地鐵出入口矩形頂管近距下穿市政管線技術(shù)研究

彭 剛

（中鐵十一局集團(tuán)城市軌道工程有限公司 湖北武漢 430074）

1 工程概況

鄭州機(jī)場(chǎng)至許昌市域鐵路工程（鄭州段）錦繡棗園站主體結(jié)構(gòu)外包長度為203 m，始發(fā)井凈空尺寸11.8×9 m，深10.1 m，設(shè)置2個(gè)出入口，2組風(fēng)亭，為地下二層島式車站。該車站的1號(hào)出入口位于車站西側(cè)，下穿高壓燃?xì)夤芫€段，其地層主要包括粉砂層、黏質(zhì)粉土層，覆土厚度約為4.6 m。該工程施工范圍內(nèi)地下管線距管節(jié)頂為1.7～3.5 m，特別是DN800雨水管與管節(jié)頂凈距僅為1.71 m，燃?xì)夤芫€距管節(jié)頂距離為1.84～3.06 m。鑒于城市空間擁擠及管線的重要性，不能對(duì)管線進(jìn)行改遷或懸吊，因而出入口施工困難。若出入口采用常規(guī)明挖或暗挖法施工［1］，因埋深淺、管線多，周邊環(huán)境復(fù)雜等不良因素，施工安全質(zhì)量無法得到有效保證。經(jīng)研究，采用矩形頂管施工技術(shù)，可確保工期。

2 矩形頂管選型

采用組合式多刀盤土壓平衡式矩形頂管機(jī)［2－3］，頂管總頂進(jìn)長度為 19.5 m，頂管管節(jié)外包尺寸為7×5 m，內(nèi)部凈空尺寸為6×4 m，管節(jié)厚度0.5 m。管節(jié)混凝土等級(jí)為C50，抗?jié)B等級(jí)為P8。單節(jié)管節(jié)長度為1.5 m，共13節(jié)。單節(jié)重約42 t，采用“F”型承插式連接。

3 頂管機(jī)刀盤布置

頂管機(jī)共布置6個(gè)刀盤：1個(gè)直徑2 980 mm刀盤、2個(gè)直徑2 800 mm刀盤、3個(gè)直徑2 400 mm刀盤。刀盤前后錯(cuò)開布置，直徑2 400 mm刀盤前置，直徑2 800 mm和2 980 mm刀盤后置。6個(gè)刀盤均采用3臺(tái)30 kW電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)速1 470 r／min，刀盤轉(zhuǎn)速0～1.5 r／min，刀盤最大扭矩570 kN·m。全斷面總面積34.808 m2，總切削面積31.849 m2。整個(gè)刀盤切削率為91.5%，總攪拌面積29.065 m2，攪拌率為83.5%。

4 矩形頂管近距離下穿市政管線施工技術(shù)

4.1 總體思路

頂進(jìn)前對(duì)管外壁四周均勻涂抹石蠟，將頂管機(jī)機(jī)頭與其相鄰的三節(jié)管節(jié)連接為一個(gè)整體；頂進(jìn)過程中向管節(jié)背后壓注觸變泥漿，并設(shè)置止退裝置防止頂管機(jī)后退；搭設(shè)接收平臺(tái)接收頂管機(jī)；頂進(jìn)施工完成之后，對(duì)管節(jié)間隙及管節(jié)與兩端洞門間的間隙進(jìn)行封堵；最后加注水泥漿置換觸變泥漿，固結(jié)頂管通道，確保地下管線不沉降［4－5］。

4.2 頂進(jìn)參數(shù)

