国内首条超大断面矩形顶管隧道修建综合技术

摘 要：国内首条（郑州市下穿中州大道）矩形顶管隧道工程具有断面超大、超浅埋、四条隧道平行布置，净间距小等特点，并为国内首次采用矩形顶管隧道做为城市交通主干道，修建技术复杂。

关键词：超大矩形顶管；覆土浅；小净间距隧道；矩形管节设计；矩形顶管机设计；顶管隧道施工综合技术

1 工程概况

红专路下穿隧道起始点位于红专路与姚寨路交叉口处，沿红专路向东，下穿中州大道，终点位于红专路与龙湖外环路交叉口处，工程全长801.263m。其中下穿中州大道段采用矩形土压平衡顶管法进行施工，长度为105m。顶管段隧道为四条隧道平行布置，中间两孔斷面为10.10×7.25m，两侧两孔断面为7.50×5.40m。顶管隧道横断面图见图1。

2 顶管隧道特点及重难点

（1）断面超大：机动车道顶管隧道断面为10.10×7.25m，为目前国内乃至国外最大断面矩形土压平衡直拱顶管隧道。

（2）覆土浅：隧道覆土厚度在3.0-4.2m间，覆跨比仅0.3。

（3）净间距小：四条隧道平行布置，隧道间净间距仅1.0m，施工期间相互扰动大。

超大断面矩形顶管修建技术重难点在于：

（1）采用矩形顶管隧道做为城市交通主干道尚属首次国内首次，可供借鉴和参考的经验较少。

（2）顶管管节断面为超大矩形，横向跨度较大，不利于顶板受力，造成管节厚度较大，整体管节较重，不利于管节运输和顶管施工，同时造成材料消耗较大，如何优化管节断面设计是需重点考虑的问题。

（3）顶管管节一般采用承插口进行连接，承插口内设置鹰嘴型或半圆形止水条进行防水，如此超大断面顶管管节防水及管节横向连接是需重点考虑的问题。

（4）顶管隧道具有覆土浅、净间距小等特点，土压平衡顶管机掘进过程中应最大可能减小地层的扰动和隧道间的相互影响，同时顶管隧道跨度较大，施工过程中顶板极易产生背土效应，为此顶管机刀盘的选择和防背土措施是需重点考虑的问题。

（5）矩形顶管隧道断面超大、覆土浅、顶进长度105m（未设中继间）、四条隧道平行布置，净间距仅1.0m，施工过程中极易造成地表沉降超限、姿态偏差超限、顶进推力极大和先后隧道间相互影响较大等问题，为此顶管施工中地表沉降控制、姿态控制、顶进推力控制及小间距隧道顶进是需重点考虑的问题。

3 超大断面矩形顶管隧道管节设计

顶管矩形断面与圆形断面相比，有效使用面积节约45%，与双圆断面相比，有效使用面积节约35%，与椭圆形相比有效使用面积节约15%。由此可见矩形断面具有充分利用结构断面，减少土地征用量和地下掘进面积，合理的形状分布，降低工程总体造价等优点。同时隧道受两边引坡段及拆迁的影响，隧道覆土较浅，红线宽度较小，隧道断面采用矩形。

3.1 顶管隧道管节矩形断面的优化设计

顶管管节断面为超大矩形，横向跨度较大，不利于顶板受力，为有效的改善管节结构受力，将管节矩形断面优化为顶部起微拱的形式。经计算，矩形管节顶部起微拱和平顶设计的跨中内力计算结果对比见表1。

由表1可知，在同等条件下，顶板起拱与顶板无拱的矩形断面管节相比，跨中弯矩减小25%，含筋量减少12%，管节厚度减小14%。优化后的矩形断面管节有效的改善了结构受力，大大减少了材料消耗，降低工程造价，结构自重减小，方便吊装及运输。同时结合顶管机械装备设计，管节顶部起微拱后，可有效减小顶管机盾壳的重量和刀盘切削盲区，更有利于顶管隧道的施工。

3.3 矩形顶管隧道管节接头优化设计

经综合调研和工程类比，矩形顶管隧道管节接头采用F型接头型式，但F型接头存在防水效果不良、横向抗剪力小等问题，为此对F型接头防水和横向连接进行了改进及创新。在原有的鹰嘴型和半圆形密封胶圈的基础上增加了一道弹性密封垫，见图2F型接头防止做法示意图，极大的改善了防水效果。在管节的横断面上设置6个自锁型连接销，见图3矩形顶管管节接头连接设计，极大的增加管节的接头的横向抗剪力。改进后的管节接头具有以下优点：

