道路隧道工程鋼管幕超前支護施工技術

錢曉暉

（上海市道路運輸事業(yè)發(fā)展中心，上海市200023）

0 引 言

為了實現(xiàn)道路交通的快速轉換，在2 條快速路的交叉口處修建下穿隧道是常用交通結構形式。但下穿公路隧道開挖跨度大，結構和圍巖受力復雜，通常是設計、施工的難點[1-2]。道路隧道工程超前支護施工對保證隧道工程順利施工，提高隧道施工的安全性和可靠性方面具有重要的現(xiàn)實意義[3]。因此，施工單位需要加強對道路隧道施工超前支護施工技術的分析，做好施工前地質勘探工作，優(yōu)化超前支護施工工藝，加強質量控制，從而提高超前支護施工技術的應用水平。

1 工程概述

陸翔路—祁連山路貫通工程（Ⅱ標），位于上海市寶山區(qū)顧村鎮(zhèn)、大場鎮(zhèn)，呈南北走向，工程范圍南起朱家弄河，北至鏡泊湖路，路線總長為1.1 km。工程從南向北沿線經過S20 外環(huán)高速及顧村公園，其中頂管段下穿S20 外環(huán)高速，采用超前支護鋼管幕進行施工。

根據上海城市建設檔案館資料，S20 外環(huán)高速路面結構層厚度為75 cm，分別為：厚4 cm 瀝青層；厚4 cm 中?；炷翆樱缓? cm 粗?；炷翆?；厚1 cm 上封層；厚45 cm 粉煤灰三渣以及厚15 cm礫石砂層。S20 外環(huán)高速兩側路肩區(qū)域為回填土，含有碎石、樹根等障礙物，對管幕頂進設備有著較高的要求。

鋼管幕穿越的土層主要為②1層灰黃色粉質黏土層、③層灰色淤泥質黏土層。其中：②1層為軟可塑性土，含氧化鐵斑點，局部為黏土，含水率為33%，重度為18.5 kN/m3，滲透系數為6.0×10-6cm/s，黏聚力為17.1 kPa，內摩擦角為15.4°，壓縮模量為4.77 MPa；③層為流塑性土，含少量有機質，局部為淤泥質黏土，夾粉土、粉砂較多，含水率為42.6%，重度為17.5 kN/m3，滲透系數為6.0×10-6cm/s，黏聚力為11.7 kPa，內摩擦角為15.1°，壓縮模量為2.84 MPa。該土層含水率較高，滲透系數較小，且夾粉土粉砂，采用泥水平衡式頂管機施工，易于控制施工面的穩(wěn)定，對S20 外環(huán)高速路面影響較小，因此，該土層適合管幕施工。

2 總體施工方案的選擇

2.1 施工方法

管幕下穿段長度為85 m，采用φ 824@1100 壁厚12 mm 的鋼管，間隙為276 mm，鋼管總數26 根，東西線各13 根，其中東線管幕呈“一”字型直線分布，西線管幕由于燃氣管遷排施工空間影響，分上下2 排，上排12 根，下排1 根。在管幕接收井端頭采用預設橫梁及鋼板焊接形成相互聯(lián)系。鋼管幕施工完成后采用混凝土進行填充，以加大管幕縱向的剛度和避免管幕局部出現(xiàn)應力集中而屈服。鋼管幕頂部距S20 外環(huán)高速路肩位置約2.20 m，距S20 外環(huán)高速路拱位置約2.83 m。管幕和頂管間的設計間隙為300 mm。為保證鋼管幕施工中S20 外環(huán)高速順利通行，以及頂管順利頂進，超前支護鋼管幕頂進過程中姿態(tài)的控制及高速路面的變形控制至關重要。

