矩形頂管法在淺層地下空間施工中存在的主要問題及控制措施

李俊玲

（廣州金土巖土工程技術(shù)有限公司，廣東 廣州 510507）

0 引 言

近年來，隨著中國城市化進程不斷加快，城市空間資源的不足逐漸成為制約城市建設(shè)及經(jīng)濟發(fā)展的最主要因素之一，為解決城市空間日漸緊張的困境，城市建設(shè)從橋梁、高層建筑等城市上空空間開發(fā)利用，到本世紀的城市地下空間開發(fā)利用，逐漸呈現(xiàn)多維度、立體化的擴展趨勢[1-3]。

21 世紀為地下空間技術(shù)利用高的世紀。目前地下工程施工技術(shù)主要包括：明挖法、淺埋暗挖法、盾構(gòu)法、頂管法等。其中頂管法是近年發(fā)展起來的一種地下暗挖施工方法，這種施工方法相對于傳統(tǒng)明挖施工在征拆、環(huán)保、管線遷改、交通導(dǎo)改等方面具有較大優(yōu)勢。頂管法按照管節(jié)及頂管機形狀，可分為矩形頂管、圓形頂管及異形頂管（如直墻拱形，這類有時也歸類在矩形頂管中），與其他地下暗挖施工方法相比，矩形頂管法因其施工占地面積小、空間利用率高、成本相對較低、綠色環(huán)保、試用性強等優(yōu)點，在城市地下空間開發(fā)利用的施工中得到越來越廣泛的應(yīng)用，如地下過街通道、地鐵出入口、綜合管廊等淺層地下空間開發(fā)建設(shè)[4-5]。

針對矩形頂管法，許多學(xué)者從多方面、不同角度對施工技術(shù)進行了研究，但較少對頂管施工中存在的問題及控制解決方案進行針對性的探討研究。本文依托深圳市軌道交通8 號線深外高中站B2 出入口人行通道矩形頂管工程，對矩形頂管法在施工中遇到的問題進行分析，通過施工中遇到的問題及一系列解決措施的應(yīng)用，結(jié)合其他工程施工遇到的類似問題及解決方案，從多方面對施工效果進行總結(jié)研究并形成結(jié)論，為今后頂管設(shè)計、施工提供借鑒參考。

1 工程概況

1.1 工程概況

本工程位于深圳市鹽田區(qū)深圳外國語學(xué)校（高中部）東北側(cè)，地處中青一路與梧桐山大道十字交叉路口，頂管通道自西向東下穿鹽排高速公路及梧桐山大道與深外高中站地鐵主體結(jié)構(gòu)連接。本工程在梧桐山大道東側(cè)設(shè)置始發(fā)井，西側(cè)接收端通過暗挖三角區(qū)段與地鐵主體結(jié)構(gòu)相連。

由于頂管接收端緊鄰梧桐山大道及鹽排高速，設(shè)計頂管出入口通道與深外高中站主體結(jié)構(gòu)斜交，不適于挖基坑做接收井布置，因此頂管掘進到接收端時采用棄殼接收措施，斜交區(qū)域采用礦山法暗挖施工與主體結(jié)構(gòu)聯(lián)通（見圖1）。

圖1 深外高中站頂管通道平面示意圖

本工程長75 m，通道斷面尺寸為6.9 m×4.9 m，內(nèi)凈空為5.7 m×3.7 m。采用6.92 m×4.92 m 多刀盤組合式土壓平衡頂管機施工。

1.2 工程地質(zhì)及水文特征

深外高中站B2 出入口頂管通道平均覆土厚度約11.55 m，穿越地層主要為①1素填土，局部穿越①3填塊石、①4填碎石和④14卵石層。頂管通道地質(zhì)剖面圖見圖2。

