大截面矩形頂管施工在城市智慧管廊建設(shè)中的應(yīng)用

曾冬勤

（中鐵二十局集團第三工程有限公司，重慶 400000）

0 引言

隨著城市化進程的加快，城市智能管廊的建設(shè)對推動新型城市化進程具有重大意義[1]。新建地下工程常會對現(xiàn)有各種地下管線、道路交通和周圍的建筑（構(gòu)筑物）產(chǎn)生一定影響[2]。頂管施工方法對周圍土體的擾動小，工期推進速度快，自動化程度高，對道路交通和周圍建筑（構(gòu)筑物）影響較小[3]。大截面矩形頂管施工技術(shù)是一種能保證大截面矩形頂管在復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境中順利通過已有排水管涵，并對箱涵結(jié)構(gòu)毫無影響的新技術(shù)，近幾年在國內(nèi)逐步得以推廣[4]。該文根據(jù)工程概況，分析了大截面矩形頂管施工工藝及重難點，提出有效的高精度頂進姿態(tài)、頂管始發(fā)與接收以及大截面矩形頂管在粉質(zhì)黏土中的掘進控制措施，并將該技術(shù)運用于城市管廊建設(shè)中。智能管廊是保障城市安全的關(guān)鍵，它能有效提高管線的安全管理水平，降低管線安全風(fēng)險，減少管線安全隱患。大截面矩形頂管作為“綠色、安全、環(huán)?！钡摹胺情_挖工程”，其優(yōu)點為不封閉交通，不拆除管線，對周邊環(huán)境的影響較小，施工快捷，安全可靠，必將被越來越多的工程所采用。

1 工程概況

該項目位于平原地區(qū)，基本地震裂度為6 度，從管廊開挖場地向下延至45m 的地層中，頂管土層共分5 個大層次，見表1。

表1 頂管土層分類

城市智慧管廊施工中，大截面矩形頂管施工于一個十字路口交會點，其交通量大，地下管線復(fù)雜[5]。綜合考慮后決定采用大截面矩形頂管法進行施工，其頂管截面尺寸為10.1m×6.3m，預(yù)制管節(jié)單環(huán)長2.0m，頂管總長2.0m×45.0m=90m。該項目采用b×h=8.78m×6.32m 的土壓平衡式長方管，預(yù)制廠房采用內(nèi)襯式2.0m 的管節(jié)，生產(chǎn)并運輸?shù)焦さ?。頂管機設(shè)備包括65t 前殼體、50t 后殼體、15t 前殼體大刀盤驅(qū)動件和2 臺15t 螺旋式挖土機。采用5個組合刀片在頂管前端進行切割，整體切削率大于92.5%。頂管機后頂系統(tǒng)包括15 個3m 沖程的千斤頂，其工作壓力可達45MPa。頂入完畢后，使用水泥加水玻璃的雙液漿替代，頂升過程中在管件背面注入抗磨損的泥漿。

2 大截面矩形頂管施工工藝及重難點分析

2.1 施工工藝流程

大截面矩形頂管施工在城市智慧管廊建設(shè)中的工藝流程主要包括準(zhǔn)備工作→設(shè)備安裝→始發(fā)施工→正常頂進→接收工作→收尾工作。其具體內(nèi)容如圖1 所示。

圖1 施工工藝流程圖

該項目采用計算機引導(dǎo)法進行糾偏，輸入的原始資料經(jīng)過電腦處理后，可根據(jù)管線的偏移、外力平衡狀態(tài)、刀具管端位置用電腦進行校正。在頂進過程中，始終貫徹“勤頂、勤測、勤糾”的方針，使頂進中的誤差不超過20mm。在城市智慧管廊施工過程中，施工沉箱在下沉過程中出現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)，在安裝軌道時將軌道和后座調(diào)整好，當(dāng)施工開始時，應(yīng)時刻關(guān)注兩側(cè)千斤頂?shù)闹L度，并根據(jù)頂板的情況進行調(diào)整，直到達到55m 才能進行后部的頂置。利用Wild2 經(jīng)緯儀進行測量，保證其校正誤差不大于15mm，如果發(fā)現(xiàn)誤差，可以使用S3 水準(zhǔn)儀進行測量矯正。

