大断面类矩形盾构顶管施工风险及对策综述

2020-03-11胡宝生

公路交通技术 2020年1期

胡宝生

(中铁隧道集团一处有限公司，重庆 401121)

随着我国经济飞速发展，越来越多的城市正加速现代化进程，城市发展的容量和体量越来越大，因此要求基础设施建设采用先进工艺工装，以减少征迁工作量、减少对既有运营交通的影响、减少对周围居民及行人的影响，因此盾构顶管施工技术应运而生。盾构顶管法是继盾构法之后发展起来的一种地下空间施工技术，它是借助于顶管机主顶油缸及中继间的顶推力，使掘进机从工作井内始发穿越既有设施，并掘进至接收井起吊，预制管片跟随掘进同步安装。此技术无需破坏既有设施，能够穿越公路、铁路、河川、地面建筑物、地下构筑物以及各种地下管线，具有安全、快捷、施工干扰小等特点。

1 我国矩形隧道掘进机施工技术现状

自从英国人布鲁诺首次采用矩形盾构机修建伦敦泰晤士河底隧道以来，至今已逾170多年，在之后的发展进程中，盾构机作为地下工程设备，几经发展和变化，施工工艺和设备也在不断的实践中得到发展和提高[1]。20世纪50年代我国开始进行顶管施工技术试验和研究，最初为手掘式顶管，设备简陋；20世纪60年代至70年代，上海成功研制出小口径土压式机械顶管机；1978年前后，上海成功研制挤压法顶管；1984年前后，随着我国改革开放政策的推广，全国各地相继引进国外先进的机械顶管设备，同时引进一些顶管分析理论、施工技术和管理经验，此后机械顶管技术和理论出现飞跃发展，由泥水(土压)平衡掘进机和多刀盘土压平衡掘进机等先进顶管设备和技术代替简单的手掘式顶管施工。顶管管节也由最初的圆形顶管，演变成了矩形顶管、类矩形顶管等各类异形顶管。

目前，我国矩形顶管装备制造及施工工艺已非常成熟，矩形顶管法施工技术已广泛应用于地铁隧道、高速公路下穿、市政主干道下穿、地下停车场、综合管廊、电缆隧道等领域的工程建设，在全国已有数十个项目的成功应用，如表1所示。

表1 代表性矩形盾构顶管隧道

随着我国矩形断面隧道的广泛应用，大断面、长距离及曲线顶进的矩形隧道不断涌现，越来越多设备的制造商集中开发盾构设备、研究盾构适应技术，而对大断面类矩形盾构顶管施工风险的研究却少之又少；鉴于施工风险分析是项目是否可行的关键，项目实施前，风险和对策研究对矩形盾构顶管技术的应用至关重要，因此，笔者就矩形盾构顶管施工技术风险和对策的关键问题进行了系统的分析和综述。

2 大断面类矩形盾构顶管工法主要施工风险及对策

2.1 超大断面开挖引起地表沉降风险[2]

根据不同工程需要进行不同刀盘开挖系统的设计，矩形盾构顶管施工关键是控制地表沉降[3]，针对不同地层岩性，对矩形掘进机开挖方式进行对比分析，以期找到更适宜项目的开挖技术，如表2所示。分析表2可知，采用组合多刀盘联合[4]开挖方式，对土体扰动小，设备加工相对简单，设备后期运行可靠性较高。

表2 矩形掘进机开挖方式

2.2 超大断面管片吊装、运输、安装风险

目前已有2车道的施工案例，如郑州市红专路下穿中州大道隧道(断面10.12 m×7.27 m)，天津黑牛城道下穿项目(断面10.42 m×7.57 m)。3车道矩形顶管隧道方面，如浙江嘉兴环城快速路项目(断面14.9 m×9.46 m)，目前该项目已完成设计和招标工作。超大断面管片吊装运输的问题可通过模块化设计、分块组装的方式解决，即分块运输、现场组装[5]。预制管节分块现场组装示意如图1所示，管节翻身如图2所示。