（1）頂管總推力F

其中：F0＝S×（P0＋PW）；P0＝K0×γ×（H ＋2H1／3）；f0＝R ×C ＋W ×f。

式中：F0為初始推力（kN）；f0為每米管節(jié)與土層之間的綜合摩擦阻力（kN／m）；L為頂管段長度（19.5 m）；S為機(jī)頭截面積（m2）；P0為機(jī)頭底部以上1／3高度處的靜止土壓力（kN／m2）；Pw為地下水壓力（地下水壓力計(jì)算水頭高度起算點(diǎn)為地面）；K0為靜土壓力系數(shù)，砂性土取0.25～0.33，黏土取0.33～0.7；γ為土的容重（20 kN／m3）；H 為管頂土層厚度（4.6 m）；H1為掘進(jìn)機(jī)高度（5.0 m）；R為綜合摩擦阻力（取8 kPa）；C為管外周長（24 m）；W 為每米管節(jié)重力（264 kN／m）；f為管節(jié)在土中的摩擦系數(shù)（取0.2）。

經(jīng)計(jì)算F0＝4 609 kN，f0＝244.8 kN／m，總推力F＝9 382.6 kN。

（2）管材受力分析

管節(jié)壁厚500 mm，管節(jié)外圍尺寸7 000×5 000 mm。管節(jié)混凝土C50抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為23.1 N／mm2。

每米管節(jié)受力面積：S＝7.0×5.0－6.0×4.0＝11.0 m2

經(jīng)計(jì)算，管節(jié)軸向允許推力F＝23.1 N／mm2×11.0×106mm2×0.391×10－3＝99 353 kN，大于最大推力，可滿足施工要求。

（3）后座反力R

式中：R為總推力之反力（kN）；α為系數(shù)（取2.5）；β為后座墻的寬度（11.8 m）；γ為土容重（20 kN／m3）；H為后座墻高度（7.0 m）；Kp為被動(dòng)土壓力系數(shù)；c為土內(nèi)聚力（取18 kPa）；h為地面到后座墻頂部土體高度（取3.0 m）。

經(jīng)計(jì)算：

各頂管段后座反力均大于最大頂推力，能夠確保頂推工程順利完成。

4.3 施工準(zhǔn)備

（1）端頭加固

始發(fā)井和接收井端頭1～1.5倍頂管機(jī)長度范圍內(nèi)，采用?800＠600 mm高壓旋噴樁進(jìn)行加固，加固范圍均為14 000 ×3 200 mm［6］。

（2）管線加固

頂管施工前，施作管棚對(duì)管線進(jìn)行保護(hù)。管棚［7］采用φ108×6 mm Q345鋼管，沿頂管頂進(jìn)方向環(huán)向布置，間距為400 mm。管棚單根長度為12 m，共計(jì)25根，采用潛孔鉆機(jī)引孔。管棚注漿采用水泥單液漿，水灰比為1∶0.85～1∶1.25，注漿壓力控制在0.5～1.0 MPa之間。

4.4 下穿關(guān)鍵技術(shù)

4.4.1 管節(jié)處理

頂進(jìn)前，管節(jié)外表面進(jìn)行石蠟涂抹、烘烤處理［8］；頂管機(jī)進(jìn)洞時(shí)，在鄰近頂管機(jī)機(jī)頭的三節(jié)管節(jié)內(nèi)部設(shè)一圈預(yù)埋鋼板，并用型鋼將機(jī)頭與三節(jié)管節(jié)連接為一個(gè)整體。

4.4.2 壓漿施工

頂進(jìn)時(shí)，通過開設(shè)在管節(jié)上的壓漿孔（每節(jié)管節(jié)上均勻布置十個(gè)壓漿孔，）向管節(jié)背后壓注觸變泥漿［9］（壓漿量為理論值3～5倍）。觸變泥漿配比如表1所示。

表1 每立方觸變泥漿配比

4.4.3 末端管節(jié)止退架設(shè)計(jì)與安裝

止退架設(shè)置在末端管節(jié)兩側(cè)，左右支架均為直角三角形，并垂直布設(shè)于末端管節(jié)兩側(cè)，其中一直角邊固定在頂管導(dǎo)軌上，其斜邊向尾端管節(jié)的后側(cè)延伸；在左支架和右支架鄰近末端管節(jié)的端部設(shè)有插銷孔，且兩個(gè)支架的插銷孔正對(duì)末端管節(jié)兩側(cè)的吊裝孔，并在油缸行程推完時(shí)，分別通過插銷將左右支架與末端管節(jié)固定連接，避免主頂油缸回縮時(shí)機(jī)頭和管節(jié)出現(xiàn)后退現(xiàn)象。頂管止退裝置如圖1所示。

