城市綜合管廊項目中矩形頂管機施工的探討

摘"要：本文以深圳市16號線共建管廊（坪山段及碧新路繞行段）工程為例，對頂管機施工過程的相關(guān)因素變化規(guī)律進行分析。實測數(shù)據(jù)結(jié)果表明，頂管機施工過程中，位于頂管軸線的正上方位置對土體的擾動最大，并且土體受到的擾動影響隨著與頂管軸線的距離增大而減小，頂管機施工的擾動范圍大約為頂管外徑的3～4倍。可見矩形頂管機技術(shù)在綜合管廊施工方面具有良好的發(fā)展優(yōu)勢，對項目施工的效率提高及城市空間利用具有重要意義。

關(guān)鍵詞：綜合管廊；矩形頂管；施工文章編號：2095-4085（2024）05-0038-03

0"引言

城市綜合管廊是指建造一個隧道空間，將電力、通訊、熱力、給水等各類工程管線集一體于城市地下，地上附著物為出裝口及通風(fēng)口等設(shè)施，是保障城市運行的重要基礎(chǔ)設(shè)施［1］。隨著城市地下綜合管廊、海綿城市等新興建筑產(chǎn)業(yè)的興起，各種施工工藝被廣泛使用，在一般地下管廊施工過程中，多半采用大開挖式，但這種方法往往因其施工時間長，對周邊環(huán)境影響大，尤其是遇見不可穿越的構(gòu)筑物、道路、河道等障礙物［2］。頂管機施工受到廣泛的青睞，為了解決施工難題，提高社會效益、經(jīng)濟利益和環(huán)境利益，研究以深圳市16號線共建管廊（坪山段及碧新路繞行段）工程為例對相關(guān)的矩形頂管機施工工藝進行探討，對矩形頂管機在管廊工程的施工因素變化規(guī)律進行探究，以提高矩形頂管機的施工效率。

1"施工概況及矩形頂管機施工工藝技術(shù)

1.1"矩形頂管機施工工藝技術(shù)研究

深圳市16號線共建管廊（坪山段及碧新路繞行段）工程中，工作井結(jié)構(gòu)凈空寬×長=10m×10.7m；接收井結(jié)構(gòu)凈空尺寸約為寬×長=7m×9.7m；施工線路全長86.51m，其中頂管區(qū)間長66m。工作井和接收井位于墩子河?xùn)|西兩側(cè)、東縱路南側(cè)，頂管區(qū)間全長66.11m，管節(jié)結(jié)構(gòu)外尺寸7.7m×4.5m，頂管隧道北側(cè)臨近地鐵16號線新屋站～橫塘站站區(qū)間盾構(gòu)隧道，最短平面距離約7.2m；接收井圍護結(jié)構(gòu)外側(cè)距離墩子河垂直距離9.2m。工程采用矩形頂管機技術(shù)，矩形頂管機屬于頂管機，是一種地下工程機械，其基本原理是利用固定的鋼管和可伸縮的銅合金管組成推進管道，通過頂管機主機上的鉆頭實現(xiàn)推進，銅合金管在推進過程中逐漸伸縮，將管道推進到目的地。在推進過程中，可以實現(xiàn)土方回填和砂漿注漿，使得工程質(zhì)量更加可靠。矩形頂管機在施工時，對周圍土體擾動小，能有效控制地面和管線沉降、軌交盾構(gòu)區(qū)間變形；在同等截面下，矩形頂管相比圓形頂管能更有效地利用地下空間，斷面利用率高［3］。矩形頂管機的施工工藝如圖1所示。

在綜合管廊施工中，為了順利推動管道在土中前進，頂管機千斤頂?shù)捻斄π枰朔斶M中的各種阻力如摩阻力、工具管前端端面阻力等，同時在頂進過程中還不斷受到各種外界因素影響。對矩形頂管機千斤頂?shù)目偼屏τ嬎闳缡剑?）。

F=F1+F2+F3+F4

F1=μ1（2HL+2WL）Pm

F2=utKpPm

F3=HWPf

F4=μ2M（1）

式（1）中， F1表示與地層間的摩阻力或粘結(jié)力； μ1表示鋼與土的摩擦系數(shù)，H表示頂管機高度；W表示頂管機寬度；F2表示頂管機切口環(huán)刃口切入土層產(chǎn)生的貫入阻力，Kp表示被動泥水力系數(shù)，u表示開挖面周長；Pm表示作用在頂管機上的平均泥水力；F3表示開挖面正面作用在切削刀盤上的推進阻力，μ2表示管節(jié)片與土的摩擦系數(shù)，F(xiàn)4表示頂管管節(jié)與土的摩阻力。L表示頂管本體長度；M表示頂管管片與周圍圍巖接觸面積；G1表示頂管機重量；G2表示襯砌環(huán)重量；Pf表示開挖面正面阻力；R表示土層抗力；t表示切口環(huán)刃口貫入深度。

