地铁施工中顶管施工技术应用重难点分析

杜怀珺

【摘要】以徐州城市轨道交通2号线车站出入口顶管施工为例，通过对施工过程中顶管施工的重难点分析，制定相应的有效措施，验证了顶管施工技术在地铁施工中的合理性和安全性。并分析总结了其质量保证措施及质量控制标准，为今后富水黏土层顶管施工提供借鉴。

【关键词】顶管;压力;黏土层;安全性分析

随着城市化的深入推进，越来越多的城市开始了地铁建设。在地铁建设中，为节约用地、减少对城市主要道路的交通影响，保证出入口过街通道的施工安全和施工方便，顶管施工技术在城市轨道交通施工中起到了不可替代的作用。

1、概况

徐州市城市轨道交通2号线一期工程，线路长约23.9km，设站20座，全部为地下站。共5座换乘站，分别与1、3、4、5号线换乘。

为减少地铁施工对沿线交通影响，徐州轨道交通2号线线路采用路侧式设计，车站位于市政道路一侧绿化用地范围，道路另一侧设置出入口，需下穿市政道路且通道较长，为避免该侧出入口施工对地面交通影响，下穿市政道路部分采用矩形顶管工艺施工。经统计，徐州市城市轨道交通2号线一期工程全线共有17个出入口过街通道采用矩形顶管工艺施工。

2、顶管机简介

矩形多刀盘土压平衡顶管机，由刀盘、刀盘驱动、前壳体、后壳体、纠偏系统、顶进系统组成。其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的喂料口，切削下来的土体通过螺旋输送机排出。

3、顶管施工重难点及控制措施

3.1地表沉降及隆起控制

3.1.1原因分析

矩形顶管施工工艺为：刀盘旋转开挖掌子面土体，旋转同时由刀盘主轴中心预设管道及隔板预留注浆孔向掌子面及土仓注入渣土改良浆液，渣土改良后由螺旋出土器排至机内渣土斗;出土同时由始发井内推进油缸向前推进，推进过程中通过管节预留注浆孔向管节壁后注入触变泥浆，保持管节与土体之间润滑以减少推进阻力;掘进行程满足管节安装空间即停止掘进，回收推进油缸，拆除主机电缆机各种管道，安装管节，重新连接主机电缆及各种管道，然后开始下个循环掘进。

由此可见，矩形顶管施工工艺特点一是所有管节均由始发井安装，逐节向前推进;二是掘进过程中管节与土体之间始终由触变泥浆保持润滑;三是管节安装时主机需断电，以上三点也是矩形顶管施工工艺和盾构施工工艺的最大区别，均不利于地表沉降及隆起控制。地铁出入口顶管施工车流量都很大，控制地表沉降及隆起是本工程的重点。

3.1.2采取的措施

⑴ 选取合理的土仓控制压力

根据土体极限平衡原理土压力分为主动土压力、静止土压力和被动土压力，土仓压力控制在主动土压力与被动土压力之间地表不会出现沉降与隆起。根据顶管施工工艺特点，预留后期沉降量，掘进土仓压力按照静止土压力至被动土压之间设定，根据掘进情况及时调整[1]。

⑵ 管节与土体之间形成有效的泥浆套

顶管机壳体尺寸7020*5020mm，四周比管节外径大10mm，顶进过程需从管节预留注浆管注入触变泥浆以减小土体与管节之间的摩擦力。采用膨润土泥浆减阻泥浆容易被土体吸收，失去润滑减阻效果，本工程计划采用优质粘性土拌制浓泥结合膨润土泥浆共同减阻，利用浓泥不易失水的特性确保管节与土体之间形成有效的泥浆套，解决管节顶部背土现象产生，控制地表沉降。

⑶ 保证主机断电期间土仓压力不小于静止土压力

管节安装时，各种管线需要从管节内穿过，因此需要断电。主机断电期间若螺旋出土器出现喷涌将会造成土仓失压，引起地表沉降。为解决该问题采取如下措施，一是在断电前保证土仓压力高于设定压力0.2 bar，抵消断电期间土仓压降;二是断电前通过螺旋出土器预留注浆孔向出土器钢筒内注入浓泥起到堵水作用，减少喷涌风险[2]。

3.2液化土层掘进防止流砂形成

3.2.1原因分析

饱和砂土在地震、动荷载或其他外力作用下，受到强烈振动而丧失抗剪强度，使砂粒处于悬浮状态，致使地基失效的作用或现象称为砂土液化。顶管施工时，刀盘扰动前部土体，易造成砂、水分离，且在各自重力作用下下沉，形成的空隙由周边土层中的地下水补给，引起更大范围的地下水渗流，带动临近区域的砂土失水导致固有平衡破坏，引起地面沉降[3]。本工程掘进土层以2-5-3粉土为主，为中等液化土易引起流砂，如何防止流砂现象发生是本工程的重难点。

3.2.2采取的措施

根据流砂形成的原理，液化土中水流带动砂土颗粒流动引起流砂，因此防止流砂发生需从各个渗漏水环节着手，具体如下：

⑴ 加强洞门止水密封

始发井洞门采用橡胶止水帘布密封，不能采用水泥浆、双液浆等进行固结，必须保持管节滑动且不破坏橡胶帘布，顶进过程中应尽量减少洞门处渗漏水、杜绝漏砂。采取的措施一是顶进全过程实时观察压板状况，及时调整压板和管节之间空隙，保证橡胶帘布不翻出;二是根据洞门渗漏水及漏砂情况，及时在洞门1至2节管节注入浓泥，采用不透水的浓泥将填充止水帘布内侧管节与土体之间的空隙形成土塞，起到密封作用。

