谈矩形顶管施工技术在城市管廊中的应用

武 兆 玉

(中铁上海工程局集团华海工程有限公司，上海 200000)

0 引言

随着城市综合管廊、海绵城市等新兴建筑市场发展的方兴未艾，顶管技术由于其施工时间短，对工程周边环境影响小，不需要开挖面层就能穿越地下构筑物、道路、河道等障碍物，较明挖法和暗挖法相比优势比较明显，在目前的城市地下工程中逐渐得到应用。本文以某城市综合管廊项目的顶管施工工程为例，介绍大断面长距离矩形顶管施工技术在城市综合管廊中的应用。

1 工程概述

1.1 工程概况

该项目位于某市城北东路与齐门北大街相交处附近，设计里程为GCB2+180.786～GCB2+414.386段，顶进长度233.6 m，顶管施工段平均管顶覆土厚度约为9 m。综合管廊采用断面尺寸为5.5 m×9.1 m，壁厚650 mm，内径为4.2 m×7.8 m。管节长度为1.5 m/节，单节重约66.8 t；管节混凝土强度为C50，抗渗等级为P8。顶管结构全部采用预制矩形钢筋混凝土管节，管节接口采用“F”型承插式。管廊顶管标准断面图见图1，顶管施工完成后断面图见图2。

1.2 工程地质

顶管穿越地层为粉砂夹粉土、粉土层，局部下穿元和塘河道处顶管顶部存在淤泥，地下水丰富。为确保结构物的安全，顶管拟采用组合式刀盘的土压平衡式矩形顶管机进行掘进施工，控制地面沉降。设计纵坡度-3‰。

2 施工特点

1)本工程综合管廊矩形顶管断面尺寸9.1 m×5.5 m，属超大断面顶管，且一次顶进长度233.6 m，为目前国内非开挖矩形顶管工程最长距离顶管，也是目前国内综合管廊建设中的首创。施工时容易产生土体扰动等质量问题。

2)顶管施工穿越地层含容易产生液化的含水粉砂夹粉土、粉砂层，易导致涌水、涌砂及地面坍塌的发生，施工风险大。顶管机始发、接收均需采取针对性措施，长距离顶进施工阻力较大。

3)距离顶管接收井11.225 m处为元和塘河，河宽39.01 m，顶管位于元和塘河床下约3.5 m深度穿越，河水常水位深2.8 m，覆土厚度较薄，工程地质及水文条件复杂。

4)管廊近邻齐门立交，距离齐门立交承台最近水平距离为0.8 m，位于承台以下5.0 m，距离最近桩基础水平距离为1.1 m，顶进施工风险高。

3 顶进施工关键点的控制

3.1 机械设备的选择

3.1.1矩形顶管机的选型

采用多刀盘土压平衡顶管机，基本原理是电机通过安装在隔舱板上的减速器驱动、旋转刀盘，刀盘切削掌子面并将切削下来的泥土在泥土仓内进行土体改良形成塑性体泥团，通过螺旋出土器控制排土量来平衡土压力和地下水压力。顶管机下部设有螺旋输送机喂料口，切削下来的土体通过螺旋输送机排出。由于前壳体被隔舱板隔离成前面的土压仓和后面的动力仓两部分，地下水无法渗透进来，因此多刀盘土压平衡顶管机可在高地下水位以下进行顶管施工，有效控制地面沉降。

3.1.2顶管机头

本工程采用土压平衡式9 100×5 500矩形顶管机掘进施工，顶管机机头共布置7个刀盘进行切削，其中1个大刀盘直径4 200 mm；2个中等刀盘直径为2 980 mm；2个中等刀盘直径2 520 mm；2个小刀盘直径1 450 mm。同时2个螺旋出土机配合特制的斗车出土。

3.1.3推进系统

推进系统采用主顶设备30台200 t千斤顶，有效顶程35 cm。顶管顶进长度达233.6 m，设置2道中继间，布置80台50 t千斤顶，有效顶程30 cm。纠偏系统由24台200 t双作用油缸及控制阀件组成，油缸呈斜向45°正交布置，每个纠偏油缸都通过万向铰将顶管掘进机前后壳体连接在一起，使顶管机能在一定范围内任意做出纠偏动作。纠偏行程20 cm，纠偏角度水平1.3°，上下2.3°。