圖2 頂管通道地質(zhì)剖面圖（單位：m）

其中①1素填土地層主要由黏性土混少量砂礫組成，偶夾碎塊石，由人工填成；①3填碎石地層主要由中等～微風(fēng)化花崗巖碎石組成，碎石直徑一般為20～100 cm，局部粒徑超過300 cm，夾有少量黏性土及角礫，由人工填成；①4填塊石地層主要由微風(fēng)化花崗巖質(zhì)塊石組成，塊石直徑10～20 cm，最大者可達30 cm 以上，含量大于50%，塊石間為碎石、角礫及黏性土充填，本層在場區(qū)內(nèi)不均勻分布；④14卵石層主要為稍密～中密狀，局部密實，卵石呈亞圓、次圓狀，直徑2～8 cm 不等，個別大于10 cm，有較多的粗、礫砂及黏性土填充。

頂管穿越地層基本為人工填筑地層，地層的物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)

1.3 周邊建（構(gòu)）筑物及地下管線

本工程自東向西下穿梧桐山大道、鹽排高速，鹽排高速樁基距頂管通道水平最小凈距約1.21 m。頂管施工下穿DN400 污水管、DN800 給水管，管線覆土厚度最淺處直線凈距約1.7 m 左右，給水管線距始發(fā)井最近處直線凈距約2.38 m，污水管線距始發(fā)井直線凈距約3.68 m。

頂管周邊建（構(gòu)）筑物、管線與頂管相對位置見圖3。

圖3 頂管通道周邊環(huán)境及管線位置（單位：m）

2 主要施工風(fēng)險及控制措施

針對矩形頂管在淺層地下空間施工的特點及環(huán)境因素等，本文將頂管施工中存在的主要問題根據(jù)發(fā)生的原因及風(fēng)險的可預(yù)測性歸納總結(jié)為三類施工風(fēng)險，第一類是矩形頂管施工工法自身施工局限性引起的施工風(fēng)險，如頂管機栽頭、頂管機背土、頂管通道扭轉(zhuǎn)、頂管機及管節(jié)后退、姿態(tài)控制、掘進減阻、始發(fā)接收漏漿；第二類是與施工工況相關(guān)的施工風(fēng)險，如頂管通道下穿高架橋、道路或邊坡等沉降風(fēng)險、管線沉降風(fēng)險、不良地質(zhì)掘進風(fēng)險等；第三類為不可預(yù)見風(fēng)險，這類風(fēng)險是地下工程本身的特性所決定，主要為地質(zhì)不確定風(fēng)險[6]。

本工程根據(jù)現(xiàn)場工況及地質(zhì)水文情況，提煉出10 個施工中主要存在的問題，其中第一類風(fēng)險施工問題6 個，第二類風(fēng)險施工問題3 個，第三類施工風(fēng)險施工問題1 個，本文主要介紹第二類、第三類施工風(fēng)險中主要施工問題及控制措施。

2.1 第一類施工風(fēng)險

第一類施工風(fēng)險是矩形頂管施工工法局限所引起的施工風(fēng)險，因此這類施工風(fēng)險是可預(yù)見并可規(guī)避的施工風(fēng)險，可以在設(shè)計中采取加強措施、施工中嚴格質(zhì)量控制以規(guī)避施工風(fēng)險的發(fā)生。

本工程采用6.9 m×4.9 m 多刀盤土壓平衡矩形頂管機，頂管機重量約200 t，矩形人行通道斷面及直線長度較大，因此本工程第一類風(fēng)險中存在的主要問題為：

（1）頂管機栽頭；

（2）頂管機背土；

（3）頂管通道扭轉(zhuǎn)；

（4）頂管機及管節(jié)后退；

（5）姿態(tài)控制；

（6）掘進減阻。

2.2 第二類施工風(fēng)險

第二類施工風(fēng)險是與施工工況相關(guān)的施工風(fēng)險，這類施工風(fēng)險在設(shè)計時或施工前需采取必要措施，同時施工過程中嚴格控制質(zhì)量方可減小風(fēng)險的發(fā)生幾率。

本工程人行通道下穿鹽排高速公路，與鹽排高速樁基直線凈距僅1.2 m，上方有較多管線，且穿越地層有素填土、填塊石等，因此本工程第二類風(fēng)險中存在的主要問題為：

