談矩形頂管施工技術(shù)在城市管廊中的應(yīng)用

王 佳

（中鐵二十局集團(tuán)第一工程有限公司，江蘇 蘇州 215000）

1 工程概況

廣濟路、人民路綜合管廊頂管工程位于江蘇省蘇州市姑蘇區(qū)城北東路，是蘇州市城北路（金正街-江渝路）綜合管廊工程（江岳路-人民路）綜合管廊工程的一部分（圖1）。頂管下穿廣濟北路段采用單箱四艙型，長度：73.6 m，外徑：9.1×5.5 m，平均覆土深度：4.859 m。頂管下穿人民路段采用雙箱四艙式，單箱長度：73.6 m，外徑：6.9×4.2 m，平均覆土深度：4.1 m，間距：為1.5 m。

圖1 擬建頂管工程平面位置圖

2 施工特點

（1）頂管與既有地鐵線路間距小，人民路頂管管底距離地鐵2號線2.76 m；廣濟北路頂管管底距離地鐵4號線4.4 m。土壓力的變化及地層擾動容易造成隧道變形、防水功能破壞。（2）本工程頂管通道于廣濟北路下方頂部埋深4.8 m（≤1.5 d，8.25 m）、人民路下方頂部埋深4.2 m （≤1.5 d，6.3 m），覆土淺。淺覆土頂進(jìn)對壓力、地層的擾動敏感，容易造成地面隆沉變形。（3）廣濟北路頂管區(qū)間南側(cè)10 m范圍外為大寨河，7 m范圍外分布有山花橋北橋臺。

3 頂管機始發(fā)與接收

3.1 矩形頂管出洞施工

3.1.1 洞門鑿除

頂管機始發(fā)及抵達(dá)前，需破除預(yù)留洞門內(nèi)圍護(hù)樁背土面的鋼筋，至迎土面鋼筋外露為止。頂管機正式始發(fā)時再將剩余的鋼筋去除。清理井內(nèi)因破除產(chǎn)生的混凝土渣及雜物，檢查并確認(rèn)洞門范圍內(nèi)無剩余鋼筋。始發(fā)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)為鉆孔灌注樁支護(hù)（Ф800@1000mm），外側(cè)為三軸攪拌樁（Ф850@600）加高壓旋噴樁補強止水帷幕，如圖2。

圖2 洞門鑿除施工

3.1.2 洞口密封裝配

在頂管始發(fā)開始前，便需要安裝止水帶在洞口部分處，目的是為了預(yù)防始發(fā)時頂管機工程中的減阻泥漿和頂管機洞口下面的水土進(jìn)入工作井內(nèi)。主要組成洞門止水圈的有安裝鋼環(huán)、壓板、預(yù)埋鋼環(huán)和橡膠圈，如圖3。

圖3 洞門止水圈安裝

3.1.3 洞口姿態(tài)調(diào)整

（1）掘進(jìn)機始發(fā)防磕頭措施。①掘進(jìn)機就位后，需墊高機頭5 mm，使掘進(jìn)機始發(fā)時有向上的趨勢。②如果發(fā)現(xiàn)有下磕趨向的時侯，主要查勘掘進(jìn)機始發(fā)時的狀況，迅速處理并正確的糾正后座主推千斤頂?shù)暮狭χ行?。③機頭沒有完全始發(fā)時，不得進(jìn)行糾偏，始發(fā)后糾偏不得過大。④頂進(jìn)混凝土管時，可將前3~5節(jié)管與頂管機聯(lián)成一體，可防止管節(jié)漂移。⑤頂管機完全灌入地層，想使正面土壓力大于理論的計算數(shù)值時，便需要有效的提升頂進(jìn)的速度，然后緊緊拉住前三節(jié)混凝土關(guān)節(jié)和機頭之間的拉桿螺絲，以防止由機頭“磕頭”引起地面沉降。