2.3 长距离掘进轨迹精确控制风险

1) 长距离掘进轴线控制

采用UNS测量导向系统[6]和多维度位姿控制技术，为保证顶进的测量精度，施工前对测区内导线网与水准网等进行校核，对始发井和接收井坐标及高程进行联测，以减少测量系统误差。顶进期间，利用UNS导向系统，随时了解掘进轨迹，发现误差及时纠偏。其中，掘进机标靶测量[7]时，管内控制测量采用支导线法、施工测量时观测机头标靶的三维坐标，对其水平偏差、垂直偏差及掘进里程进行复核。

(a) 管片分块现场组装

(b) 管片现场组装成环

(a) 预制管节吊具

(b) 管节翻身架

管节轨迹偏移测量[8]时，在管节法兰连接处，将水平尺两端卡在管节上并保持水准气泡居中，观测水平尺上反射片的十字丝得出三维坐标(a,b,c)，根据坐标反算可得测点处的里程S，依次推算出此里程处的设计值(X,Y,Z)，此里程的实际坐标为(x,y,z)，其中：x=a,y=b,z=c+L-R，由实际值和理论值比较得出偏差值(ΔX,ΔY,ΔZ)。

2) 设备方面

通过调向系统的力位混合控制与双螺旋输送机协调出渣控制，保证姿态的稳定。对于滚转控制，盾壳上设计有水平倾角传感器[9]，实时监测滚转姿态，并设置报警系统。在前盾周圈预留压浆口，通过注入泥浆进行纠偏；每个刀盘旋转速度及方向均可调，从而实现盾体滚转纠偏。

2.4 长距离掘进顶力不足风险

1) 注浆减摩技术[10]

在盾构顶管施工过程中，有效降低顶推力是保证工程顺利实施的一个关键因素。降低顶进摩擦阻力最有效的方法是向盾体及管节外壁注入触变泥浆，形成完整的润滑浆套，将干摩擦滑动变成湿润滑动，从而降低顶进时的摩擦阻力，其综合摩擦阻力比没有注润滑泥浆时低1/4～1/3。减摩泥浆系统分为同步注浆系统与补浆系统；同步注浆的目的是在设备掘进的同时及时填充开挖间隙形成泥浆套，要求边掘进、边注浆，压力控制在0.1 MPa～0.15 MPa左右。补浆时，一般从机头往后压，一环一环的进行补压浆，先开后一环再关前一环，防止压力过高击穿泥浆套以及对阀门的破坏，压力一般保持在0.1 MPa左右。

2) 中继系统[11]

在减少摩擦力的同时，为了确保项目顺利实施，还需配备中继系统。顶进过程中，先由若干个中继间(中继间间距根据顶力计算确定)按先后顺序把管节向前推进至油缸行程大小距离后，再由主顶油缸推进最后一个区间的管节，这样不断地重复，一直到把管节从始发井顶到接收井。管节贯通后，中继间按先后顺序拆除其内部油缸后合龙。

2.5 浅覆土和周边建(构)筑物沉降控制风险

控制沉降和保护周边建(构)筑物[12]是盾构顶管项目最关键的技术，因此在盾构设计、制造[13]和施工工艺控制[14]上均须高度重视。

1) 采用多刀盘低扰动开挖系统[15]

该开挖系统由于多刀盘直径较小，因此刀盘开挖边缘线速度较小，即对上部土层扰动小；另外，由于多刀盘在切削时，各个刀盘旋转方向不一致，使掌子面受力相互抵消。此外，根据土拱效应分析，单刀盘形成的土拱区域面积较大，容易造成土体沉降，因此对覆土要求高；而多刀盘由于刀盘直径较小，会形成多个小的联拱，因此能够更好地实现超浅覆土及超小间距施工。

同时，多刀盘开挖将搅拌扭矩分散到多个小刀盘上，搅拌能力更强，所以矩形顶管机更能适应满仓掘进，对开挖掌子面顶部形成有效支撑，能更好地控制沉降。多刀盘低扰动开挖系统工作示意如图3所示。