（1）頂管通道下穿高架橋及道路的沉降；

（2）管線沉降；

（3）不良地質(zhì)掘進中主要為塊石、碎石、卵石地質(zhì)。

2.3 第三類施工風(fēng)險

由于地下工程的特性，第三類施工風(fēng)險在施工前或發(fā)生前幾乎不可預(yù)見，因此無法做預(yù)見性措施，只能根據(jù)現(xiàn)場情況采取應(yīng)急或補救措施。

本工程施工中發(fā)生的問題就是第三類施工風(fēng)險——地質(zhì)不確定。

3 施工中遇到的主要問題原因分析及解決措施

3.1 地質(zhì)突變施工

本工程始發(fā)掘進施工時，發(fā)現(xiàn)地層中塊石、碎石較多，由于本工程地質(zhì)剖面圖顯示，主要穿越為素填土地層，部分地段中含碎石、塊石，因此未予以重視，掘進到約3 m 左右時遇到孤石，同時發(fā)現(xiàn)部分塊石、碎石粒徑達30～50 cm，且地層中碎石、塊石含量及地層延續(xù)遠超地質(zhì)剖面圖所示，此段每掘進0.5～1.0 m 就必須打開頂管機螺旋出土器清理積聚在出土口的碎石、塊石，嚴重影響掘進速度，直至掘進到約33 m 時，頂管機前遇到大塊孤石，刀盤夾死，左側(cè)攪拌棒、刀盤相繼斷裂，掘進失?。ㄒ妶D4）。

圖4 螺旋出入器出土口打開現(xiàn)場圖

3.2 掘進失敗原因分析

一是地質(zhì)情況突變導(dǎo)致掘進失敗。

本工程掘進過程中發(fā)現(xiàn)孤石后，對頂管施工范圍內(nèi)地質(zhì)情況進行鉆孔補勘驗證，補勘鉆孔顯示頂管穿越高程范圍內(nèi)存在⑨2-1砂土狀強風(fēng)化凝灰?guī)r及⑨2-2塊狀強風(fēng)化凝灰?guī)r地層。其中⑨2-1強風(fēng)化凝灰?guī)r呈褐色- 灰褐色，原巖結(jié)構(gòu)清晰，原巖礦物除石英外，基本已風(fēng)化，巖芯呈砂土狀，手捏易散，遇水易崩解，極軟巖，極破碎，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ類，揭露層厚3.1～4.6 m，屬于III 級硬土；⑨2-2塊狀強風(fēng)化凝灰?guī)r呈褐黃、灰褐色，原巖結(jié)構(gòu)清晰，原巖礦物除石英外，基本已風(fēng)化，巖芯呈半巖半土狀，錘擊易碎，干鉆困難；軟巖，破碎，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ類，揭露層厚3.0 m，屬于IV 級軟質(zhì)巖。各土層物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

二是通過地質(zhì)剖面圖及地質(zhì)情況說明可推測，本工程掘進地層中含塊石、碎石，頂進前未充分考慮到地層變化，并預(yù)測相關(guān)可能性做好頂管機適應(yīng)性選型，該工程頂管機較為適應(yīng)軟土地質(zhì)頂進，對于本工程突變后穿越地層呈現(xiàn)的上軟下硬特質(zhì)頂進施工較為不利。

3.3 主要解決方案

對于“地質(zhì)不確定”，矩形頂管施工中常采用以下六種方法進行處理：

（1）預(yù)處理措施

因地下工程存在隱蔽性、不可預(yù)見性、地質(zhì)多變等特性，頂管施工前，應(yīng)對地質(zhì)情況進行鉆孔分析，對周邊環(huán)境進行現(xiàn)場踏勘，如發(fā)現(xiàn)頂管穿越地層中部分地段含巖石層等地層，應(yīng)盡可能提前對地質(zhì)進行補勘驗證，對可能存在巖石等不適用于頂管施工的地層，應(yīng)采取適宜施工方案或預(yù)處理施工措施。

