复杂地况下矩形顶管施工技术

复杂地况下矩形顶管施工技术

黄亮祖

（中铁二十局集团第五工程有限公司 云南昆明 650200）

摘 要：随着城市的不断发展,地铁的建设数量也随之增加。而地铁施工占道带来的交通拥堵严重增加了交通压力，影响了市民的正常交通需求。地铁出入口施工需要跨越城市主干道，对交通的影响会更严重。出入口通道采用矩形顶管施工的出现，可以很好的解决这一问题。本文以南宁地铁5号线江南公园站C号出入口过街通道施工为例，对矩形顶管施工所面临的风险进行分析，并针对风险制定了相应的施工方案，从而解决城市地铁建设带来的交通压力，并为后续类似工程提供参考依据。

关键词：地下水、粉细砂层、顶管施工

1.前言

地铁出入口施工通常采用的方法有明挖支护施工、矿山暗挖法施工及矩形顶管三种方式。采用明挖法施工需要迁改的管线多、占用主干道，不仅费用高，还影响交通；采用矿山法施工，施工范围内主要是粉细砂层，不仅结构埋深浅，且地表重载车辆多，施工风险极大；根据工程情况采用矩形顶管施工工艺，不用围封堵市道路，只需要占用道路以外的场地，对交通影响小，且无需迁改管线，施工周期短，费用低。

不同区域有着不同的地质、水文条件，因此采用矩形顶管施工面临的问题也不尽相同。一般在设计阶段会对施工风险采取措施，但是由于现场条件变化导致原设计措施无法实施，需根据实际情况制定新的的解决方案。本文案例就出现了这类问题，原设计的始发端旋喷桩加固措施无法施工，给顶管始发带来了很大的难度，项目根据现场地质、水文条件，制定了真空降水措施，有效的解决了粉细砂层顶管掌子面塌方难题。

2.工程概况

2.1 C号出入口概况

江南公园站是南宁轨道交通5号线一期工程从南到北的第4个站，站位位于壮锦大道与高棠路交叉口西侧。C号出入口位于壮锦大道与高棠路交叉口东南侧，出入口过街段采用矩形顶管施工。过街顶管段主体结构长43.5m，顶管段顶板覆土厚度约6m，长度为43.5m，顶管尺寸为6.9mx4.9m（外径尺寸），壁厚500mm，1.5m一环。始发端、接收端5m范围内采用高压旋喷桩注浆加固。

2.2 水文地质概况

矩形顶管施工范围内地质主要为粉细砂④1-2层、含黏性土圆砾⑤2层，只在接收端存在存在少量的粉砂质泥岩。地下水位于地表以下4m，水位位于隧道上方。顶管上方有多根砼雨水管、污水管、给水管、110kV高压线等，地下情况复杂，详见图1。

图1 C号出入口矩形顶管纵断面地质图

3 矩形顶管施工

3.1 顶管机设备简介

矩形顶管机一般采用土压平衡模式，常用有平动式刀盘、多刀盘、复合刀盘等设计。现多采用多刀盘设计，多刀盘顶管机工艺成熟、切削面积和切削能力大、对土体扰动小。本工程矩形顶管机由六个小刀盘组成；刀盘是前后错开的,详见图2。

图2 土压平衡式矩形顶管机立面、剖面示意图

矩形顶管的后配套安装，主要指机座轨道、钢后背和传力架安装。基座采用型钢焊接,底部与始发井底板密贴,顶部两条平行钢轨中心与隧道中心线重合,钢轨前端与洞门相连,后端顶在反力架上,防止钢轨滑移。此外，在导轨的两侧每隔一定距离加设200H型钢作为横向支撑，支撑在结构的底板上，提高导轨的稳定性。依据隧道设计轴线、洞门位置及顶管机的尺寸，反推出导轨的空间位置，导轨中轴线应与隧道中线重合，与顶管通道轴线保持一致。安装完成后测量复核、固定。

在安装反力架时，安装原则为纵向轴线应与隧道设计轴线重合，反力架端面应与始发基座轴线垂直，以便顶管机轴线与隧道设计轴线保持相对平行。安装时反力架与车站结构连接部位的间隙用钢板要垫实并焊接好，以保证反力架脚板有足够的抗压强度反力,反力架与结构后靠墙之间用C30砼填充密实，防止结构。