3.2 顶管机进、出洞施工技术

3.2.1顶管进洞段施工

1)始发井基坑围护结构采用φ1 200@1 400 mm钻孔灌注桩支护，外侧设双排φ850@600三轴搅拌桩作止水帷幕，钻孔桩采用C30水下混凝土。钻孔桩与止水帷幕、双排钻孔桩之间接缝采用φ800@400 mm高压旋喷桩进行止水及接缝处理。始发井端头采用φ850@600 mm三轴搅拌桩加固，加固宽度19.2 m，厚度7.0 m，深度15.50 m。后靠墙采用φ850@600 mm三轴搅拌桩扇形加固，加固宽度20.50 m～44.50 m，厚度12.00 m，深度15.50 m。

2)始发及接收洞门凿除采用先降水后凿除的方法。测量放线确定始发门凿除范围，洞门止水圈预留约20 cm的建筑空隙。在洞门圈范围布设9个水平取芯钻探观察孔，通过芯样观察判断端头加固区土体加固状况，再根据芯样及渗水情况，决定是否对土体进行补充加固。对预留洞口处顶管机顶进时所遇到的桩做标记，从上往下，由外向内间隔清除钻孔桩，每次凿除厚度1/2桩径，约600 mm厚，每次凿除前，先用水钻进行钻孔取样。当发现桩后软弱或存在涌水、塌陷及其他不良地质时，要及时与设计联系，地质未经加固处理前不得凿除洞门。等顶管机设备安装调试完成再凿除桩身剩余的一部分，桩身全部破除完成并清理完后推进顶管机机头。

3)顶管机刀盘正面为全断面的三轴搅拌桩水泥土，为保护刀盘，顶进速度控制在0.5 cm/min～1 cm/min。螺旋机出土困难时，可加入适量清水来软化或润滑水泥土。顶管机进入原状土后，为防止机头“磕头”，宜适当提高顶进速度，使正面土压力稍大于理论计算值，以减少对正面土体的扰动及出现地面沉降。

顶管机彻底进入洞门后，需检查洞口止水装置是否有损坏，如有损坏应立即整修，确保泥水、浆液的不外漏。

3.2.2顶管正洞段顶进施工

1)顶进速度。

本段顶管基本处于同一地层，顶进过程可以根据监测变形情况动态调整顶进速度。初始阶段不宜过快，一般控制在5 mm/min～10 mm/min左右，正常施工阶段可控制在10 mm/min～20 mm/min左右。此外，在采取注浆减阻措施后可根据顶力情况合理调整顶进速度。

2)出土量控制。

严格控制出土量，防止超挖或欠挖，正常情况下出土量控制在理论出土量的98%～100%，一节管节的理论出土量为75 m3。考虑加入土体改良剂因素，实际一节管节出土量在80 m3～85 m3左右。采用矿物类改良剂，其主要材料为膨润土，改良剂试验主要确定膨润土浆液、泡沫剂与土体的配比，初始配合比为膨润土98 kg、粘土392 kg、水812 kg。

顶管工程中，严格控制土体切削掌握的尺度，防止超量出土，确保控制螺旋出土量与顶管机头刀盘削土量应相一致，减小对管节周围的土体影响，从而才能保证地面不受影响。

3)姿态测量控制。

a.顶管机监测：顶进过程中，如果有变化立即纠偏，纠偏过程中不能大起大落，避免顶管机走“蛇”形。在顶管机胸板上设置3个光靶，采用三台激光仪对顶管机姿态(轴线、水平、扭转)进行实时监测，同时每天采用全站仪进行一次人工复测，以确保测量数据的准确性。每天将测量数据整理绘制顶管机实际顶进路线，与设计路线进行对比。根据设备自身的监测仪和倾斜仪上的数据决定是否纠偏及如何纠偏。在顶进过程中重点注意机头的转角，机头一旦出现微小转角，应立即采取刀盘反转、加压铁等措施回纠。

b.管节监测：管节安装完毕后，在管节中部及两侧位置标示出测量点，在顶进过程中定期监测管节姿态及位移，并作好记录。顶进轴线偏差控制要求：高程+30 mm，-50 mm；水平：+50 mm。

4)采取管节外涂蜡和触变泥浆两种方式减少顶进减阻。

在顶管管节吊装下井前，对预制管节外壁四周涂蜡、烤烘处理，利于管节顶进施工。触变泥浆原材料采用膨润土、水、纯碱和CMC，每立方米配合比分别为400 kg,850 kg,6 kg和2.5 kg。压浆时必须坚持“随顶随压、逐孔压浆、全线补浆、浆量均匀”的原则。每节管节上均匀布置14个DN25钢管压浆孔，从底部往上部的顺序开始压浆。每节管节触变泥浆理论量为1.58 m3/环，注浆压力大于0.18 MPa。