本工程管幕施工區(qū)域為S20 外環(huán)高速路下方，管幕距高速路肩的最小間隙為2.20 m，與管節(jié)的設計間隙僅為300 mm，進一步約束了管幕頂進過程中各項控制指標。鋼管幕穿越的土層透水性差、強度低，對鋼管幕的頂進較為有利，但由于鎖口的影響, 增加了頂管頂進的阻力且管幕是由許多獨立的鋼管榫接而成, 施工過程中若有鋼管因精度控制不良, 當鋼管幕頂進偏差大時, 會導致鎖口角鋼變形、脫焊, 管幕無法閉合, 甚至會導致箱涵卡住, 無法頂入。根據以往經驗，當鋼管兩側焊有鎖口時，若在頂進過程中發(fā)生旋轉，會影響后續(xù)鋼管的后續(xù)鎖口。本工程施工環(huán)境較為特殊，因此在施工方法上優(yōu)先考慮采用無鎖口管幕施工。

S20 外環(huán)高速、管幕、頂管平面示意圖見圖1；道路、管幕、管片相對位置示意圖見圖2。

圖1 S 20 外環(huán)高速、管幕、頂管平面示意圖

圖2 道路、管幕、管片相對位置示意圖

2.2 鋼管幕施工要求及設備選型

2.2.1 鋼管幕施工頂進軸線精度要求及控制措施

鋼管頂進過程中，針對頂進軸線控制建立三級報警機制，具體見表1。

頂管機內激光導向系統(tǒng)示意圖見圖3。

圖3 頂管機內激光導向系統(tǒng)示意圖

圖3 中，紅點（白點上方點）為鋼管軸線實時坐標點。工作井內的激光束打到激光傳感器的后面板上，可以獲取頂管機機身的軸線偏差坐標，為管線的糾偏控制提供量化的依據。藍點（白點下方點）為頂管機糾偏坐標點。由放置于電動機中心的反射激光束打到激光傳感器的前面板上，可獲取刀盤中心的偏差坐標，為機頭的糾偏控制提供量化的依據。

2.2.2 路面變形控制及鋼管幕頂進過程的姿態(tài)控制

根據《頂管工程施工規(guī)程》（DG/T J08-2049—2016），直線鋼管頂進軸線偏差控制要求為：高程±60 mm，平面±100 mm。但為保證管幕施工過程中將S20 外環(huán)高速路面沉降量及隆起量嚴格控制在30 mm 內，以盡量減少下穿隧道施工對S20 外環(huán)高速路正常運營造成影響，本工程將高程和平面偏差目標控制值均設定在±50 mm 內。此外，針對管幕頂進的高精度方向控制要求，在頂管機設備及機頭姿態(tài)顯示系統(tǒng)上做了大量改進，主要內容如下：

（1）傾斜儀傳感器：能夠實時精確顯示機頭前方筒體的水平傾斜角和旋轉角度。

（2）激光導向：由工作井內激光經緯儀的激光點射向機頭測量中心靶上，通過機內攝像頭攝錄光點偏移量，并在地面TV 顯示屏上顯示。

（3）激光反射裝置：測量中心靶上的激光點能直接反映刀盤斷面的姿態(tài)，對糾偏操作無滯后效應，并預知機頭偏差趨勢。

表1 頂進精度軸線控制報警（高程及水平）

（4）頂管機激光糾偏系統(tǒng)：為鋼管幕頂管機配置專門的激光發(fā)射糾偏系統(tǒng)。

（5）刀盤電流報警裝置：一般情況下，頂管機掘進遇到阻力過大時，產生的扭矩較大，從而帶給鋼管的反力扭矩也就很大，此時表現(xiàn)在頂管機電器上，則刀盤電流過大。因此，在機頭姿態(tài)顯示系統(tǒng)中設置刀盤電流報警，當電流達到報警值時，頂管機扭矩過大，應降低推進速度或采取刀盤反轉等措施。

（6）頂管機后方配套設施：主要由導軌、千斤頂、油泵架等組成。其中：頂進油缸采用2 只200 t 千斤頂雙沖程油缸，行程3.0 m，對稱布置，頂進過程中，通過油缸行程差，對鋼管幕頂進姿態(tài)進行糾偏；頂管導軌采用200 mm×200 mm 的方鋼，導軌端面平整度誤差要求小于3 mm；油泵架由20# 槽鋼組成；油缸架長度約為2 m，寬度約為1.6 m。