圖1 頂管止退裝置

4.4.4 頂管中板接收平臺(tái)搭設(shè)

（1）接收平臺(tái)設(shè)計(jì)

在接收井內(nèi)搭設(shè)接收平臺(tái)［10］，接收平臺(tái)位于車站中板底150～180 mm，平臺(tái)與中板固定連接，防止晃動(dòng)。接收平臺(tái)采用φ609鋼管支撐＋36a槽鋼＋20a工字鋼＋100×100×10 mm等邊角鋼＋3 cm鋼板整體搭設(shè)而成。鋼支撐縱向間距為2.5 m（遇障礙物可微調(diào)），橫向間距2.0 m，高度5.5 m；36a雙榀槽鋼沿車站橫向設(shè)置，間距2.5 m；20a工字鋼沿車站縱向布置，間距0.5 m；30 mm厚鋼板滿鋪于已搭設(shè)好的平臺(tái)上，三面用22a工字鋼緊靠主體結(jié)構(gòu)焊接作為抗滑移擋板；等邊角鋼作為立桿剪刀撐，縱、橫向連續(xù)布置。

（2）接收平臺(tái)受力驗(yàn)算

計(jì)算不同施工工況下各個(gè)桿件受力情況，得到接收平臺(tái)變形、應(yīng)力、軸力、彎矩分布變化規(guī)律。

①對(duì)施工階段桿件計(jì)算結(jié)果變形分析，X向最大變形為－0.616 mm，Y向最大變形為－0.760 mm，Z向最大變形為0.208 mm，均小于10 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

②對(duì)施工階段桿件計(jì)算結(jié)果內(nèi)力分析，最大應(yīng)力為8.7 MPa，小于鋼材容許應(yīng)力230 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

③對(duì)施工階段桿件軸力分析，最大軸力為－9.65 kN，滿足設(shè)計(jì)要求。

④對(duì)施工階段桿件Z向彎矩計(jì)算結(jié)果分析，最大彎矩為－9.26 kN·m，滿足設(shè)計(jì)要求。

綜上，頂管接收平臺(tái)滿足施工要求。接收平臺(tái)搭設(shè)現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

圖2 接收平臺(tái)搭設(shè)現(xiàn)場(chǎng)

4.4.5 接收洞門封堵技術(shù)

頂管機(jī)接收完成后，將頂管機(jī)吊出，并拆除管內(nèi)設(shè)備后封堵接收洞門，然后采用雙組分聚硫密封膏對(duì)管節(jié)間的縫隙進(jìn)行填充，并用弧形鋼板將通道兩端洞門與管節(jié)外殼間的間隙封堵，同時(shí)注入加固漿液（加固漿液材料配比見表2）對(duì)管節(jié)外土體進(jìn)行加固。注漿首先從管節(jié)底部開始，按管節(jié)順序依次奇數(shù)節(jié)壓注，之后從頂管通道尾部偶數(shù)節(jié)向前壓注；底部壓注完成后，再按如上順序壓注管節(jié)中部，最后管節(jié)頂部。以此循環(huán)完成后關(guān)閉所有閥門，保壓10 min，保壓壓力為0.2 MPa。

表2 加固漿液材料配比

4.4.6 注漿置換技術(shù)

頂進(jìn)施工完成后，為減少土體沉降，加強(qiáng)頂管通道整體防水性能，須加注水泥漿對(duì)觸變泥漿進(jìn)行置換，固結(jié)頂管通道。選用1∶1的水泥漿液，通過注漿孔置換管道外壁漿液，根據(jù)不同水土壓力確定注漿壓力，待漿體凝結(jié)后（一般在24 h以上）方可拆除注漿管路，并換上悶蓋將管節(jié)上的注漿孔封堵。

