，再試啟動倒數(shù)第2個中繼間，直至試啟動的中繼間具備頂推其前方管道前進(jìn)的能力，則利用此處中繼間進(jìn)行接力頂進(jìn)，而其前方的中繼間可暫不啟動，如此可最大限度減少中繼間接力啟動的數(shù)量。

通過中繼間遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，對大截面長距離矩形頂管中各中繼間的啟動工作均在程控室統(tǒng)一執(zhí)行，主界面實時反映各中繼間的姿態(tài)信息，能有效消除傳統(tǒng)單點啟動中繼間所引起的溝通不暢、操作失誤等問題，使得中繼間接力頂進(jìn)連續(xù)順暢，提高頂管頂進(jìn)效率。

4.2 矩形頂管機改造

根據(jù)依托項目頂管隧道主要位于中粗砂層的情況，為避免砂粒堆積在機頭前方底部，造成機頭被動抬升，經(jīng)項目研究主要采取兩種應(yīng)對措施：一是常規(guī)措施，即頂進(jìn)過程中嚴(yán)格控制進(jìn)漿濃度，根據(jù)模擬試驗要求達(dá)到25′以上；二是對既有頂管機進(jìn)行適應(yīng)性改造，在機頭前端底部增加4個高壓噴頭，發(fā)現(xiàn)砂粒堆積時，利用噴頭壓入高壓泥水，將堆積體沖散排出。

4.3 研制頂管自動糾偏系統(tǒng)

頂管掘進(jìn)機在頂進(jìn)過程中，通過10組糾偏千斤頂?shù)牟煌炜s量，控制頂管掘進(jìn)機的走勢，使到頂管掘進(jìn)機前后段相對產(chǎn)生一定的角度來實現(xiàn)糾偏。頂管掘進(jìn)機頂進(jìn)過程中的姿態(tài)如：頂管掘進(jìn)機相對于管線是往上仰或下俯的趨勢、扭轉(zhuǎn)等，是通過安裝在頂管掘進(jìn)機前段的“雙向角度傳感器”來感知。在頂進(jìn)前，將頂管掘進(jìn)機放置在導(dǎo)軌上，然后對角度傳感器顯示儀調(diào)零，此時頂管掘進(jìn)機的角度傳感器的角度為零。頂管掘進(jìn)機頂進(jìn)過程中，角度傳感器測量出頂管掘進(jìn)機的前后傾角和頂管掘進(jìn)機的旋轉(zhuǎn)度。假如頂進(jìn)過程中機頭上仰，角度增大0.2°，基本上可以判斷出掘進(jìn)機有向上的趨勢，可以頂出上部的糾偏千斤頂，讓傾斜角度回到0°左右。反之亦然，可以通過頂出下部糾偏千斤頂讓傾斜角度回到0°左右。在這個過程中，激光點在光靶上移動不大，通過角度傳感器顯示儀的數(shù)字變化(見圖1)，可知頂管掘進(jìn)機即將發(fā)生偏差的趨勢。

圖1 傾斜-扭轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)傳輸顯示

當(dāng)機頭扭轉(zhuǎn)時，扭轉(zhuǎn)角度顯示儀數(shù)據(jù)發(fā)生變化，可以調(diào)整刀盤轉(zhuǎn)動方向來控制機頭的扭轉(zhuǎn)。刀盤轉(zhuǎn)動方向與機頭扭轉(zhuǎn)方向一致，刀盤轉(zhuǎn)動時，機頭產(chǎn)生一個與轉(zhuǎn)動方向相反的扭矩，機頭在扭矩作用下慢慢回轉(zhuǎn)，當(dāng)然回轉(zhuǎn)過程可能很長時間，也可能不能回轉(zhuǎn)過來，但可以控制機頭扭轉(zhuǎn)趨勢。如能隨時掌握頂管掘進(jìn)機的偏差趨勢，就能夠在偏差出現(xiàn)之前提前控制。所以在頂進(jìn)過程中更需注意角度傳感器顯示儀的變化，才能夠保證高精度頂進(jìn)。