2.2.3 鋼管幕施工設備選型

根據周邊環(huán)境及地層情況，管幕施工設備選型為NPD824 泥水平衡式掘進機。

2.3 鋼管幕施工工序及措施

2.3.1 鋼管幕施工順序

本工程鋼管幕頂進順序為從上層依次向下層進行施工，在對每一層上的鋼管進行施工時，先從中間的鋼管進行施工，然后向位于兩側的鋼管進行間隔“跳樁法”施工。

“跳樁法”施工避免了因短時間集中施工引起的高速路面變形過大，且延長了觸變泥漿的固化時間，提升了每根管壁周圍的觸變泥漿對土層的支撐性能，進一步減小了對高速路面變形的影響。待第1 層鋼管頂進施工完畢后，形成了對高速路面的整體支撐體系，從而大大減小了第2 層鋼管頂進過程中對路面變形的影響。

2.3.2 鋼管幕施工出洞前施工措施

（1）洞門密封圈安裝。出洞洞門密封圈的安裝是管幕頂進施工重要的工序之一。由于洞圈與管節(jié)間存在一定的建筑空隙，在頂管機出洞及頂進過程中極易出現(xiàn)外部流砂涌入的嚴重質量安全事故。為防止該事故發(fā)生，施工前在洞圈上安裝簾布橡膠板密封洞圈，該裝置采用壓板+ 止水簾布橡膠板的形式。洞口止水裝置圖見圖4。

（2）基座及導軌安裝。基座定位后必須穩(wěn)固、正確，在頂進過程中承受各種負載而不產生位移、變形、沉降。基座上的2 根軌道必須平行、等高。軌道與頂進軸線平行，導軌高程偏差、導軌中心水平位移均不超過3 mm。

2.3.3 鋼管幕出洞段施工措施

（1）洞門加固。洞口采用三軸攪拌樁+高壓旋噴樁加固。

（2）軸線定位。始發(fā)前，對每根鋼管中心位置精準定位。

（3）洞門破除及鋼環(huán)安裝。洞門分2 次鑿除，首先使用“水鉆法”人工鑿除厚75 cm 槽壁，然后安裝洞口止水裝置。止水裝置安裝完成后，采用快速水泥封堵洞口鋼環(huán)內外圈，然后安裝延伸導軌。最后鑿除剩余的厚10 cm 槽壁混凝土。

（4）安裝機頭過渡管。考慮洞口止水和加固區(qū)長度，以及機頭出洞精度，過渡管長度應不少于3 m。

（5）掘進機出洞精度控制。用3 個5 t 手拉葫蘆將機頭與導軌捆綁固定，葫蘆鏈條間隔1 m，鏈條與機殼間隙用10 cm×10 cm 的木條縱向填充并拉緊，根據現(xiàn)場情況加以松緊鏈條，以固定頂管機貼合導軌向前推進，推至第1 道葫蘆鏈條至洞口30 cm 處，拆除第1 道葫蘆鏈條，至后方鋼管處加以捆綁。反復操作，直至機頭全部推出加固區(qū)，進入原狀土層。操作過程中，應時刻注意機頭軸線偏差數據，確認機頭微小的軸線偏差情況，軸線偏差不得大于±2 mm。

掘進機定位控制示意圖見圖5。

圖4 洞口止水裝置圖（單位：cm）

圖5 掘進機定位控制示意圖

（6）加固區(qū)推進。由于掘進機處于加固土體區(qū)域，正面土質較硬，在這段區(qū)域施工時，緩慢切削加固土體，轉速維持在2～3 r/min，平衡壓力設定值應略低于理論值，推進速度不宜過快，為0.5～1.0 cm/min。時刻注意機頭傾斜儀和偏轉傳感器數據，確認機頭微小偏轉情況，并采用改變刀盤轉向的方法加以調整，扭轉角度報警值為±0.5°，直至進入原狀土。