頂管機施工所需材料主要包括以下，頂管機根據(jù)施工要求選擇合適的頂管機型號，該工程選取了泥水平衡式矩形頂管機，規(guī)格為7 720mm×4 520mm，6個配置刀盤，刀盤直徑為2 700mm，厚度200mm。頂管應(yīng)根據(jù)管道的尺寸和材質(zhì)要求進行選擇，用于將頂管推入地下，通常采用液壓或機械裝置的推進裝置。用于地下隧道的支護和補強工作的鋼筋和混凝土。在綜合管廊施工中，頂管機施工是一種高效、安全的管道施工方法。使有關(guān)人員更好地了解頂管機施工的相關(guān)知識和技術(shù)要求，提高施工質(zhì)量和效率。同時，在實際施工過程中，要加強安全管理，做好現(xiàn)場安全監(jiān)管工作，確保施工過程的安全性和穩(wěn)定性。

1.2"綜合管廊施工及矩形頂管機施工工藝的實際運用

在綜合管廊施工中，首先需要對工程項目進行地質(zhì)勘察，熟悉地形地貌和相關(guān)的地物條件、地層的巖性分布、頂管區(qū)間的穿越地區(qū)的地層巖性分布、地下水、現(xiàn)狀水文以及周邊的建筑物和地下管線。如深圳市16號線共建管廊工程頂管區(qū)間下穿現(xiàn)有天橋，管廊施工存在影響周邊構(gòu)筑物沉降、坍塌等風(fēng)險。另外對相關(guān)的主要人員和部門管理職責(zé)進行安排，按照一定的組織原則，根據(jù)工程的特點、重點及工地情況等選取和安排成熟、敬業(yè)的項目團隊。

施工總體安排包括施工進度計劃、施工場地布置、施工水電布置及通風(fēng)、管節(jié)放置、基坑安全通道、基坑臨邊防護欄、工期計劃、材料以及設(shè)備。工程位于深圳市坪山區(qū)，結(jié)合沿線的原始地貌、工程地質(zhì)特征及水文地質(zhì)特征等因素。在施工進度計劃中，根據(jù)實際情況和施工計劃，分別安排矩形頂管機的組裝和調(diào)試，加固區(qū)加固、挖掘正常進度安排、接受井回收填土清理、頂管機吊拆等的時間進度。在場地布置中，包括井上場地布置和管內(nèi)布置，對井上場地布置管片臨時堆放處、施工通道、工具房等；管內(nèi)布置包括管內(nèi)的供電、配電箱布置。施工水電布置及通風(fēng)包括施工用電系統(tǒng)、臨時供電線路布置，施工自來水接口安裝、鼓風(fēng)機洞內(nèi)空氣置換等。管節(jié)放置需要按照一定的順序進行有序放置，如生產(chǎn)日期、制造編號，放置時注意不要碰撞以及損壞［4］。墩子河工作井基坑臨邊防護欄采用1.5m高混凝土擋墻， 其余采用高度為1.2m的定型組裝式安全防護欄。工期計劃應(yīng)包括施工部位、施工內(nèi)容、工程量、開始與結(jié)束時間、時間等，設(shè)置相應(yīng)的工期計劃表。材料是按照工程計劃將具體需要的材料進行設(shè)置和安排，設(shè)備是對矩形頂管機頂進施工的相關(guān)施工設(shè)備和工具。在進行矩形頂管機施工前，需要進行充分的準備工作，主要包括確定施工的地質(zhì)情況，包括土層、地下水位等。制定詳細的施工計劃，包括施工時間、施工路線等。調(diào)查和采購所需的材料和設(shè)備，包括頂管機、推進裝置、頂管、鋼筋、混凝土等。組織施工人員，包括設(shè)立專門的施工隊伍和安排相關(guān)的培訓(xùn)工作。

在正式施工前，需要進行現(xiàn)場布置與調(diào)試工作，首先清理施工現(xiàn)場，確保施工區(qū)域干凈整潔，為施工提供良好的工作環(huán)境。進行設(shè)備的調(diào)試工作，測試各項功能是否正常，該工程中設(shè)置頂管機組裝、調(diào)試10～14d；加固區(qū)1環(huán)/d；正常掘進段1.5～2環(huán)/d；頂管機接收井內(nèi)頂推及洞門臨時封堵2～3d；接收井回填土清理1～2d；頂管機吊拆5～7d。安裝矩形頂管機和相關(guān)設(shè)備，包括推進裝置、頂管裝置等［5］。開挖施工是矩形頂管機施工的關(guān)鍵步驟之一，首先進行地面的標高測量和管線的勘察工作，確定開挖起點和終點等位置。根據(jù)實際情況調(diào)整矩形頂管機的推進速度和頂管裝置的開挖范圍，確保施工的穩(wěn)定性和安全性。啟動矩形頂管機，將其推入地下，同時通過頂管裝置進行土方的開挖和輸送。初始階段不宜過快，一般控制在10mm/min左右，正常施工階段可控制在10～20mm/min左右，流量與頂進速度相匹配。出土采用履帶吊直接吊出至地面的集土坑內(nèi)。在開挖過程中，進行支護工作，包括設(shè)置支護管、注漿等措施，以保證地下隧道的穩(wěn)定性。按照設(shè)計要求進行補強處理，包括安裝鋼筋和進行混凝土澆筑等。