3.2顶管机始发

主要施工步骤为：始发端土体加固、降水→人工凿除围护桩→刀盘顶进至掌子面→机头顶进施工→确定掘进各项参数。

3.2.1 始发掌子面真空降水

始发端头上方新建了110kV高压线管廊,导致旋喷桩注浆无法施工,由于地质勘察时处于枯水期,导致未施工降水井,矩形顶管施工时处于雨季,地下水丰富。围护桩破除后，掌子面渗水导致粉细砂层流失,严重影响隧道上方给水管、高压线安全，并给围挡外侧壮锦大道行驶车辆带来极大安全隐患。为确保顶管机顺利始发，决定采取掌子面真空降水措施，将水位降到隧道底部。

真空降水原理：在掌子面底部钻入直径10cm的圆孔，孔深1.5m，然后再孔内插入直径3m的PE排水管，孔口密封后在PE管外露口安装真空泵，抽出空气使孔内形成真空，将水吸出土层。PE管端头1m范围内开φ2mm的小孔，间距15cm，然后用纱网将管开孔部分全部包裹密实，防止泥砂流入管内影响降水。真空降水详见图3。

图3 掌子面真空降水示意图

3.2.2顶管始发前洞门破除

顶管机进始发前，必须先将洞口钢筋混凝土灌注桩围护结构破除。隧道洞门需要在始发或到达前将洞门端头围护结构进行凿除。始发洞门和接收洞门围护结构的型式为Φ800mm@650钻孔灌注桩，采用人工风镐凿除洞门。

为确保洞门凿除施工安全，洞门凿除施工分两步骤施工。第一步先破除混凝土至迎土侧主筋位置，第二步割断外侧钢筋完全破除围护结构混凝土。每一步的混凝土破除在平面上分为9块，从中间往两侧、从上往下进行，分块如图4所示：

图4 洞门破除分块示意图

3.3顶管正常掘进

3.3.1 顶管机顶进

（1）顶管机在进入加固区前，根据始发井洞门实测数据，调整好进洞姿态，避免顶管机被洞门“卡住”；

（2）顶管进入加固区，严密观察出渣情况，若含水、含泥较多、出现喷涌现象，应立即停止分析原因，采取有效止水措施后恢复顶进；

（3） 严格计算出土仓压力，顶管土仓土压力=水平侧向力＋修正施工土压力。掘进过程中必须严格控制出土量，发现超挖和负挖现象及时调整。顶进要时刻记录出土速度和土仓压力，加强地表监测，当出土量发生变化时，应立即组织相关人员进行分析，在查明原因后应及时控制值土仓压力及顶进速度，确保掌子面稳定。控制不严出现超挖或负挖会造成壮锦大道隆起与下沉，给车辆安全行驶带来隐患。

（4）顶管机采用土压平衡模式，在顶进过程中关键是保持土仓压力稳定，保持掌子面受力稳定，防止地表隆起或下沉。主要采取的措施是控制顶管机掘进速度与出土量，江南公园站C号出入口施工范围内地质主要为圆砾层及粉砂层，在刚开始掘进时，先控制推力略大于理论值，防止掌子面塌方，正常顶进后根据地面监测数值进行调整。

（5）顶进过程中加强顶进压力与土压力的控制，加强姿态的控制，加强地面沉降控制，加强管节注浆控制等。

3.3.2 顶进姿态控制

（1）顶管机安放的始发架在标高、坡度调整完毕后，要将架体固定好，架体与基础密贴不能有空隙，与后靠背之间填塞密实，防止架体滑移，影响顶管机始发姿态。

（2）主顶安装要与管节中心轴线成对称分布，以保证管节的均匀受力。

（3）顶管机安装必须对顶管机进行精确定位，必要时在门洞环俩侧焊导向轨等措施，确保进洞姿态正确。

（4）在顶管施工过程中加强出土量管理，严格控制掘进速度、前方土仓压力，确保前方刀盘正常运转，避免扭矩过大，控制顶管机保持正常姿态。

（5） 掘进施工中严格控制土仓压力。本顶管机土仓部位设置有5块土压表，可精确观测到掌子面上、中、下部的土压值。施工中根据理论计算的土仓压力值及地表沉降观测结果合理设置土仓压力

（6）保证管节拼装质量，控制拼接间隙不超过允许值；保持良好的顶进姿态；在顶管通道顶进完成后，及时对通道周边的土体进行置换注浆加固控制后续沉降。

（7）顶管施工要有保持均衡顶进施工，应避免长时间停机，出现顶管机下沉现象。

3.3.3 减阻注浆

随着顶管的推进，管片与周围土体之间的摩擦力会不断加大，为确保顶管机推力稳定，需要在管片周围注泥浆，减少摩擦阻力。

根据设计要求泥浆比重1.1～1.6KN/m³，粘度25s。

泥浆比重γ=（w/c+1）/（w/c+1/B）/10

w/c=水灰比，取

B=膨润土密度2～3g/cm³

①泥浆比重取1.1，膨润土密度取3g/cm³，计算水灰比如下；

w/c1=（1-γ/3）÷（γ-1）=（1-0.33×1.1）÷（1.1-1）=0.074

②泥浆比重取1.6，膨润土密度取3g/cm³，计算水灰比如下；

w/c2=（1-γ/2）÷（γ-1）=（1-0.33×1.6）÷（1.6-1）=0.088

w/c=水灰比，取范围0.74～0.88,

泥浆配合比：每立方(纯碱及CMC根据现场试验调整)