4.4 優(yōu)化觸變泥漿配合比

大截面長距離矩形頂管施工中，降低頂進(jìn)阻力最有效的方法是進(jìn)行注漿。使管周外壁形成泥漿潤滑套，從而降低頂進(jìn)時的摩阻力。其中壓漿設(shè)備對長距離頂管的漿液供應(yīng)能力會影響壓漿質(zhì)量。依托項目頂管一次頂進(jìn)長度226m，設(shè)置了2臺壓漿機，1臺BW-250專供管道最前50m觸變泥漿管，頂進(jìn)過程不間斷壓漿，另一臺BW-150供其他管節(jié)注漿，頂進(jìn)過程不間斷補漿。

壓漿方式以同步注漿為主，補漿為輔，先注后頂，隨頂隨注，及時補漿。在頂進(jìn)過程中，要經(jīng)常檢查各推進(jìn)段的漿液形成情況。在停止頂進(jìn)前以及開始頂進(jìn)前應(yīng)進(jìn)行觸變泥漿補漿處理，減少再次頂進(jìn)起動的初始頂力。壓漿壓力應(yīng)比地下水高20～40kPa，壓力不應(yīng)過大，避免擊穿地面影響注漿效果。觸變泥漿密度應(yīng)控制在1.10～1.16g/cm3，黏度控制在30～35s，pH值<10，失水量<25ml/30min，穩(wěn)定性要求靜置24h無離析。

長距離頂管中的潤滑減阻問題直接關(guān)系到頂管工程的成敗。在依托項目矩形頂管中，土層變化復(fù)雜、距離長，單一性能的觸變泥漿已經(jīng)無法滿足要求。根據(jù)進(jìn)入不同土層段，觸變泥漿的性能要作適當(dāng)調(diào)整。在積淤泥、淤泥質(zhì)土段，頂管覆土容易隆起；在粉砂、細(xì)砂、中砂及礫砂段，泥漿容易流失，地面發(fā)生沉降。對該項目中土層的實際頂管施工進(jìn)行研究，結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益，給今后各類非開挖泥水平衡頂管施工提供指導(dǎo)意義。

4.5 頂進(jìn)力監(jiān)測

在臨近頂管機工具頭的管片、中繼間前一節(jié)或后一節(jié)管片中預(yù)埋混凝土應(yīng)力計，每節(jié)管片左右對稱布置，在頂進(jìn)過程中實時測量上述斷面的管節(jié)軸力，據(jù)此得到頂管端阻力和兩個測量斷面之間的側(cè)摩阻力。當(dāng)測量計算得出的阻力數(shù)據(jù)與預(yù)測值偏差較大時，及時調(diào)整頂進(jìn)速度、進(jìn)排漿流量、觸變泥漿注漿壓力等參數(shù)。根據(jù)中繼間附近管片軸力數(shù)據(jù)，能夠有針對性地啟動中繼間，在盡可能保持頂進(jìn)工效的前提下，有效降低主頂總推力。1號頂管段頂進(jìn)距離與預(yù)力關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 1號頂管段頂進(jìn)距離與頂力關(guān)系曲線

通過圖2可以發(fā)現(xiàn)，始發(fā)與接收破洞門時因需要破除加固體及素混凝土墻，頂力會快速上升，在破除加固體與素墻后頂力驟降至正常頂進(jìn)水平。在正常頂進(jìn)過程中，頂力與頂進(jìn)距離會隨注漿、地質(zhì)等情況不同而有所波動，但基本近似于線性增加。

5 結(jié)語

通過研究成果的應(yīng)用，成功實現(xiàn)本項目3段矩形頂管隧道的順利貫通，填補了一次頂進(jìn)200m以上大截面長距離泥水平衡矩形頂管施工的空白。在城市中進(jìn)行綜合管廊、地下通道、地鐵出入口等建設(shè)，由于既有地面建(構(gòu))筑物、地下管線及現(xiàn)狀交通的影響，明挖法施工受到越來越多的制約，大截面矩形頂管工藝受到越來越多人的青睞，對于地下水豐富、砂層較厚的地區(qū)，泥水平衡矩形頂管能夠更好地控制地面沉降，確?，F(xiàn)狀建(構(gòu))筑物、地下管線及市政道路的安全，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。