在矩形頂管機施工過程中，必須加強安全管理，采取一系列安全措施，確保施工過程的安全性。主要包括配備專門的安全人員，負責(zé)現(xiàn)場安全監(jiān)管工作。制定詳細的安全操作規(guī)程，確保施工人員遵守操作規(guī)程。配備必要的安全設(shè)施，如安全網(wǎng)、安全帽、防護眼鏡等。進行安全培訓(xùn)，提高施工人員的安全意識和應(yīng)急處理能力。在始發(fā)到達前做好始發(fā)到達安全應(yīng)急預(yù)案的演練和應(yīng)急位置的儲備，確保出現(xiàn)異常情況后及時調(diào)撥人力、材料進行緊急處理。定期檢查和維護施工設(shè)備，確保設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性。

2"市綜合管廊的矩形頂管機施工監(jiān)測分析研究

2.1"施工設(shè)計及監(jiān)測部署

深圳市16號線共建管廊（坪山段及碧新路繞行段）工程施工采用泥水平衡式矩形頂管機，其規(guī)格為7 720mm×4 520mm，6個配置刀盤，刀盤直徑為2 700mm，厚度200mm，刀盤驅(qū)動裝置由18臺30kW電動機通過行星減速器及齒輪箱組成。施工工程測量工作分為控制測量、施工測量、竣工測量三個階段。測量方法采用徠卡TS11全站儀觀測6個測回，左、右角各三測回。監(jiān)測頻率綜合考慮基坑類別、施工工序、周邊環(huán)境、自然條件的變化和當?shù)亟?jīng)驗而確定。

2.2"數(shù)據(jù)記錄及現(xiàn)場實測分析

實驗結(jié)合實際工程中的監(jiān)測方案中測點布置情況，探究隨著施工天數(shù)變化不同斷面方向的監(jiān)測點地表沉降位移量的關(guān)系曲線。選取沿頂管軸線方向分布四個監(jiān)測點，探究地表沉降位移量的變化規(guī)律。分析實測數(shù)據(jù)，對矩形頂管機通過各斷面時的沉降數(shù)據(jù)進行分析。矩形頂管機頂進每條頂進的過程是先后通過東側(cè)坡底、隔離帶、西側(cè)坡底，最終到達接收井?？梢钥闯?，四個監(jiān)測點都有著相似的變化，具體表現(xiàn)為，在施工60d左右時，地表沉降位移量發(fā)生顯著的變化，具體表現(xiàn)為在50d左右地表沉降位移量下降。在60d時候達到最小，接著呈現(xiàn)增加趨勢，80d左右穩(wěn)定下來。其中從圖2（d）監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看到，在初始階段，地表豎向位移輕微隆起，當施工為60d左右，曲線出現(xiàn)峰值，接著沉降，值為8.71mm，最后雖然呈現(xiàn)下降趨勢，但是最后相對趨于穩(wěn)定，沉降值為10.99mm。地表沉降位移量總體沉降表現(xiàn)在通過監(jiān)測點，沉降值最大為13.84mm。

3"結(jié)論

隨著國家大力發(fā)展市政公用設(shè)施地下化和集約化，綜合管廊建設(shè)受到廣泛關(guān)注，矩形頂管具有施工安全、施工速度快、對地面環(huán)境影響小的優(yōu)勢，有著廣泛的應(yīng)用前景。研究表明，在初始階段，地表豎向位移輕微隆起，當施工天數(shù)為60左右，曲線出現(xiàn)峰值，接著沉降，值為8.71mm，最后雖然呈現(xiàn)下降趨勢，沉降值為10.99mm，趨于穩(wěn)定。地表沉降位移量總體沉降表現(xiàn)在通過監(jiān)測點，該沉降值最大為13.84mm?？梢娋匦雾敼軝C技術(shù)在綜合管廊施工中具有良好的發(fā)展前景，能夠穩(wěn)定地面沉降，保證施工安全，提高城市空間利用率。目前對地表沉降量的數(shù)據(jù)分析還不夠充足，后續(xù)還需要進行長期研究。

參考文獻：

［1］許有俊，史明，李育發(fā)，等.大斷面土壓平衡矩形頂管施工引起地表豎向變形研究［J］.武漢大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2020，53（7）：597-604.

［2］秦春江，張浡，劉海爭.城市地下綜合管廊接地系統(tǒng)施工中常見問題探討［J］.工程質(zhì)量，2021，39（S1）：139-142.

［3］許云驊，叢北華，鄒麗，等.海濱城市綜合管廊通風(fēng)降濕系統(tǒng)適應(yīng)性模擬研究［J］.中國給水排水，2022，38（7）：109-115.

［4］駱發(fā)江，劉強，黃松松，等.綜合管廊下穿城市排水箱涵大截面雙矩形頂管施工技術(shù)［J］.施工技術(shù)（中英文），2021，50（22）：48-52.

［5］張雪，萬中正，王傳銀，等.無水砂層中矩形頂管施工用觸變泥漿配比優(yōu)化及減阻性能試驗［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，2021，29（5）：1611-1620.