（2）頂進(jìn)后防止后退的措施。當(dāng)初始頂進(jìn)階段正面水土壓力大于管周圍的摩擦阻力時。為防止管道發(fā)生后退導(dǎo)致洞口止水裝置受損以及機頭前方的土體塌陷造成地面沉降，應(yīng)在拼接管子時主推千斤頂在縮回前對已頂進(jìn)的部分與井壁加以固定。讓止退支撐架安裝在井底板上，退回主推千斤頂前，管節(jié)推到位置時，在管節(jié)吊裝孔和支腿支撐架的固定孔上插進(jìn)插銷，使其固定住，最后等到頂管機正面水土壓力小于混凝土管外側(cè)摩阻力。

（3）機架、頂進(jìn)后靠和基座的裝配。必須要正確牢固地定位基座，在頂進(jìn)的過程中，基座的軌道要等高、平行，同時要保證其在受到各種載重時能夠不變形、不沉降和位移。頂進(jìn)軸線和軌道是平行狀態(tài)，重軌要采用43 kg/m的規(guī)格，導(dǎo)軌的中心水平位移≤3 mm，高程偏差≤3 mm。在頂進(jìn)過程中，軌道沿著前進(jìn)的方向有效安置，而工作井內(nèi)便會滯留后靠和機架。

依據(jù)施工現(xiàn)場實際的頂進(jìn)軸線放樣安裝后靠鋼盒時，為保障力傳遞均勻，完全地將后背墻、后靠鋼盒和工作井接觸，將后背混凝土模板和作為鋼模板的鋼后靠背一起安裝好，再對后背墻進(jìn)行混凝土澆筑。最后保證其反頂力能有效地作用在內(nèi)襯墻。

（4）初始頂進(jìn)施工參數(shù)控制措施。①頂進(jìn)速度：洞圈范圍內(nèi)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)鑿除后，立即開始頂進(jìn)施工。頂管機的正面為加固水泥土，應(yīng)放緩頂進(jìn)速度以保護(hù)刀盤。②出土量：一般控制加固區(qū)的出土量在105%左右，而非加固區(qū)在95%左右。必要時可加入適量清水來軟化或潤滑水泥土可避免出現(xiàn)螺旋機出土不暢的現(xiàn)象。

（5）出洞段注意事項。①頂管機出洞時，為了避免刀頭破壞洞門密封裝置，應(yīng)在刀頭上包裹布料，布料和密封裝置均涂抹油脂。②嚴(yán)格控制頂管機標(biāo)高及中心軸線的誤差，以保證頂管機的出洞的準(zhǔn)確。③頂管機出洞時，刀盤切削的加固土體強度較高，頂進(jìn)速度減緩，利用加水降低強度，防止上浮，對后背支撐有效及時地進(jìn)行完善、加強和觀測。④在正面土體即將接近頂管機時，將切削刀盤系統(tǒng)開啟進(jìn)行施工，之后再啟動主頂進(jìn)系統(tǒng)。當(dāng)頂管機刀盤碰到土體時，要控制頂進(jìn)速度不宜過快，防頂管機對正面土體產(chǎn)生過量擠壓，使切削刀盤扭距過大，損壞刀盤。

3.2 矩形頂管進(jìn)洞施工

（1）準(zhǔn)備接收井工作（圖4）。在接收井完成施工之后需要重新測量洞門位置的坐標(biāo)，依據(jù)實際情況接受基座，且準(zhǔn)備對接收井洞口的鉆孔樁鋼筋混凝土進(jìn)行破除。

圖4 矩形頂管導(dǎo)軌圖

（2）復(fù)測頂管機位置。在接收井即將接近機頭時，為保證順利接收就要減小誤差、提高精確度和測量頻率。要想使頂管機在這段過程中順利按照擬定好的方案施工，并且接受姿態(tài)良好，萬無一失地落座在基座上就要在貫通前對復(fù)核頂管機所在的位置進(jìn)行測量、評估姿態(tài)和計算軸線，制定好施工方案。