2.2 重難點分析

在城市智慧管廊工程中，大截面矩形頂管施工首先要進行高精度的頂進姿態(tài)控制，接收井門架與頂管機之間的距離為3.5cm，頂管起始井和接收井之間的高度差為18cm，而頂管的下坡坡度為0.32%。如果想準(zhǔn)確地出井，必須對頂管的頂向和斜率進行嚴(yán)格控制。其次，在大截面矩形頂管的施工中應(yīng)重視頂管的起始和接收。頂管開始出洞和接受進洞時，因頂管機械與洞口之間存在一定的施工間隙，容易產(chǎn)生土壤侵蝕，進而引起工作面塌陷，會導(dǎo)致巖體失穩(wěn)、地面塌陷等安全問題。因此，控制高精度頂進姿態(tài)、頂管始發(fā)與接收以及大截面矩形頂管在粉質(zhì)黏土中的掘進，是該技術(shù)應(yīng)用在城市智慧管廊建設(shè)中需要著重注意的技術(shù)要點，須制定詳細的控制措施以方便工程的開展。

3 大截面矩形頂管施工過程控制措施

3.1 高精度頂進姿態(tài)控制

3.1.1 控制點引測及靶臺安裝

該項目的矩形頂管機施工控制點由基坑外地表引測到基坑內(nèi)部，在后斜井和結(jié)構(gòu)內(nèi)壁上設(shè)置了測控控制點。頂管機內(nèi)靶臺糾偏端的安裝分為前、后兩部分。三個靶臺安裝在前糾偏區(qū)，兩個在頂管機胸面板的左側(cè)和右側(cè)，一個在前校正部分的尾部。后校正段配有兩個靶臺，在修正段前后位置上進行安裝。為了避免工地對靶臺的影響，將頂管機械的中段設(shè)置為整體靶臺安裝區(qū)域。

3.1.2 測量姿態(tài)

采用全站儀對頂管機頂進姿態(tài)進行定位誤差的測量，采用人工測量獲得機頭靶標(biāo)座標(biāo)位置，并計算出頂管機的頂進軸線，與設(shè)計軸線進行比較，以此來得出頂管機的頂進姿態(tài)，頂進測量詳見圖2。

圖2 頂管機姿態(tài)測量

每30cm 測一次高程及軸線，采用土壓平衡式矩形頂管進行推進，以實測資料實時觀察頂管機的姿態(tài)偏差，為頂管機施工提供參考。因此，該工程利用卡西歐5800 軟件程序，對頂管機的位姿誤差進行快速求解。測量員利用手機App 進行姿態(tài)運算，并將位移信息發(fā)送到操控室，由操作者根據(jù)實時上傳的資料，對頂管機進行實時糾偏控制，以驗證測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并對其高程、位置、姿態(tài)進行校驗，以保證土壓平衡的矩形頂管在正確的方向上運行。

3.1.3 打泥糾偏

根據(jù)“實時監(jiān)控，勤測勤改”的原則，盡量減少頂進過程中的偏移，確保機頭的順利接收。該工程運用注漿糾偏技術(shù)，以保證大截面矩形頂管的順利進行，具體打泥糾偏孔的位置如圖3 所示。

圖3 打泥糾偏孔位

當(dāng)頂管機出現(xiàn)中線偏移或滾動時，由于其自身的鉸接糾偏能力不夠，可以通過在井口和管節(jié)上預(yù)留的觸變打泥糾偏孔和鉆進系統(tǒng)，在必要部位對管廊進行注水，調(diào)節(jié)頂管周邊的地層壓力，并通過地層壓力的變化和巖體的微小壓縮來進行偏差糾正。

3.2 控制頂管始發(fā)與接收

3.2.1 頂管機及發(fā)射架安裝

安裝后的基座必須穩(wěn)固、正確，保證在頂入過程中經(jīng)受多種載荷后不會發(fā)生位移、變形和沉降。發(fā)射架由3 個部分組成，使用高強度螺栓進行固定，2 個軌道必須平行等高，達到設(shè)計高度和軸線要求后才能進行下一步工作。在下井組裝過程中，必須準(zhǔn)確定位頂管設(shè)備，以保證出孔軸線與設(shè)計軸線一致。頂管機正確安裝后必須反復(fù)調(diào)試，確保其工作狀態(tài)良好后才能進行頂管出孔和正常頂進。

3.2.2 開鑿破除洞門

為保證安全地建造洞門及頂管安全洞，在洞口施工完畢后，需要將固體物質(zhì)加入洞口的抽芯探測區(qū)域之內(nèi)。測試添加固體完整性后，先開挖洞口，將混凝土破壞至迎土側(cè)主筋的位置，然后再切割外側(cè)的鋼筋，以徹底破壞圍護結(jié)構(gòu)的混凝土層?；炷疗瞥龝r，需要將每個平面被分成9 個部分，從中間到兩側(cè)、由上而下進行破除，具體的分割序號如圖4 所示。

圖4 洞門破除分割

在頂入之前，洞口采用人工風(fēng)鎬，將潤滑油均勻地涂于簾布的止水板外側(cè)，以確保頂入時不會損壞。進行開挖之前，必須在機頭的土倉中填入不少于全倉2/3 的泥漿，以防止倉內(nèi)壓力過低造成的洞口塌陷。

