大斷面矩形頂管穿越上軟下硬地層施工關(guān)鍵技術(shù)

張國林 吳禎 陳云強

摘?要：大斷面矩形頂管穿越上部為粉土、粉質(zhì)黏土、底部為中風化泥巖的上軟下硬地層，使得頂管施工復(fù)雜性，且對設(shè)備要求極高;對此，要求廣大技術(shù)員務(wù)必要把握各項關(guān)鍵技術(shù)，確保大斷面的矩形頂管施工得以順利完成。大斷面矩形頂管穿越上軟下硬施工關(guān)鍵技術(shù)研究運用各種學科方法、基礎(chǔ)理論及實踐成果，確保本次課題研究的客觀性及精準性，同時，希望可以為后續(xù)更多技術(shù)專家和學者對此類課題的實踐研究提供有價值的指導(dǎo)或者參考。

關(guān)鍵詞：矩形頂管;大斷面;上軟下硬地層;泥巖施工;關(guān)鍵技術(shù)

在粉土、粉質(zhì)黏土、中風化泥巖上軟下硬地層中開展大斷面陡坡度的矩形頂管施工作業(yè)，專業(yè)性很強，涉及的關(guān)鍵性技術(shù)多，復(fù)雜性較為突出。需在施工前對頂管機設(shè)備進行優(yōu)化，減小設(shè)備本身的缺陷，更加適應(yīng)上軟下硬地層的施工;同時，對中風化泥巖進行預(yù)處理，減小在頂管施工過程中的阻力。因而，綜合分析大斷面的矩形頂管處穿越上軟下硬的施工作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)，有著一定的現(xiàn)實意義和價值。

1?工況

韶光站位于長沙市芙蓉區(qū)人民東路和規(guī)劃韶光路的十字交叉路口，車站沿者人民東路，并向著東西方向敷設(shè);3#、4#出入口位于韶光站的北側(cè)，人行通道頂管下穿人民東路。3#出入口處人行通道長度為54.8m，坡度為2.5%，5.147m～8.219m覆土;4#出入口處人行通道長度為49.95m，坡度為2.5%，4.513m～6.705m覆土。頂管管節(jié)寬度是7.5m、高是5.4m、壁厚是0.5m。3#、4#出入口的頂管地層由上向下依次為瀝青路面、素填土、粉質(zhì)黏土、粉土、圓礫、中風化泥巖;隧道洞身穿越的地層主要是粉質(zhì)黏土、粉土、圓礫、中風化泥巖。3#、4#出入口人行通道頂管地質(zhì)剖面圖，詳見下圖。

3#、4#出入口人行通道頂管地質(zhì)剖面圖

2?技術(shù)工藝

2.1?測量和測點埋設(shè)節(jié)點

結(jié)合施工圖，復(fù)測業(yè)主交樁點，實施平面布置放樣作業(yè)，建立測量控制望、埋設(shè)建筑物、各個管線監(jiān)測點等;完成前期測量工作，為頂管的始發(fā)奠定基礎(chǔ)。頂管調(diào)試、始發(fā)前，校核洞門環(huán)精度和始發(fā)導(dǎo)軌標高、反力架安裝角度等;需依照著監(jiān)測方案各項表，將頂管段部位監(jiān)測點布設(shè)好，實施初始值采集[1]。

2.2?井下準備工作節(jié)點

一是，安裝始發(fā)導(dǎo)軌。結(jié)合隧道設(shè)計軸線、頂管掘進軸線安裝始發(fā)導(dǎo)軌，將始發(fā)導(dǎo)軌所在具體高度、位置計算出來。始發(fā)導(dǎo)軌尺寸為6.25m×1.4m×1.1m（長×寬×高），橫向鋼筋采用C25@185、縱向鋼筋采用C16@200、箍筋采用C16@200布置，混凝土采用C40、P8混凝土澆筑?？刂剖及l(fā)導(dǎo)軌高程和頂進軸線平行，導(dǎo)軌高程實際偏差應(yīng)當在3mm范圍內(nèi)，導(dǎo)軌中心位置水平位移應(yīng)當在3mm以上。

二是，后靠墻的澆筑。頂管機主頂油缸反力架與附屬結(jié)構(gòu)墻之間存在空隙，需要在頂管機下井前，澆筑后靠墻。后靠墻尺寸約為9m×5.8m（長×寬），厚度為1m。橫向鋼筋采用C16@300、縱向鋼筋采用C25@200布置，混凝土采用C40、P8混凝土澆筑。提供頂管機頂進時所需的反力，因此后靠墻須具有足夠的剛度和強度。

三是，洞門簾布安裝。為了防止始發(fā)頂進時泥土、地下水從矩形頂管機殼體和洞門的間隙處流失，以及頂管掘進機尾部通過洞門后觸變泥漿漿液的流失，在始發(fā)時需安裝洞門密封裝置，洞口密封采用折葉式密封壓板+簾布橡膠板。

2.3?大斷面頂管機安裝調(diào)試節(jié)點

頂管機下井組裝順序：（始發(fā)臺定位安裝）→前盾（下）→尾盾（下）→螺旋輸送機→前盾（上）→尾盾（上）→刀盤→反力架→頂進油缸→連接各種管路→準備調(diào)試→試頂進。頂管機下井吊裝期間，需保證緩慢、平穩(wěn)，防止受碰撞與沖擊。

在調(diào)試前組裝頂管機，連接油管。組裝和連接完畢后，即可進行液壓系統(tǒng)，潤滑系統(tǒng)，配電系統(tǒng)，注漿系統(tǒng)，以及各種儀表的空載調(diào)試，空載調(diào)試的目的主要是檢查設(shè)備是否能正常運轉(zhuǎn)[3]。