⑵ 加强管节间止水密封

管节之间采用二道楔形密封膠圈止水，胶圈采用专用粘合剂固定在管节插口预留凹槽内，管节安装时应认真检查胶圈状态，确保胶圈能够按照设计状态插入承口钢套环，若出现胶圈破损、翻起等情况必须重新安装，确保胶圈起到密封作用。

⑶ 加强螺旋出土器闸门密封

顶管机采用双螺旋出土器排渣，当到达螺旋机出口的渣土过稀且有一定压力时就会发生喷涌，原因是土仓和螺旋机内的土体不能完全有效的抵抗开挖面上较高的水压力，从而在螺旋机的出土口发生喷水、喷泥现象。管节安装时顶管机主机处于断电状态，无法进行操作，螺旋机一旦发生喷涌很难控制，进而会引起掌子面发生流砂现象，引起地面沉降。

防止螺旋机喷涌主要采用以下措施，一是土仓渣土必须充分改良及搅拌，确保螺旋机排除渣土稠度适中，且无明水排出;二是螺旋机出土时必须严格控制土仓压力维持在设定压力值，确保地面稳定;三是主机断电前观察螺旋机内渣土情况，若地层以砂为主，透水性较强，断电前利用螺旋机预留注浆孔向螺旋机内注入粘性土泥浆，利用不透水的浓泥密封螺旋机;四是及时清理螺旋机闸门槽内异物，确保螺旋机闸门闭合密实。

3.3液化土层加固

3.3.1原因分析

徐州市轨道交通2号线地质情况为顶管底板以下土层为粉土，局部夹杂粉砂，以均为中等液化土，为消除液化沉降风险，顶管完成后采用花管注浆的方式对液化土层进行加固。

管节底板预埋φ50mm注浆管，每节16个，共计16×38 = 608个。顶管完成后采用φ42 mm、长6000 mm花管进行注浆。注浆浆液为水泥浆，水灰比0.5～1，注浆压力0.5～1 Mpa，加固后的地基应具有良好的均匀性和自立性，其无侧限抗压强度为不小于0.8MPa，渗透系数不大于1.0×10-8cm/s，加固完毕后应对加固体进行检验。注浆完成后应采用微膨胀水泥砂浆填充封堵，保证砂浆与螺纹紧密相连，最后进行收面抹平。底板预留孔渗漏水、成型通道变形风险，且注浆效果检测困难，是本工程的难点。

3.3.2采取的措施

⑴ 采取有效措施防止注浆孔漏水及流砂

管底注浆工序：管节预留孔钻孔→花管插入→注浆→封孔，管节预留注浆孔底距管节外壁50 mm，注浆前采用水钻取芯钻孔。管节混凝土开孔后，通道和通道底土层联通，土层中地下水在水头差的作用下降流向通道内，水流带动周边砂土，一旦形成径流通道将发生涌水涌砂险情[4]。为防止险情发生，采取以下措施，一是准备带有密封垫片的专用堵头，利用管节预埋注浆孔内螺纹进行临时封堵，一旦发生涌水立即采用堵头封堵注浆孔;二是花管端头设置内螺纹及堵头，花管插入及注浆前封堵花管;三是注浆完成后加强注浆孔封堵，采用膨胀水泥砂浆进行封堵，为保证安全在膨胀水泥砂浆顶部增设水膨胀密封胶，加强堵漏效果。

⑵ 加强监控量测控制通道变形

管底注浆过程中，实时对通道变形进行监测，无变形按照既定注浆方案进行注浆;若注浆过程中发生隆起、水平位移等情况立即停止注浆，待通道稳定后再开始管底注浆，必须保证成型通道变形不超过设计指标。

⑶ 优化注浆参数确保注浆效果

注浆施工前，首先进行注浆试验，对水灰比、注浆压力、注浆量等参数进行试验，采取试验参数进行试注浆，注浆完成后检验注浆质量，达到设计要求后方可进行正式施工。注浆按照注浆压力和注浆量双控，以注浆压力为主，计算管底土层被动土压力，严格控制注浆压力不超过被动土压力，大于被动土压力立即停止注浆，以免因压力过大引起地表隆起。

结论：

顶管施工技术将是今后地铁施工中应用到的最为安全的一项施工技术，但根据不同的地质条件及周边环境，顶管施工技术所需要注意的安全风险和施工重难点不尽相同，本文根据徐州地铁2号线的现场施工经验，对液化土层中顶管施工重难点进行科学的分析并制定了相应的控制措施，通过现场应用证明制定的控制措施是科学有效的，为以后的液化土层顶管施工提供了科学的实践依据。

参考文献：

[1]赵全峰.浅谈砂卵石地层人工顶管施工检测技术[J].中小企业管理与科技，2020年11月下旬刊：188-189.

[2]王延市.關于市政工程顶管施工技术的探究[J].低碳世界，2020年11期，：175-176.

[3]吴桢，姚蕊，张国林.顶管穿越大范围全断面黏土地层综合施工技术[J].水利水电施工，2019年02期：30-32.

[4]王凯，张晓川，徐昕，等.土工基础[J].2019年05期：13-15