2.3.4 鋼管幕正常頂進段施工措施

（1）頂力配置。頂進設備采用2 臺200 t 雙沖程千斤頂左右對稱布置，其提供的頂力可以滿足1 次頂進85 m 的要求。

（2）頂進過程中采用注漿減摩措施。有效地向管節(jié)外圍壓注觸變泥漿，形成和維護好泥漿套，起到高效的減摩作用，對于減少頂管頂進阻力、控制頂管姿態(tài)是至關重要的。同時觸變泥漿充滿管幕鋼管外側的建筑空隙，起到支承作用，可有效減少S20 外環(huán)線地面沉降。由于本項目覆土層較淺，注漿壓力控制在0.05～0.08 MPa 之間，根據現(xiàn)場注漿量和頂力情況加以調整注漿壓力。頂進期間，時刻注意注漿壓力表的變化，發(fā)現(xiàn)注漿壓力異常升高或降低時，說明注漿管道堵塞活地層或泄漏，此時要及時停止頂進并分析和尋找原因。注漿時必須保持“先壓后頂、隨頂隨壓、及時補漿”，根據頂力情況及時補漿，使摩阻力控制在最佳值。

（3）沉降變形控制措施。①泥水倉壓力控制。由于正面土體失穩(wěn)會導致地下管線沉降變形增大以及頂進精度失去控制，從而嚴重影響S20 外環(huán)高速下部管線安全及鋼管幕的形成精度，因此，頂進過程中，需要嚴格監(jiān)測和控制掘進機開挖面的穩(wěn)定性。在本工程鋼管頂進過程中，在頂進速度盡量保持不變的前提下，開挖面穩(wěn)定主要通過由變頻器控制的進排泥泵系統(tǒng)來調節(jié)進排泥流量，控制泥水倉壓力。施工時泥水倉壓力控制在0.05～1.0 MPa。②頂進速度及刀盤轉速控制。刀盤進入原狀土后，正常頂進過程中，維持頂進速度在6.0～10.0 cm/min，刀盤轉速3～4 r/min，盡量減少刀盤和糾偏對土體的擾動。當進入重要管線敏感區(qū)域時，頂進速度及刀盤轉速降低。

2.3.5 鋼管幕進洞段降水措施

為保證頂管機順利進洞，在洞口設置6 口真空降水井，井深8.0～9.0 m，頂管機進洞之前，提前預降水，將水位降至洞門底0.5～1.0 m。

2.3.6 鋼管幕進洞段施工措施

當掘進機頭逐漸靠近接收井時，應當加強測量頻率和精度，減少軸線偏差，確保掘進機能準確進洞。

在頂管機到達距接收井3.5 m 時，開始停止向鋼管外圍壓注觸變泥漿，否則易在機頭進洞時在接收井圍護和原狀土交接處的鋼管外側一周形成高黏度漿套和3.5 m 左右的土塞。

2.3.7 鋼管幕掘進機進洞后施工措施

（1）井口封堵。鋼管進入管幕接收井內后，立即用快凝水泥對鋼管和管幕接收井之間的空隙進行洞門封堵，并壓注水泥漿填充鋼管外側和重力擋墻之間的間隙，防止因漿液流出造成的地面沉降。

（2）置換觸變泥漿。當鋼管幕頂進結束后，通過已完成的鋼管內預留的注漿孔，依次用純水泥漿液將頂進過程中的觸變泥漿置換掉，尤其是加固區(qū)建筑空隙填充的注漿。置換材料選用純水泥漿，以便有足夠的連接強度。利用壓注觸變泥漿的系統(tǒng)及管路進行置換，置換過程按順序進行，通過回流孔將觸變泥漿完全排入鋼管內。壓注順序從接收井向始發(fā)井依次置換，從第1 個注漿孔依次向后進行。壓注時，應將后一斷面的壓漿孔開啟，使原有管路中的觸變泥漿在第1個壓漿孔水泥漿的壓力下從后續(xù)壓漿孔內溢出，直至后續(xù)注漿孔內冒出水泥漿，并達到一定的壓注壓力。此時方可停止前段管水泥漿的壓注，確保將觸變泥漿全部置換。應嚴格控制水泥漿的注漿壓力和注漿量。置換水泥漿的水灰比為0.45；單根鋼管注漿壓力P=0.1～0.2 MPa；考慮注漿漿液外滲和2 倍理論空隙，單根鋼管的預估總注漿量Q=2.21 m3/根。