4.5 注意事項(xiàng)

（1）洞門止水裝置安裝。由于洞圈與管節(jié)間存在15 cm的建筑空隙，在頂管始發(fā)及正常頂進(jìn)過程中極易出現(xiàn)外部土體及觸變泥漿涌入始發(fā)井內(nèi)情況。為防止此類事故發(fā)生，施工前在洞圈上安裝簾布橡膠板密封洞圈［11］，橡膠板采用12 mm厚鋼壓板作支撐。壓板螺栓孔采用腰子孔形式，利于頂進(jìn)過程中可隨管節(jié)位置的變動(dòng)而隨時(shí)調(diào)節(jié)，保證簾布橡膠板密封性能。

（2）頂進(jìn)速度。初始階段不宜過快，一般控制在5～10 mm／min，正常施工階段可控制在10～20 mm／min。

（3）出土量控制［12］。正常情況下出土量控制在理論出土量的98% ～100%，一節(jié)管節(jié)的理論出土量為52.8 m3?？紤]加入潤滑泥漿，再加上土的膨脹系數(shù)，實(shí)際一節(jié)管節(jié)出土量約為55 m3。

（4）頂管機(jī)到達(dá)接收井洞門圍護(hù)樁時(shí)，停止掘進(jìn)，破除接收端洞門圍護(hù)樁，完成頂管機(jī)接收工作。頂管機(jī)接收如圖3所示。

圖3 頂管機(jī)接收

5 結(jié)束語

該技術(shù)成功應(yīng)用于錦繡棗園站1號(hào)出入口，順利下穿兩道高壓燃?xì)夤堋④娎|及DN800雨水管，管線沉降控制在10 mm之內(nèi)，節(jié)省工期近2個(gè)月，并節(jié)約了管理費(fèi)、管線遷改及懸吊費(fèi)用、材料費(fèi)用、交通疏解費(fèi)等，綜合效益顯著。

（1）頂進(jìn)施工中，通過從管節(jié)內(nèi)部的注漿孔向外壓注減阻泥漿，使管節(jié)四周形成一圈泥漿套，變固－固摩擦為固－液摩擦，達(dá)到減小總頂力的效果，進(jìn)一步減少摩阻力。

（2）觸變泥漿采用膨潤土觸變泥漿，膨潤土具有膨脹性和觸變性，其觸變性有助于管節(jié)在頂進(jìn)時(shí)減小摩阻力；靜止時(shí)成為凝膠體支撐地層，填補(bǔ)施工時(shí)管道與土體之間產(chǎn)生的空隙，同時(shí)在注漿壓力下，減小土體變形。

（3）通過在工作井端頭一定范圍內(nèi)布設(shè)加固樁，可提高前方土體強(qiáng)度。另外，機(jī)頭進(jìn)洞時(shí)，將機(jī)頭和后面的管節(jié)用拉桿相連接，使之成為一個(gè)整體，可防止機(jī)頭栽頭。

（4）在末端管節(jié)兩側(cè)設(shè)置止退架，當(dāng)油缸行程推完后加墊塊或管節(jié)時(shí)，將銷子插入管節(jié)的吊裝孔內(nèi)固定末端管節(jié)，可避免在主頂油缸回縮時(shí)機(jī)頭和管節(jié)出現(xiàn)后退現(xiàn)象，從而解決了因機(jī)頭和管節(jié)的后退導(dǎo)致機(jī)頭和前方土體間的土壓平衡受到破壞，土體面得不到穩(wěn)定支撐，易引起機(jī)頭前方的土體坍塌的問題。頂進(jìn)完成后，通過特制的接收平臺(tái)，可確保頂管機(jī)順利接收。

（5）頂管穿越不良地層時(shí)，通過設(shè)在頂管機(jī)刀盤及胸板中心軸上的注漿孔向土倉內(nèi)注入改良漿液，不僅改善了土體流動(dòng)性和塑性，且強(qiáng)化了止水性能，防止地下水噴涌。