土壓平衡矩形頂管機(jī)淺埋復(fù)合地層施工技術(shù)

張生林

(廣州軌道交通建設(shè)監(jiān)理有限公司)

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展，越來(lái)越多的城市交通擁堵凸現(xiàn)，如何解決市區(qū)交通擁堵?其中，減少地面過(guò)街人行道，改建過(guò)街人行天橋或地下過(guò)街人行通道是提高車(chē)流速度，緩解市區(qū)交通擁堵的有效途徑之一，而過(guò)街天橋影響城市市容，很多城市選擇修建淺埋地下過(guò)街通道。淺埋地下通道修建常受到復(fù)雜的周邊環(huán)境的影響，如：地下管線和地面繁忙的交通等影響。不開(kāi)挖路面，不封閉交通，不改遷管線，修建淺埋地下通道的需求增多，矩形頂管施工技術(shù)[1-5]和沉降控制技術(shù)[6-8]能滿足上述的需求。

根據(jù)土壓力的平衡方式不同，頂管施工工藝大致分為自然平衡式、機(jī)械平衡式、氣壓平衡式、泥水平衡式、土壓平衡式等施工工藝[9]，其中應(yīng)用最為廣泛的是泥水平衡式和土壓平衡式。泥水平衡頂管機(jī)均是建壓始發(fā)，而土壓平衡頂管機(jī)一般空倉(cāng)始發(fā)，切削加固體時(shí)才逐步建壓。本文結(jié)合工程實(shí)例介紹了土壓平衡矩形頂管機(jī)在未進(jìn)入加固體前在土倉(cāng)內(nèi)充滿牙膏狀膨潤(rùn)土建壓后始發(fā)，有效地控制了掌子面穩(wěn)定和地面沉降，避免了對(duì)地下管線的不利影響和對(duì)地面交通的影響。

1 概況

1.1 工程位置

廣州地鐵二、八號(hào)線同福西站位于洪德路與同福西路路口南側(cè)。車(chē)站沿洪德路南北向布置，為地下三層明暗挖結(jié)合車(chē)站。

洪德路為城市主干道，路中設(shè)內(nèi)環(huán)路高架橋，同福西路口設(shè)跨線橋，同福西路口北側(cè)為人民橋南岸匝道，交通繁忙。頂管下穿洪德路，其影響范圍內(nèi)主要有電信管溝、排水管、110kV 電纜、煤氣管、給水管等。

1.2 頂管通道

同福西站負(fù)一層站廳之間的通道位于洪德路下方，下穿洪德路立交及內(nèi)環(huán)路高架。1 號(hào)頂管通道33.83m，覆土5.9～6.0m；2 號(hào)頂管通道35.85m，覆土5.7～5.9m；3 號(hào)頂管通道30.88m，覆土5.7m。三條隧道，矩形頂管機(jī)均從左線站廳正交始發(fā)，右線站廳以85.57°斜交到達(dá)（見(jiàn)圖1）。

2 地質(zhì)

2.1 工程地質(zhì)

三條通道場(chǎng)地范圍內(nèi)各巖土分層（見(jiàn)圖2、圖3 和圖4）及其特征如下：

圖1 頂管通道和地下管線位置示意圖

圖2 1 號(hào)頂管橫通道地質(zhì)剖面圖

圖3 2 號(hào)頂管橫通道地質(zhì)剖面圖

圖4 3 號(hào)頂管橫通道地質(zhì)剖面圖

<5-2>硬塑狀粉質(zhì)粘土(Qel)：呈不規(guī)則層狀或透鏡體狀分布于全強(qiáng)風(fēng)化巖層頂部，厚0.60～3.10m。

<3-2>中粗砂層

2.2 水文地質(zhì)

本工程場(chǎng)地初見(jiàn)地下水位埋深0.70～4.20m，穩(wěn)定水位埋深1.90～3.60m。地下水位與季節(jié)、氣候、地下水賦存、補(bǔ)給及排泄有密切的關(guān)系，地下水與珠江水的水力聯(lián)系中等。

3 工程實(shí)施

3.1 端頭加固

始發(fā)端頭加固：5 排Ф600@450 雙管旋噴樁(寬2.4m)，通道外側(cè)加固寬不少于2m，樁底低于通道底面不小于2m。緊貼圍護(hù)結(jié)構(gòu)的一排旋噴樁插入HM500X300a 型鋼，深度從地面到加固體底，破除連續(xù)墻，頂管機(jī)就位后，拔出型鋼。

接收端頭加固：3 排Ф600@450 雙管旋噴樁（寬1.5m），通道外側(cè)加固寬不少于2m，樁底低于通道底面不小于2m。

反力架后靠區(qū)土體加固：3 排Ф600@450 雙管旋噴樁，樁底低于通道底面不小于2m。

1 號(hào)橫通道端頭加固布置見(jiàn)圖5。

受前期場(chǎng)地制約，始發(fā)端頭加固僅完成旋噴樁施工，受上部立交橋影響，未插型鋼。

圖5 1 號(hào)橫通道端頭加固布置圖

為安全破除洞門(mén)，對(duì)始發(fā)端頭再處理：先地質(zhì)鉆引孔（考慮地連墻外側(cè)可能存在混凝土鼓包，先引孔，以保證鋼板樁施工順利、鋼板樁之間有效咬合及與地連墻緊貼），后做拉森鋼板樁（深12m、寬8m）（見(jiàn)圖6、圖7），在鋼板樁外側(cè)埋設(shè)袖閥管，待鋼板樁完成后注漿封堵鋼板樁與地連墻和土體之間的縫隙，防止洞門(mén)破除過(guò)程中涌水突泥。