（3）施工參數(shù)的調(diào)整。由于管節(jié)和接收井洞口有一定的空隙，極易引起水土流失，有可能會導(dǎo)致嚴(yán)重的路面沉降，因而為了順利施工就要選用相應(yīng)的措施來防范。①距離接收井6 cm時，為了防止減阻力的上升。需要將第一節(jié)管節(jié)的壓漿停止，后移壓漿位置，從而保證頂管接收之前能夠形成6 cm左右的土塞。②頂管機切口在加固區(qū)施工時，為了保證洞口穩(wěn)定和頂管機設(shè)備完整應(yīng)該使頂進(jìn)速度減慢，機頭正面土壓力變小，調(diào)節(jié)出土量。

3.3 頂管進(jìn)洞施工

（1）第一階段。在加固區(qū)機頭進(jìn)入工法樁10 cm時頂管機停機，務(wù)必做好下列準(zhǔn)備工作：①頂管機的機頭快要接近接收井時，為確保頂管能夠順利地進(jìn)洞，要制定好進(jìn)洞的施工軸線、估計好進(jìn)洞的姿態(tài)、確認(rèn)好狀態(tài)、反復(fù)審查頂管方位、提高測量頻率。②進(jìn)入加固區(qū)之后，頂管機想要保證在進(jìn)洞之前有完好的“土塞”，需要后移壓降的位置并將機頭壓漿停止，以此來防止因為大量流失減摩泥漿而導(dǎo)致管節(jié)四周的摩阻力突然上升。

（2）第二階段。在全部打開洞口之后，查看有無滲水現(xiàn)象發(fā)生，反之則均勻迅速地推進(jìn)頂管機。在進(jìn)入內(nèi)襯400 mm時第一節(jié)管節(jié)停止施工，立即分離關(guān)節(jié)和機體，機器收到信息后堵住洞口。從上往下堵住洞口，動作要迅速，封堵洞門的鋼板要有較高的密閉性，保障焊接質(zhì)量。

（3）第三階段。在封住洞門后，為了彌補水土流程和洞口區(qū)域地面的沉降，務(wù)必要使用注漿對洞口的縫隙進(jìn)行填補。

4 主要成果

依托蘇州城北路綜合管廊四標(biāo)段廣濟北路、人民路段矩形頂管穿越工程，根據(jù)當(dāng)?shù)馗凰浲恋貙又写髷嗝婢匦雾敼艿氖┕るy點，完成了對矩形頂管上穿地鐵隧道施工過程隧道內(nèi)部變形和上部土體變形動態(tài)監(jiān)測，對矩形頂管工作井建造、大斷面矩形頂管始發(fā)及接收、頂進(jìn)減阻、姿態(tài)調(diào)整技術(shù)、地面沉降控制等相關(guān)技術(shù)經(jīng)驗進(jìn)行了總結(jié)，順利完成了國內(nèi)首次采用大斷面矩形管廊頂管法淺覆土穿越地鐵施工工程建設(shè)，以及國內(nèi)首次采用大斷面矩形管廊頂管法兩次小間距淺覆土穿越地鐵施工工程建設(shè)。取得了以下成果：（1）通過合理設(shè)計監(jiān)測方案，采集了大量工程數(shù)據(jù)，并詳細(xì)分析了施工中管土壓力的變化規(guī)律和分布模式，采用Abaqus數(shù)值模擬軟件對頂管上穿地鐵隧道受力影響進(jìn)行了分析，并對其頂進(jìn)措施提出優(yōu)化建議；（2）通過對小間距頂管管土力的分析，研究小間距頂進(jìn)條件下控制地面及管線沉降措施，確保相鄰管節(jié)結(jié)構(gòu)安全，并對平行小間距頂管間的受力影響進(jìn)行了模擬并提出了優(yōu)化建議；（3）通過對矩形頂管上穿地鐵隧道過程中地鐵隧道受力進(jìn)行分析，利用可在導(dǎo)軌上移動的混凝土塊進(jìn)行配重，平衡地鐵隧道垂直方向上的受力，完成抗浮設(shè)計；（4）本工程使用頂管斷面較大，在斷面頂進(jìn)條件下采取相關(guān)控制地面及管線沉降措施，掌握不同頂進(jìn)狀態(tài)下頂管機姿態(tài)控制以及防止頂管機整體后退技術(shù)。