這要求相關(guān)從業(yè)技術(shù)人員具有很強的地層敏感性及豐富的設(shè)計、施工經(jīng)驗。

（2）頂管機選型

如選用頂管施工工法的工程地質(zhì)中含碎石、塊石、巖石等地層，施工前必須進行頂管機設(shè)備選型，選擇刀盤抗扭矩性能強、剛度大、韌性強、刀盤布置均衡、刀具切削能力強、螺旋出土器口徑相對較大的適用于碎石、卵石、巖石等地層的頂管機。

頂管機配置必要的土體改良及注漿系統(tǒng)，可及時向刀盤及掌子面注高壓水、濃泥等，清理刀盤且使塊石、碎石、巖石等經(jīng)刀盤破碎后包裹在泥漿中及時掉落到螺旋機出土器口，通過出土口排出。

（3）打開螺旋出土器口取石

施工中遇到粒徑較大經(jīng)刀盤破碎后無法直接經(jīng)螺旋出土器排出的塊石，先探測確定塊石位置，然后采取降水措施使地下水位低于管底以下1 m，再拆除螺旋出土器，用水鉆等工具人工破碎孤石、塊石后取出。

（4）棄殼接收

施工中發(fā)生頂管機刀盤損壞等設(shè)備故障或其他因素造成頂管機無法繼續(xù)工作時，可采取棄殼接收措施，將頂管機胸板、刀盤及減速機、糾偏油缸等構(gòu)件拆解后從已掘進完成通道內(nèi)退回始發(fā)井，殼體留在通道內(nèi)作為通道初期支撐[7]。

（5）頂管機及管節(jié)退頂

施工中發(fā)生頂管機刀盤損壞故障造成無法掘進時，還可以選擇退頂施工技術(shù)。一般頂管掘進里程在10 m 內(nèi)、進洞管節(jié)在2～3 節(jié)時，建議采用相對較容易且經(jīng)濟合理的退頂施工措施，否則建議進行棄殼施工。

退頂施工是在頂管機前方打水泥土，一方面保證頂管機退頂過程中掌子面土體穩(wěn)定，防止頂管機后退造成地面塌陷；另一方面通過打水泥土使頂管機及管節(jié)獲得后退的動力，配合退頂油缸的拉力及止退油缸的推力，使頂管機及管節(jié)從通道內(nèi)回退至始發(fā)井（見圖5）。

（6）設(shè)置中間接收井

在發(fā)生頂管機因地質(zhì)變化、設(shè)備故障等原因無法繼續(xù)掘進的情況時，可以采取“開天窗”措施，即在頂管機停機部位開挖中間接收井，本工程因在城區(qū)位置且處于高架橋下方，因征拆、管線遷改、地基加固、交通導(dǎo)改等各方面因素制約，使得頂管機無法采用這種措施吊出。

4 本工程解決方案及效果

本工程對于地質(zhì)突變情況，處理措施分為兩階段。

第一階段慢磨掘進。施工中采取的措施是土體改良，配合打開螺旋出土器人工取石。

（1）頂管工程理論正常頂進速度為10～20 mm/min，本工程發(fā)現(xiàn)地質(zhì)變化后正常頂進速度減少為5～10 mm/min。

（2）通過頂管機及刀盤上注漿孔向頂管機頂進前方掌子面注漿對掌子面土體進行改良，注漿比例中膨潤土用量以可以均勻包裹地層中碎石、塊石、卵石為準，同時根據(jù)出土情況及地質(zhì)剖面圖判斷土質(zhì)變化，及時調(diào)整膨潤土注入比例，改良后出渣土具有良好的塑性、流動性和止水性可以使塊石、碎石、卵石等隨泥漿均勻的通過出土螺旋器。