3.2.3 進行洞口止水

由于簾布與出洞口之間有15cm 的空隙，為避免出現(xiàn)土體失穩(wěn)、地面塌陷等問題，因此在出洞之前，鋼洞圈上需要安裝簾布橡膠板，并將簾布橡膠板安裝在洞口預(yù)埋法蘭套管與錨固板之間。使用M20 螺栓緊固，在緊固板的外側(cè)焊接鋼翻板，鋼翻板上設(shè)有可移動銷，用以保證簾布橡膠板頂入時的位置可以進行調(diào)節(jié)，防止個別區(qū)域滲水、漏水。當(dāng)頂管抵達入洞時，如果頂管掌子面出現(xiàn)損壞及其他原因，需要對洞口進行檢驗，可以在洞門鋼環(huán)上焊2 塊防水鋼板，中間填滿棉花，達到加固體后，可以采用低推力、低轉(zhuǎn)速的方法來減緩工作面的損壞。當(dāng)掌子面臺破碎之后，要立即把它推出來，避免滲水。

3.3 大截面矩形頂管在粉質(zhì)黏土中的掘進控制

3.3.1 頂管推進

大截面矩形頂管隧道主要穿越粉質(zhì)黏性土層，該土層塑流性較差，局部振動響應(yīng)較快，因此為避免開挖時土體壓力不穩(wěn)定，產(chǎn)生較大的推動力，需要采用如下方法進行施工：采用泡沫及添加劑注入體系，在刀盤上設(shè)置5~8個添加劑注入孔，避免“塑性及流動性不良”情況的發(fā)生。通過在基坑表面加入泡沫、膨潤土和高分子材料等，提高壓載土的流動性和水密性。采用切板旋桿和攪拌器對壓載土進行充分攪拌，使其具有較好的可塑性，有利于開挖。根據(jù)管廊建設(shè)的經(jīng)驗公式，頂管推進頂力如公式（1）所示。

式中：F為頂力；L為管道的頂部長度；W為管節(jié)的質(zhì)量；S為橫梁的外圓周，是頂桿的阻力；R為土層與管道之間的摩擦力；C為管道的外周長；f為管道的摩擦力因數(shù)。

添加劑、聚合物、泡沫噴淋系統(tǒng)的功能和特點是可以通過加入泥漿系統(tǒng)將添加劑或泡發(fā)劑注入挖掘表面，進而提高砂層的塑流和止水率。添加起泡劑可以有效提高沙層和地層中的砂巖黏性，進而提高砂層塑性和不透水性。在實際應(yīng)用中，必須根據(jù)地質(zhì)條件及影響因素選擇合適的材料。

3.3.2 注漿整流

為克服頂管機的轉(zhuǎn)動，該文采用的控制措施為注漿整流法，即采用兩臺獨立的刀片傳動系統(tǒng)，使兩臺刀片進行相對或反向工作，實現(xiàn)整體扭矩均衡。該系統(tǒng)可由壓漿機將其壓到筒體和管壁外側(cè)，并將其分成兩個單獨的子系統(tǒng)，一種是在套管外側(cè)形成減磨泥漿套；另一種方法是改善土的流塑性，在鉆頭和鉆機內(nèi)部進行灌漿。綜合分析表明，螺桿機的出土孔和進料孔都在增加，但是觸變泥漿的黏性較低，無法有效地將一些姜石和卵石包裹起來，因此必須調(diào)整觸變泥漿的配合比，見表2。

表2 觸變泥漿配合比（kg·m-3）

經(jīng)過對上述技術(shù)措施和設(shè)備的調(diào)整，每日的頂管施工可以達到2.5 延米的頂進，大大縮短了工程進度，保證了大截面矩形頂管在復(fù)雜地質(zhì)條件下的安全施工。

4 結(jié)語

城市智慧管廊的建設(shè)已被納入“十三五”規(guī)劃中，當(dāng)管廊工程遇到管線復(fù)雜的復(fù)雜地段時，應(yīng)用大截斷矩形頂管施工技術(shù)可以有效解決工程建設(shè)中存在的問題。該文根據(jù)工程概況，分析了大截面矩形頂管施工工藝及重難點，并提出將高精度頂進姿態(tài)、頂管始發(fā)與接收以及大截面矩形頂管在粉質(zhì)黏土中的掘進控制措施有效運用于城市管廊建設(shè)中。大截面矩形頂管施工作為一種“綠色、環(huán)保、安全”的新型非開挖技術(shù)，必將在今后的發(fā)展中得到越來越多的應(yīng)用，綜合開發(fā)與利用城市智慧管廊是今后發(fā)展的必然趨勢。