三车道超大断面矩形顶管工程<br/>——嘉兴市下穿南湖大道隧道

三车道超大断面矩形顶管工程
——嘉兴市下穿南湖大道隧道

2021-10-12刘龙卫薛发亭刘常利

隧道建设(中英文) 2021年9期

刘龙卫，薛发亭，刘常利

(中铁隧道集团一处有限公司，重庆 401120)

1 工程意义

顶管法施工技术无论是在理论研究、设备研发，还是在施工过程控制和工艺水准等方面，均已相对成熟。目前，已建成的最大顶管隧道均为2车道(宽度10 m左右)。随着城市的发展，2车道已无法满足城市快速路、主干道交通功能，需向更大、更高断面发展。嘉兴下穿南湖大道矩形顶管隧道宽度从10 m级别提升到15 m，开创了顶管法施工3车道隧道的先河。

超大断面矩形顶管的成功应用，有效解决了城市主干道—南湖大道封闭施工问题，确保嘉兴南大门畅通，施工不封路、不断流、不影响路面交通，施工过程环保、低噪音。为超大断面矩形顶管、盾构等设备制造及应用提供了经验，为解决后续节点施工“断头路”、下穿道路等提供了新方案，也为地铁车站、地下空间开发等提供了新的设计思路，有助于将顶管法施工技术推广到地下工程的各个领域。

2 工程概况

2.1 工程概况

嘉兴市市区快速路环线工程(一期)土建3标位于浙江省嘉兴市南湖区，线路全长2 079 m。其中，下穿南湖大道区段采用矩形顶管法施工，顶管断面尺寸为14.8 m×9.426 m，顶管段落长100.5 m，两侧布置工作井，始发井位于南湖大道西侧，到达井位于南湖大道东侧，南北线结构净距1.2 m，埋深5.68～6.54 m，坡度5‰下坡，先顶进北线，到达到达井后拆运至始发井二次始发顶进南线。顶管工程平面位置见图1，横断面见图2，工作井工程和顶管工程设计参数见表1和表2。

表1 工作井工程设计参数

表2 顶管工程设计参数

图1 顶管工程平面位置图

图2 顶管段标准横断面图 (单位： mm)

2.2 地质水文情况

2.2.1 地质情况

本工程地处长江三角洲冲湖积区域，区内第四系为一套河流冲积及河湖相、滨海相松散沉积物，总厚度可达190 m左右。顶管工程穿越的土层自上而下主要特性描述如下： ①3路基填土，成分杂，工程性质较差; ③淤泥质粉质黏土，流塑，具高压缩性、高灵敏度、易触变等特点，主要软土层之一; ④1粉质黏土，硬可塑，中等压缩性，干强度高，韧性高，物理力学性质较好; ④2砂质粉土，中密，中等压缩性，物理力学性质较好; ⑥2粉砂，中密，中压缩性，物理力学性质较好。

顶管穿越的土层主要为④1粉质黏土、④2砂质粉土，其地质纵断面见图3，地基土物理力学性质见表3。

图3 地质纵断面图

表3 地基土物理力学性质

2.2.2 水文条件

拟建场地地下水类型主要为赋存于浅部地层的孔隙潜水及赋存于深层砂土层中的弱承压水。

1)潜水稳定水位埋深为0.5～1.0 m。

2)承压水： ④2层承压水水位埋深为3.52 m，相应的标高为-1.27 m; ⑥2层承压水水位埋深为4.20 m，相应的标高为-0.81 m。

2.3 工程特点及重难点

2.3.1 工程特点

1)大。断面尺寸为14.8 m×9.426 m，断面面积为123 m2。

2)重。主机质量约为770 t,单节管节质量为140 t。

3)浅。顶管隧道顶部埋深5.68～6.54 m，是跨径的40%，属超浅覆土施工。

4)小。小净距隧道，左右线净距1.2 m。

5)3车道。首次采用超大断面矩形顶管施工3车道隧道。

2.3.2 工程重难点

1)浅埋、软土富水地层超大断面矩形顶管及附属设备研究、制造。针对本工程超大断面、超浅覆土、富水软土等特点，顶管机设计、制造需在盾体强度、超大顶力、多刀盘组合开挖、土舱土压平衡、三螺机出土、姿态控制等方面进行改进、创新。因此研究、制造满足本工程施工的超大顶管设备是本工程的重点。另外，超大尺寸、大跨度管节及吊装孔设计,以及管节水平运输、垂直下井、翻身是本工程重难点。

2)超浅覆土、小净距施工技术及地表、管线沉降控制技术。矩形顶管下穿城市主干道南湖大道，顶管顶部埋深5.68～6.54 m，属超浅覆土掘进施工，顶管穿越地质条件差，地下水位稳定埋深0.5～1.0 m，施工安全风险高。隧道左右线净距1.2 m，施工中减小左右线相互影响，特别是后顶进隧道对先行隧道的影响是本工程的重难点。

隧道顶部分布着6条市政管线，顶管断面大，成拱效应差，土压控制难度大，同时易产生背土效应，因此顶管施工如何控制下穿道路、管线沉降，确保掘进安全是本工程的重难点。

3)超大、超重、长距离顶进姿态控制及减阻技术。顶管主机质量为770 t，机头重心靠前，且施工为5‰下坡顶进，在软土地层易发生“栽头”现象；矩形顶管偏载以及土压不平衡等原因导致姿态控制难度大，影响隧道成型质量，姿态控制及纠偏难度大。另外，随着顶进长度的增加，顶推力增大，施工中需做好减阻泥浆的配制及应用，以减小管节摩擦力、降低顶推力，确保在设备额定顶推力之内。