2.4?大斷面矩形頂管施工節(jié)點

一是，頂管始發(fā)。在頂管始發(fā)過程中應(yīng)考慮到它的安全性和可靠性，保證始發(fā)安全，止水效果很好，沉降量可控，頂管機姿態(tài)正常。頂進機頭進入加固區(qū)初始頂進速度應(yīng)放慢。頂管機進入原狀土后，為防止機頭“磕頭”，宜適當提高頂進速度，使正面土壓力稍大于理論計算值，以減少對正面土體的擾動及出現(xiàn)地面沉降。頂管機徹底進入洞門后，需檢查洞口止水裝置是否有損壞，如有損壞應(yīng)立即整修，確保泥水、漿液的不外漏。

二是，大斷面矩形頂管參數(shù)的設(shè)置。本工程采用土壓平衡式頂管機，利用壓力倉內(nèi)的土壓力來平衡開挖面的土體，達到對頂管正前方開挖面土體支護的目的，并控制好地面沉降。因此平衡土壓力的設(shè)定是頂進施工的關(guān)鍵，土壓力采用Rankine壓力理論進行計算。

大斷面矩形頂管施工土壓力為理論計算值，只能作為頂進土壓力的最初設(shè)定值，隨著頂進的不斷進行，土壓力值應(yīng)根據(jù)其他實際頂進參數(shù)、地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)作相應(yīng)的調(diào)整。

三是，頂進速度控制。為保持土倉壓力的穩(wěn)定，頂進速度必須與螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速相符合，同時必須兼顧注漿，確保觸變泥漿能均勻填實管節(jié)與地層的空隙，起到潤滑作用，根據(jù)施工的實際情況確定并調(diào)整頂進速度控制頂進油缸的推力。初始階段不宜過快，一般控制在5～10mm/min左右，正常施工階段可控制在10～20mm/min左右。

四是，頂進姿態(tài)控制。頂管機采用直線型導(dǎo)向系統(tǒng)。在始發(fā)井處設(shè)置激光經(jīng)緯儀，在設(shè)備側(cè)設(shè)置導(dǎo)向靶，利用激光經(jīng)緯儀在導(dǎo)向靶上的光斑位置判斷當前土壓平衡頂管機的姿態(tài)。同時在機內(nèi)設(shè)置雙軸傾角傳感器，可以精確監(jiān)控土壓平衡頂管機的俯仰和滾動變化。兩種措施相輔相成為頂管頂進姿態(tài)提供依據(jù)。

2.5?觸變泥漿式減阻節(jié)點和泥漿置換作業(yè)

一是，觸變泥漿式減阻節(jié)點。因施工現(xiàn)場處于復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境中，為將頂進的阻力減少，管節(jié)在頂進操作期間，需運用觸變泥漿來實現(xiàn)減阻，所壓入泥漿于管壁外部形成相應(yīng)泥漿套，形成潤滑狀態(tài)，可減少管節(jié)外壁周邊的摩阻力，起到潤滑作用;同時也能填充管節(jié)外壁與土體之間的間隙，防止地面出現(xiàn)沉降。

二是，泥漿置換作業(yè)節(jié)點。一個頂段完成后，為防止后期地面出現(xiàn)沉降，需要對管節(jié)外壁進行注水泥漿液，把原注入的膨潤土泥漿置換出來。漿液壓注從管節(jié)底部入手，依照著管節(jié)順序依次奇數(shù)節(jié)壓注，之后從頂管通道尾部數(shù)節(jié)往前壓注。底部壓注完成后，按如上順序壓注管節(jié)中部，最后是管節(jié)頂部，循環(huán)直到完成。

2.6?頂管在上軟下硬地層中作業(yè)

一是在頂進前，對中風化泥砂巖層進行預(yù)處理，提前采用履帶式鉆機鉆孔的方式對侵入頂管通道的中風化泥砂巖全部進行預(yù)處理，鉆孔直徑120mm。履帶式鉆機把中風化泥巖的巖層面打透，然后往水平鉆孔里面填充膨潤土，浸泡中風化泥質(zhì)粉砂巖，減小頂管頂進時的頂力。

二是從刀盤主軸孔壓注泥漿和增稠劑，以增加土體和易性和平衡土體的壓力，保持砂層開挖面穩(wěn)定;減慢頂進速度，使中風化泥巖與泥漿充分攪拌均勻;在頂進過程中，應(yīng)該隨時注意開挖面前端的土壓力情況，保證使開挖面前端不發(fā)生坍塌。

3?結(jié)語

從總體上來說，大斷面的矩形頂管穿越上軟下硬的施工關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，主要是以測量和測點埋設(shè)、井下準備工作、大斷面矩形頂管機安裝調(diào)試、大斷面矩形頂管施工、觸變泥漿式減阻節(jié)點和泥漿置換作業(yè)、頂管在上軟下硬地層中作業(yè)等為主，需廣大施工技術(shù)人員能夠有效把握這些技術(shù)，注重各項技術(shù)的有效應(yīng)用，以確保項目的順利完工。

參考文獻：

[1]魏慶溫.盾構(gòu)穿越上軟下硬地層施工關(guān)鍵技術(shù)研究[J].中文科技期刊數(shù)據(jù)庫（全文版）工程技術(shù)，2016，08（26）：00253.

[2]趙先鵬.穿越上軟下硬地層盾構(gòu)隧道施工控制技術(shù)研究[D].西南交通大學，2012.

[3]楊寶.盾構(gòu)穿越上軟下硬及硬巖段施工技術(shù)分析[J].城市道橋與防洪，2018（4）：157158.

作者簡介：張國林（1990—?），男，漢族，河南鄭州人，本科，工程師，研究方向：機械工程及自動化。