5 產(chǎn)生效益

（1）經(jīng)濟效益。①大斷面矩形頂管頂進(jìn)方案優(yōu)化后減小了頂進(jìn)施工難度，減少了施工現(xiàn)場對周圍道路交通和居民生活的影響，優(yōu)化了矩形頂管泥漿配方，降低了大斷面矩形頂管頂進(jìn)頂力大、頂進(jìn)難的風(fēng)險。9.1×5.5 m斷面矩形頂管節(jié)約施工成本約688萬元，6.9×4.2 m斷面矩形頂管單個節(jié)約施工成本323萬元，兩個合計節(jié)約646萬元。三條矩形頂管頂進(jìn)共計節(jié)約施工成本1 334萬元。②采用“自動化監(jiān)測”和“人工復(fù)核”的方法解決了大斷面矩形頂管上穿地鐵隧道精度控制問題，定位準(zhǔn)確，安全性高，減少矩形頂管頂進(jìn)對運營地鐵隧道的影響，減少施工成本220萬元。③采用現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬研究相結(jié)合的方法，合理設(shè)計管節(jié)結(jié)構(gòu)、布置注漿孔，優(yōu)化矩形頂管管節(jié)制作工藝，節(jié)約施工成本96萬元。因此累計降低施工成本1 650萬元，經(jīng)濟效益顯著。

（2）社會效益。①廣濟北路段頂管通道是國內(nèi)首次采用大斷面矩形管廊頂管法淺覆土穿越地鐵施工技術(shù)；人民路段兩段管廊頂進(jìn)是國內(nèi)首次采用大斷面矩形管廊頂管法兩次小間距淺覆土穿越地鐵施工技術(shù)，具有施工難度大、技術(shù)含量高及安全風(fēng)險大等特點。該項目的順利施工，得到業(yè)主及上級單位的高度評價，創(chuàng)造了良好的社會效益，綜合施工技術(shù)對于以后類似大斷面矩形頂管施工有非常大的指導(dǎo)意義。②研究出一整套大斷面矩形頂管頂進(jìn)綜合施工技術(shù)，實現(xiàn)了技術(shù)創(chuàng)新，達(dá)到國內(nèi)同類工程施工先進(jìn)水平，為類似工程積累了豐富的施工經(jīng)驗及技術(shù)儲備，推廣應(yīng)用前景廣闊。③采用“綠色、環(huán)?！钡姆情_挖矩形頂管技術(shù)建造綜合管廊工程，避免了對沿線道路的開挖、管線的破壞和住房拆遷，縮短了建設(shè)工期，創(chuàng)造了顯著的社會和經(jīng)濟效益。在本工程中針對矩形頂管的技術(shù)難點進(jìn)行集中研究，總結(jié)施工經(jīng)驗，培養(yǎng)了一批專業(yè)技術(shù)人員，形成了一系列技術(shù)文件和專利成果，扎實推進(jìn)了矩形頂管技術(shù)在綜合管廊、地鐵出入口、地下行車道等城市地下空間開發(fā)工程中的應(yīng)用，促進(jìn)了行業(yè)得發(fā)展，具有良好的社會效益。

6 小結(jié)

綜上所述矩形頂管施工技術(shù)在城市管廊中的應(yīng)用，需要考慮到核心問題的解決以及整體施工的方案規(guī)劃，在整體的規(guī)劃完成后才會使整體的施工計劃實行得更加順暢完整。