2.3.8 管幕鋼管端部與預設橫梁連接

管幕鋼管端部與預設橫梁連接：在管幕接收井兩側各設置1 根埋深25 m，直徑為800 mm 的立柱樁，在立柱樁的上方設置1 道雙拼H700 mm×300 mm型鋼橫梁；施工完1 根鋼管后，在鋼管兩側采用630 mm×600 mm×20 mm 鋼板與型鋼橫梁連接，一側13 根鋼管施工完畢后，鋼管間采用276 mm×500 mm×20 mm 鋼板焊接；第2 排單根鋼管完成后，將其與上排鋼管用鋼板連接。

管幕鋼管端部與橫梁連接示意圖見圖6。

圖6 管幕鋼管端部與橫梁連接示意圖

2.3.9 鋼管幕內混凝土填充

管幕施工完畢且連成整體后，再用C30 自密實混凝土填充。填充前清洗管內污物、濕潤內壁，仔細檢查鋼管幕內壁光滑情況，管內不得留有油污及銹蝕物。在工作井內離鋼管端口一定距離處焊接鋼悶板，一端鋼板上埋設透氣管。最后進行混凝土灌注，在灌注過程中密切注意壓力情況，并結合混凝土灌注方量及透氣孔是否溢漿等，決定是否停止灌注。灌注結束后，封閉透氣孔。

3 監(jiān)測結果分析

3.1 施工后鋼管幕姿態(tài)情況

由圖7、圖8 可知，鋼管幕頂進施工過程中，姿態(tài)控制較好，掘進機切口高程偏差控制在±30 mm 以內；水平偏差控制在±30 mm 以內。

圖7 西線5 號鋼管幕頂進姿態(tài)與里程關系曲線圖

圖8 東線5 號鋼管幕頂進姿態(tài)與里程關系曲線圖

3.2 路面監(jiān)測結果

3.2.1 S 20 外環(huán)高速路面監(jiān)測點設置

S20 外環(huán)高速路面監(jiān)測點及中間綠化隔離帶地表監(jiān)測點按剖面沿道路走向布設（見圖9），每個剖面21 個測點，測點間距3 m，共設置S1～S4 4 個剖面。測點編號分別為S1-1～S1-21、S2-1～S2-21、S3-1～S3-21、S4-1～S4-21。

3.2.2 施工后S 20 外環(huán)高速路面沉降情況

圖10～圖13 顯示了監(jiān)測剖面S1～S4 各測點的沉降量大小。

由圖11、圖12 可知，該曲線圖呈“W”型，經與監(jiān)測點布置示意圖對照發(fā)現(xiàn)，測點S2-4～S2-9、S2-11～S2-15、S3-4～S3-9、S3-13～S3-15 正好為管幕上方點位，該區(qū)域受管幕施工影響均產生了不同程度的沉降。

圖9 S 20 外環(huán)高速路面監(jiān)測點布置示意圖

圖10 S 20 外環(huán)路面沉降累計變化量與監(jiān)測剖面S 1 關系曲線圖

圖11 S 20 外環(huán)路面沉降累計變化量與監(jiān)測剖面S 2 關系曲線圖

圖12 S 20 外環(huán)路面沉降累計變化量與監(jiān)測剖面S 3 關系曲線圖

由圖10～圖13 可知，在東線及西線鋼管幕施工完成后，S20 外環(huán)高速路面的最大沉降量為11.8 mm，滿足預期要求。

4 結 語

（1）采用鋼管幕超前支護施工技術，能夠有效減少隧道開挖時的掌子面失穩(wěn)和對周邊圍巖的擾動，是一種方便可行的下穿隧道施工方法。

圖13 S 20 外環(huán)路面沉降累計變化量與監(jiān)測剖面S 4 關系曲線圖

（2）在下穿S20 高速公路及周邊環(huán)境較為復雜的條件下，采用鋼管幕超前支護的形式并在頂進施工中采用姿態(tài)控制、變形控制等針對性的措施，可以有效控制鋼管幕的頂進精度及地表變形。鋼管幕的姿態(tài)偏差可以控制在30 mm 以內，為后續(xù)頂管施工創(chuàng)造了有利條件；S20 外環(huán)高速路面最大沉降量控制在11.8 mm，保證了外環(huán)高速的順利運行。