理论间隙每环:（4.93+6.93）×2×0.02×1.5=0.71m³/ 节。

3.4顶管到达接收

3.4.1接收平台

江南公园站C号出入口顶管接收位于主体结构范围内，在主体结构施工过程中，由于中板位置与顶管结构冲突，因此主体结构中板预留顶管接收尺寸的孔洞，相同位置的顶板预留了顶管机吊装的孔洞，因此顶管机在接收时，需要自行搭设接收支撑体系。

顶管机接收架位于接收井内（江南公园站中板预留孔洞下），采用钢结构形式，立柱采用9根φ300×10mm钢管，立柱间设置I10工字钢系梁，钢管上部设置双拼I36a工字钢横梁，横梁上部设置I20a分配梁@800mm，分配梁上部满铺5mm厚钢板。顶管接收架荷载分析及组合。详见图5。

图5 钢架接收平台示意图

3.4.2 顶管机接收

（1）在顶管机推进至接收端10m时，对顶管机位置进行准确的测量，确定刀盘与预留接收孔的相对位置，如有偏差需提前缓慢纠偏。在考虑顶管机的到达姿态时注意两点:一是顶管机到达时的设备中心线与隧道设计轴线的偏差，二是接收洞门位置的偏差。纠偏要逐步完成，每一环纠偏量不能过大。

（2）接收端土体加固采用双重高压旋喷桩注浆加固，加固施工可在围护桩施工完成后立即进行，并钻芯取样检查加固效果。并在到达前一个月检查加固效果，当效果不理想时采取补充加固措施以满足顶管机到达掘进要求，特别是接收端上方存在砼排水管或行车道时加固效果检查尤为重要。

（3）顶管机刀盘到达接收端围护桩时，开始人工破除砼围护桩，破除顺序与始发端砼桩破除一致。

（4）接收基座安放在钢架接收平台上方，轨道中心线应与隧道设计轴线一致。接收基座的轨面标高比顶管机底部低10mm，以便顶管机顺利滑上基座。

图6 接收端洞门砼桩人工破除 图7 顶管机出洞

4 矩形顶管施工分析

4.1 顶管施工优点

（1）进度快：C号出入口掘进天数为20天，总长度43.5m，平均速度2.18m/天。

（2）影响小：采用矩形顶管，只需要始发井及设备摆放场地，隧道部位无需占用道路，不影响道路车辆正常行驶。

（3）成本低：过路隧道通车采用的明挖施工，需要迁改的市政砼排水管较多，不仅工期长，而且迁改成本高。

（4）小刀盘设计对周围土体扰动小，设备土压力平衡控制精确，地面和沿线管路沉降可控制在±20mm以内，采用辅助沉降控制措施，沉降可控制在±10mm以内。

4.2 矩形顶管缺点

（1）采用后推式顶进施工，施工长度受限制。一般常见的砂层、黏土层顶进长度在200m左右。不同的地层摩擦阻力不同，决定了顶管的施工长度。

（2）不适用岩石硬度级别高于Ⅵ级以上的岩层。矩形顶管刀盘小于顶管机外壳，周边土体需要外壳削切，岩层过硬超过了设备的工作极限，不同于盾构机适应地层广泛。

5结论

江南公园站C号出入口下穿壮锦大道主干道，施工范围内存在粉细砂层，水位高，隧道上方管线多，其中DN1500砼雨水管与隧道顶部只有56cm，道路上方车辆多，地质情况复杂。采用矩形顶管施工，配合真空降水措施，不仅圆满解决了粉细砂层始发掌子面塌方难题，还精准的近距离穿越既有管道，成型后隧道精度高，外观好。过街隧道采用矩形顶管施工具有良好的经济效益和社会效益，有广阔的发展前景。

参考文献

[1] 《顶管工程施工规程》（DG/T J08-2049）

[2] 《矩形顶管施工的研究与应用》林强强

[3] 《砂性土层中土压平衡矩形顶管施工对管线影响的研究》许有俊、

文中坤、白雪光、刘晓喻、张玥