（1）管节接头强度高，密封性好，在泥浆、水土压力作用下不变形。

（2）采用了设置多道防水的做法，止水效果好。

（3）施工后接头外侧注入水泥浆液，管节接头耐久性好，有效作用年限长。

（4）钢管与插销预留合理间隙，两侧对称布置，方便管节对接和顶进纠偏。

（5）钢管及插销强度均较高，在相邻管节受力不均衡时不发生较大变形和破坏，不削减管节刚度，管节结构安全可靠。

4 超大断面矩形顶管机针对性设计

4.1 矩形顶管机刀盘设计

目前常用的刀盘型式为偏心多轴式刀盘、仿形刀盘、组合刀盘，经综合调查、对比和分析，偏心多轴刀盘适用于隧道埋深较大，隧道上部管线较少，隧道之间的间距较大的工程；仿形刀盘适用于风险系数小的工程；组合刀盘形式适用于隧道长宽比大约在3：2、管线情况较复杂、沉降量要求控制高的工程，为了减小对土体扰动，有效控制沉降，同时使盲区面积最小，采用六个刀盘前后交叉布置，临近两个刀盘之间保持一定的间隙，不发生相互干扰，开挖率可以达到90%左右。

4.2 矩形顶管机防背土设计

当顶管机与上覆土层之间的摩擦力较大时，地层部分土体黏附在顶管机上部，随着推进长度的加大，黏附土体越多，造成顶管推进困难，即“背土”效应，见图4。

顶管机设计制造时，在顶管切口环处增加帽檐结构，顶管掘进过程中，实时注入触变泥浆，形成良好的泥浆套，减小与地层的摩阻力。

4.3 矩形顶管机整体设计情况

四条顶管隧道采用两台顶管机进行施工，其中机动车道顶管机断面为10.12×7.27m，非机动车道顶管机断面为7.52×5.42m。两台顶管机均采用土压平衡模式、刀盘为6刀盘形式（3凸3凹），采用两螺机出土、前盾设置“帽檐结构”（防背土装置）。

5 超大断面矩形顶管施工关键技术

5.1 地表沉降控制

顶管施工过程中，加强地表、管线和周围建筑物施工监测，同时根据监测数据，及时调整顶管掘进参数，做到信息化施工。顶管掘进过程中要严格控制渣土改良、土仓压力和出渣量等技术参数，防止地表沉降出现超限的情况。隧道掘进后，及时收集原始数据，并汇总分析，总结施工经验，进一步优化施工参数，为下一条顶管隧道掘进提供经验和借鉴，同时及时进行置换或压密施工过程中注入的触变泥浆，减小隧道贯通后的地表沉降和运营过程中的变形。

5.2 矩形顶管姿态控制

顶管掘进过程中，要加强顶管姿态的量测，时刻掌握顶管姿态以指导顶管掘进施工。顶管姿态测量采用自动导向系统和人工辅助测量相结合的方式，以确保顶管姿态的精确控制。当顶管姿态发生偏差时，及时采用铰接纠偏油缸、地层注浆和顶推油缸等纠偏措施进行纠偏。同时掘进过程中要精细化控制六刀盘和两螺机出土等设备，以防操作不当造成顶管姿态偏差较大，当顶管姿态发生偏差时，亦可采用六刀盘和两螺机出土等设备进行辅助纠偏。

5.3 矩形顶管减阻技术

在顶管隧道施工过程中，通过同步注触变泥浆，在顶管机和隧道周围形成触变泥浆套是顶管隧道主要减阻技术措施。

施工前必须根据膨润土的性能、地层参数、注浆设备参数等进行触变泥浆配合比试验，找出适应工程的触变泥浆配合比。施工过程中加强同步注浆和二次补浆（浆液均为触变泥浆），以保证形成良好的触变泥浆套，起到良好的减阻效果。特别注意，顶管注浆要做到：先压后顶，随顶随压，及时补浆。同时要在管节外周圈进行涂蜡或防水材料，以減少触变泥浆套的失水，破换触变泥浆套。

6 结论与讨论

（1）下穿中州大道隧道工程首次将顶管施工应用于城市主干道，在超大矩形断面、浅覆土、小间距、地层多次扰动等复杂情况下，通过顶管管节改进及优化设计、顶管机针对性设计、顶管施工的精细化控制，顶管隧道各项指标均在规范和设计要求范围内，对顶管施工工法有很大的推广意义。

（2）顶管施工过程中，顶管隧道和顶管的设计、顶管施工控制参数要根据工程概况、地质参数、现有条件等进行选取，并参照国内外同类工程。

（3）顶管隧道施工过程中，必须严格控制触变泥浆配合比、同步注浆及二次注浆、渣土改良、掌子面压力、出渣量、铰接和注浆纠偏、六刀盘操作、两螺机出土、隧道止退等技术，确保地表沉降、姿态偏差等技术指标控制在规范和设计要求范围内。

（4）随着顶管断面的加大，顶管隧道修建难度增加，顶管隧道管节顶板起拱度的大小、顶管机六刀盘开挖盲区侧处理以及顶管施工中技术参数的控制如何根据具体工程实际概况进行调整，有待进一步的研究。

参考文献

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作者简介：张彦伟（1977，1-），吉林省梨树人，高级工程师，工程硕士。