圖6 拉森鋼板樁平面位置布置圖

圖7 鋼板樁施工照片

3.2 渣土改良

渣土改良是通過(guò)頂管機(jī)配置的專(zhuān)用裝置向刀盤(pán)面、土倉(cāng)或螺旋輸送機(jī)內(nèi)注入添加劑，利用刀盤(pán)的旋轉(zhuǎn)、土倉(cāng)攪拌裝置攪拌或螺旋輸送機(jī)旋轉(zhuǎn)使添加劑與土渣混合，其主要目的：①渣土呈流塑狀態(tài)；②渣土具有不透水性；③保土體穩(wěn)定性；④減小刀盤(pán)的動(dòng)力；⑤降低磨損；⑥防結(jié)泥餅等。添加劑主要有聚丙烯酰胺和膨潤(rùn)土，聚丙烯酰胺的功效：分離或中和粘性土中的陰陽(yáng)離子，降低其吸附性能，改善渣土的流動(dòng)性、潤(rùn)滑刀具等作用，據(jù)實(shí)驗(yàn)：1‰陰離子聚丙烯酰胺溶液按土體比重5%添加，做泥效果最佳，見(jiàn)圖8。嚴(yán)格按配合比對(duì)渣土進(jìn)行改良，專(zhuān)人放料、精確計(jì)量。

圖8 渣土改良效果照片

3.3 上軟下硬段處理

3 號(hào)通道30.88m，覆土5.7m，掘進(jìn)（刀盤(pán)位置）至6.5m 時(shí)，再掘進(jìn)100mm，機(jī)頭抬高了3mm，油缸頂力達(dá)到1800t，反力架松動(dòng)，取芯揭示該處地質(zhì)突變，圖示為淤泥質(zhì)土，實(shí)際為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖（25MPa），侵入洞身高約1m，呈上軟下硬情況，需對(duì)該段處理，才能確保頂管機(jī)安全順利出洞。

3.3.1 場(chǎng)地準(zhǔn)備

對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行圍蔽。

3.3.2 管線探查

放線探槽位置，人工開(kāi)挖探槽，在頂管通道兩側(cè)各挖1 條寬1m、深2m 的槽，探明隧道頂部以上的管線，做好標(biāo)識(shí)。

3.3.3 地質(zhì)補(bǔ)勘

地質(zhì)補(bǔ)勘孔在隧道外側(cè)20cm，間距2m，沿隧道軸線布置，補(bǔ)勘揭示硬巖分布情況，為確定硬巖區(qū)的破碎范圍提供依據(jù)。

3.3.4 潛孔鉆機(jī)就位

采用帶調(diào)平支腿的潛孔鉆機(jī)（見(jiàn)表1），鉆機(jī)就位前對(duì)鉆孔位置測(cè)量定位，就位后精確調(diào)平，掛垂球及水平尺檢查鉆桿垂直度，確保鉆機(jī)各支腿穩(wěn)固，避免振動(dòng)影響鉆孔質(zhì)量。

表1 現(xiàn)場(chǎng)配套主要設(shè)備

3.3.5 密排鉆孔破碎

用Φ150mm 鉆頭對(duì)隧道洞身內(nèi)的硬巖密排鉆孔（見(jiàn)圖9），鉆桿垂直地面，深度為隧道底部以下800mm，孔距為300mm×300mm。

圖9 潛孔鉆機(jī)密排鉆孔破碎硬巖

管線位置，算好角度，斜孔破碎管線下方隧道洞身內(nèi)的硬巖。鉆孔時(shí)成排按順序施做，不跳孔，防止破碎不到位。

3.3.6 地層破碎效果檢查

根據(jù)孔位間距偏差、垂直度偏差、深度偏差來(lái)判斷地層破碎效果，偏差在-50mm～50mm 之間為合格。不合格區(qū)重新密排鉆孔，合格才鉆孔、安裝袖閥管、注漿。

3.3.7 袖閥管注漿

硬巖破碎后，對(duì)隧道頂部至地表的破碎地層注漿加固，注漿：Φ42mm 袖閥管，間距：600mm×600mm，深度：地表至隧道頂部。

3.4 頂管施工

3.4.1 頂管機(jī)始發(fā)（進(jìn)洞）

頂管機(jī)（見(jiàn)圖10）進(jìn)洞步驟：設(shè)備下井安裝、設(shè)備調(diào)試、鑿除洞門(mén)、安裝止水裝置、頂進(jìn)機(jī)頭至洞圈內(nèi)（距鋼板樁側(cè)100mm）、在土倉(cāng)內(nèi)注膨潤(rùn)土建壓（0.6bar）、拔出鋼板樁、切削加固土、機(jī)頭切削進(jìn)原狀土、正常掘進(jìn)。