（3）通過觀察頂管機土壓力表及刀盤電流，初步掌子面土體情況，如發(fā)現(xiàn)某時段刀盤電流變化較大或者土壓力變化幅度較大的情況，停止頂進。

（4）發(fā)現(xiàn)（3）所述情況后，首先頂管機停機，同時為防止頂管機停機期間管節(jié)及頂管機整體后退，油缸保持壓力。其次打開胸板及螺旋出土器上預(yù)留觀察孔，通過預(yù)留觀察孔觀察掌子面障礙物情況，判斷是否開倉。最后采取措施，如障礙物較小，可直接啟動頂管機，通過刀盤、胸板預(yù)留注漿孔注入高壓水及泥漿，將掌子面前障礙物沖刷到螺旋出土器出入口，通過螺旋出土器排出；如障礙物較大，積聚在出土口的塊石、碎石無法排除，則需停機時打開螺旋出土器直接取出，對于粒徑大于螺旋出土器口的塊石、孤石，或刀盤無法磨碎的孤石，打開頂管機或者胸板上觀察孔，采用風(fēng)鎬切割、破除后取出。

此階段雖掘進速度較慢，但從發(fā)現(xiàn)大量碎石、塊石進行處理起至掘進失敗累計推進16 節(jié)管，共約24 m。

圖6 出土及螺旋出土器中取出石塊現(xiàn)場圖

第二階段為頂管機刀盤損壞、掘進無法進行的棄殼接收階段。因本工程頂管機設(shè)計為可拆分模塊化結(jié)構(gòu)，方便了頂管機在通道內(nèi)進行棄殼拆解施工。

本工程棄殼接收完成后頂管通道共施工33 m，原定靠近車站處三角區(qū)域進行礦山法暗挖施工，現(xiàn)剩余42 m 均采取礦山法暗挖施工。

5 結(jié)語及建議

本文通過對矩形頂管施工中的各類問題總結(jié)歸類，研究探討了問題出現(xiàn)的原因及控制解決措施，并提出以下幾點關(guān)于地下工程的建議供設(shè)計、施工等相關(guān)從業(yè)人員進行參考借鑒：

圖7 深外高中站棄殼接收施工現(xiàn)場圖

（1）在地下工程施工中，對地質(zhì)水文條件的了解程度是地下工程施工成敗的關(guān)鍵之一。因此地下工程施工前，必須進行提前探勘，各公司可依托于在全國各地施工項目多、施工經(jīng)驗不斷積累，同時利用互聯(lián)網(wǎng)+ 的優(yōu)勢，建立不同地域地質(zhì)水文條件及施工具體經(jīng)驗總結(jié)數(shù)據(jù)庫，甚至可對各公司數(shù)據(jù)進行互聯(lián)互通，共享數(shù)據(jù)及經(jīng)驗。

（2）頂管機的性能決定了頂管工程在淺層地下空間頂管施工中的適應(yīng)能力。通過施工前的設(shè)備選型及對頂管機刀盤、刀具、螺旋出土器、注漿系統(tǒng)、土體改良系統(tǒng)等的改進，頂管機在淺層地下空間中用途會越來越廣。

（3）管節(jié)、頂管機模塊化生產(chǎn)可提高矩形頂管在地下空間施工的競爭力。目前頂管機及管節(jié)進場、轉(zhuǎn)場遠距離主要依靠公路運輸，超重、超大設(shè)備物流成本越來越高，頂管機及管節(jié)的模塊化生產(chǎn)可有效降低運輸成本、方便現(xiàn)場安裝拆解等施工作業(yè)。

（4）針對不同工況下出現(xiàn)的問題靈活應(yīng)用解決措施是施工管理的關(guān)鍵之一。地下工程中發(fā)生地質(zhì)原因問題較為常見，靈活運用解決措施的能力需要施工團隊多年在項目現(xiàn)場施工的經(jīng)驗累積。

（5）施工管理決定了頂管工程施工質(zhì)量的優(yōu)劣。頂管施工過程中，規(guī)范化、高質(zhì)量的施工管理及團隊協(xié)作，可以減少施工風(fēng)險發(fā)生幾率、提高施工效率、減少資源浪費，規(guī)范化、高質(zhì)量管理必然是企業(yè)、社會的未來發(fā)展方向。