3.2.3顶管出洞段顶进施工

1)接收井基坑围护结构与始发井相同，接收端加固采用φ850@600 mm三轴搅拌桩加固，加固宽度18.0 m，厚度5.0 m，深度15.50 m。接收洞门凿除顺序与始发井相同，待顶管机靠近钻孔灌注桩50 cm左右，再凿除剩余一半的混凝土结构，完成后顶管机顶进接收坑。2)在顶管到达距接收井6 m后，开始停止第一节管节的压浆，并在以后顶进中压浆位置逐渐后移，保证顶管接收前形成完好的6 m左右的土塞，防止顶管机顶进接收井时带出水、土，发生涌砂涌泥等不良现象。3)在顶管机刀盘进入接收井洞口加固区域时，应适当减慢顶进速度，调整出土量，逐渐减小顶管机掌子面顶力，以确保前方土体稳定及洞口结构稳定。

3.3 施工监测

监测初始值的测量时间为顶管施工前先进行，测量出未施工前各监测点的初始值。

监测开始时间与顶管始发时间同步，结束时间为顶管顶进完成后一个月或者沉降稳定后。

监测频率为：顶进始发时及经过重要结构物时按1次/d，正常顶进过程中按1次/d～2次/d，顶管贯通道后按1次/3 d～1次/5 d。

3.4 接缝防水施工

1)采用预制钢筋混凝土结构，混凝土强度为C50，抗渗等级为P8。管节接口采用“F”型承插式。2)每节管节安装前,管节立面先粘贴止水圈及木衬垫，管节与管节的接口部分按采用双组分聚硫密封膏填充嵌填。3)顶进完成后，利用触变泥浆注孔注入1∶1的水泥浆填充料，将管壁外触变泥浆置换为水泥浆，增加管外壁土体的密实度，固结通道连成整体防止管节出现不均匀沉降的现象。4)过河段管节与管节之间采用刚性连接连成整体，防止不均匀沉降导致管节缝渗水。

4 解决的关键问题

4.1 下穿元和塘河床顶进施工

1)在顶管施工前对河床底板采用800 cm厚钢筋混凝土板进行预加固，混凝土强度不小于C30，加固范围为39 m×19.1 m×0.8 m,并进行上部堆载反压。采用半幅河床填筑临时围堰交替施工;2)顶管始发至穿越前20 m作为穿越前试验段。对顶进参数、轴线、顶管机姿态及地面变形情况等数据进行综合汇总分析，指导后续穿越段施工。核准穿越段里程并将穿越前后10 m列入穿越段范围;3)遵循“勤测勤纠”原则。减少因纠偏产生的对周边土体的扰动；4)加强穿越过程中对河床的监测。并根据需要通过管节预设注浆孔及时进行跟踪注浆；5)顶管穿越河床段时，加强对减摩泥浆质量、压力和压注量的控制，确保减摩泥浆套的完整，减少顶进阻力；6)必须在土压平衡状态下进行顶管顶进，过程中严格控制出土量；7)在顶管通道内装瓦斯检测仪，特别在顶管过河段施工前需检测是否有沼气，做好通风措施。

4.2 近临齐门立交桥墩及基础顶进施工

1)在顶管穿越施工前，再次复核顶管顶进路线，确认顶管与桥墩桩基的相对位置，确保顶管以良好的姿态进行穿越。

2)严格控制顶管的施工参数，防止超挖、欠挖。合理控制顶进速度，保持施工的连续性和稳定性，严格控制顶进的纠偏量，尽量减少对正面土体及前方土体的扰动。顶进过程中将顶管机头通过桥桩的时间尽量安排在夜间地面车辆较少的时间段，减小地面车辆行走引起的振动荷载对施工的影响。

3)顶进前对顶管穿越段附近立交桥标高进行重新测量，并布置沉降监测点及时掌握桥桩的沉降情况。

5 结语

该项目下穿元和塘河和某单位居民楼，近邻齐门立交桥墩、新苏吴天地以及其他八个建(构)筑物，下穿地下通信、雨水、给水、信息、电缆、燃气等各种管道。采用顶管施工，避免了明挖施工时产生的交通、拆迁安置、工期无法保障等诸多的问题，具有施工快速、扰民少、工期可控等优点，产生了良好的社会效益、经济效益和环境效益。目前该工程已顺利施工完毕，圆满克服了以上施工难题，达到了良好的效果。这项技术比较具有推广价值，为类似工程施工提供技术借鉴作用。

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