圖10 矩形頂管機(jī)照片

3.4.2 頂管掘進(jìn)

掘進(jìn)速度：始發(fā)階段不宜過(guò)快，10mm/min 左右；正常施工階段，20mm/min 左右。

出土量：嚴(yán)格控制出土量，防止超挖或欠挖，正常出土量是理論出土量的98%～100%。

3.4.3 頂管機(jī)到達(dá)(出洞)

⑴接收井準(zhǔn)備

出洞前，先對(duì)洞門(mén)位置進(jìn)行測(cè)量確認(rèn)，據(jù)實(shí)際標(biāo)高安裝頂管機(jī)接收架，配備封洞門(mén)鋼板、補(bǔ)充注漿等材料。

⑵頂管機(jī)位置姿態(tài)復(fù)核

當(dāng)頂管機(jī)頭逐漸靠近接收井時(shí)，增加測(cè)量的頻率和精度，減小軸線偏差，以良好的姿態(tài)從預(yù)留的洞門(mén)圈內(nèi)出洞，見(jiàn)圖11。

⑶各施工參數(shù)的調(diào)整

在機(jī)頭距接收井6m 后，開(kāi)始停止機(jī)頭的壓漿，壓漿位置逐漸后移，保證頂管機(jī)在出洞前有6m 左右的完好土體，避免減摩泥漿大量流失而造成管節(jié)周邊摩阻力驟然上升。

圖11 頂管機(jī)出洞照片

在頂管機(jī)切口進(jìn)接收端加固區(qū)后適當(dāng)減慢掘進(jìn)速度，加大出土量，逐漸減小掘進(jìn)時(shí)機(jī)頭正面土壓力，避免洞口處結(jié)構(gòu)被擠裂。

⑷頂管機(jī)出洞

當(dāng)頂管機(jī)刀盤(pán)切口距接收端地下連續(xù)墻100mm 左右時(shí)，停止掘進(jìn)，鑿除洞門(mén)，迅速、連續(xù)頂進(jìn)管節(jié)，縮短出洞時(shí)間。出洞后，馬上用鋼板將管節(jié)與洞門(mén)圈預(yù)埋鋼板焊成整體（見(jiàn)圖12），向管節(jié)外側(cè)與洞門(mén)圈之間的間隙內(nèi)注漿，防止水土流失。

圖12 用鋼板將管節(jié)與洞門(mén)圈預(yù)埋鋼板焊接照片

3.5 地面沉降控制

連續(xù)均衡掘進(jìn)，避免長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)；根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整土壓力，達(dá)到最佳狀態(tài)；嚴(yán)控出土量，防止欠挖或超挖。嚴(yán)格監(jiān)測(cè)，一旦沉降異常，立即補(bǔ)漿、注泥等措施修正，掘進(jìn)結(jié)束后立即進(jìn)行二次補(bǔ)泥。

地面沉降及隆起控制值為(+10mm，-30mm)，預(yù)警值為（+8mm，-24mm）。本項(xiàng)目頂管隧道掘完后，地面累計(jì)沉降值為5.3mm。

4 結(jié)論

淺埋矩形頂管隧道施工時(shí)需注意的幾個(gè)問(wèn)題：

⑴頂管機(jī)的選型，在覆土較薄、地下管線較多、地面沉降控制要求較高的頂管工程，選土壓平衡頂管機(jī)較好，不宜用泥水平衡頂管機(jī)，因覆土較薄，氣密性較差，泥漿易外溢地面，土倉(cāng)壓力難以保持，造成地面塌陷，影響地面道路交通或地下管線破裂，影響周邊居民生活，產(chǎn)生不良的社會(huì)影響。

⑵沿隧道軸線加密地質(zhì)鉆孔，探明上軟下硬地段等不同復(fù)合地層組段的范圍，對(duì)隧道范圍內(nèi)頂管機(jī)掘不動(dòng)的地層預(yù)處理，以提高頂管掘進(jìn)速度和頂管隧道質(zhì)量。

⑶頂管始發(fā)階段易發(fā)生止水帶處漏水漏沙，嚴(yán)重的造成地面塌陷或地下管線破裂。

⑷通過(guò)不同改良劑和配合比渣土改良試驗(yàn)選取較好的改良劑和配合比，改良的渣土的和易性和流動(dòng)性達(dá)到更好，防止結(jié)泥餅或滯排，降低停機(jī)的概率，提高掘進(jìn)速度和有效控制地面及地下管線的沉降。

⑸做好頂管斜交到達(dá)端頭加固和檢測(cè)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求才出洞，現(xiàn)場(chǎng)備足堵漏搶險(xiǎn)物資。否則，一旦漏水流沙不能及時(shí)控制，將引起地面塌陷或地下管線破裂。

通過(guò)對(duì)本項(xiàng)目淺埋矩形頂管隧道施工實(shí)例進(jìn)行剖析，為以后類(lèi)似工程提供借鑒。