4)顶管安全始发、到达。顶管始发和到达段土体由上而下为含水丰富的①3杂填土、③淤泥质粉质黏土、④1粉质黏土、④2砂质粉土，地下水位高。顶管在始发、到达过程中可能发生漏渗水，甚至涌水、涌砂，造成水土流失，引起地面沉降变形过大，造成不良社会影响和经济损失，因此顶管如何顺利始发、安全到达是本工程的重难点。

3 顶管研究创新

本项目采用1台多刀盘辐条式土压平衡顶管，顶管尺寸14 820 mm×9 446 mm，总功率2 207.5 kW。刀盘转矩2 005 kN·m(1组)+2 548 kN·m(1组)+1 238 kN·m(4组)+657 kN·m(2组)+486 kN·m(4组)+77 kN·m(2组)，前6后8多刀盘装置，开挖率达到89%，搅拌率达到70%。刀盘最大转速1.0～3.8 r/min，最大推进速度40 mm/min，切刀和先行刀采用高耐磨的硬质碳钨合金刀具，以适应各类土体；配备良好的泡沫和膨润土、触变泥浆注入系统。顶管具体参数详见表4，顶管实景见图4。

表4 超大断面类矩形土压平衡顶管

(a) 正面图 (b) 侧面图

3.1 多刀盘组合式开挖

采用前6后8多刀盘开挖系统，开挖率达到89%，搅拌率达到70%，渣土流动搅拌充分，同时能够实现掌子面的稳定支撑，多刀盘能够实现转速转向协调控制，实现姿态纠偏以及高效出渣。

在多刀盘及盾体切刀的基础上，采用水切削及风钻等处理方式，能达到盲区全断面切削。刀盘开挖及搅拌示意图见图5。

(a) 开挖 (b) 搅拌

3.2 减阻泥浆自动补偿系统

盾体采用自动减摩系统设计，在前盾及尾盾共设置56个注浆减摩孔，利用上位机及自动球阀控制，通过设置固定的间隔时间、停止压力或不同的注入模式，来实现减摩泥浆的自动注入，实现同步注浆自动控制。泥浆自动补偿系统及实景图见图6。

(a) 泥浆自动补偿界面 (b) 泥浆系统实景

3.3 三螺机出渣系统

优化单个螺机设计，采用三螺机出渣系统，能够满足大跨度断面出渣，采用收渣设计能够提高出渣效率，同时还能够实现辅助纠偏的功能，通过3个螺机协调控制出土量，减小土舱压力波动。三螺机实景及示意图见图7。

(a) 实景 (b) 示意图

3.4 高效翻身及快速定位

翻身工序采用管节与垂直吊具整体吊装翻转的方式，采用重心偏心设计，保证翻转过程中的高效与安全。下井利用龙门吊限位装置及红外感应确保快速、精准定位，管节翻身示意图如图8所示。

(a) 侧面图 (b) 正面图

4 施工关键技术研究

4.1 浅覆土、小净距及沉降控制施工技术

顶管隧道顶部埋深5.68～6.54 m，是跨径的40%。软土地层超浅覆土施工易发生地表、管线沉降，影响道路行车安全及地下管线安全。隧道左右线净距1.2 m，施工中需减小相互影响，控制整体位移。

4.1.1 三螺机双闸门出渣系统动态调整控制技术

1)采用三螺机设计，通过控制螺机出土量、出土部位，减小土舱压力波动；同时通过控制各个刀盘转速及转向，动态调整土舱压力；另外，加强渣土管理，严格控制出土量，形成正常的土压平衡。螺旋输送机采用双闸门，控制喷涌。

2)根据地表沉降数据及时修正膨胀系数，控制出土量，同时根据类似地层的顶管施工经验，利用泡沫、膨润土等进行渣土改良，并试验确定合适的配合比。

4.1.2 洞门止退及拱背打土辅助施工技术

1)止退装置使用。根据现场实测，每次拼装管节主顶油缸回缩后，管节回退20～30 cm。当顶管和管节往后退时，机头和前方土体间的土压平衡受到破坏，掌子面得不到稳定支撑，易引起土体坍塌、地表沉降。为了防止管节后退，在洞门两侧各安装 1 套止退装置，当拼装管节时，将管节吊装孔、止退立柱通过铁销连接，防止管节回退。同时，为减少管节的后退力，在止退前应将正面土压力释放到0.09 MPa左右(顶管中心埋深约10 m)。

2)拱背打土沉降控制措施。利用高压打土泵在拱顶沉降区域补充打土，将超挖、塌陷等土层补充回填，使已沉降地表回升。打土量及打土泵压力根据地表沉降数据、范围及监控量测数据确定。

4.1.3 减小拱顶背土及纠偏影响

超大断面矩形顶管因矩形断面特点，随着推进长度的加大，黏附土体增多，造成顶管推进困难，同时地层发生较大的垄沉，即“背土”效应，其影响范围如图9所示。

D0为隧道高度; H为隧道埋深; h1为背土影响高度; φ为土体内摩擦角; B为隧道宽度; 2a1为总影响宽度。

为防止拱顶背土现象造成地表沉降过大，在顶管周围注入触变泥浆，形成良好的泥浆套，以减小顶管与地层之间的摩阻力；同时，顶管设计制造时，在顶管切口环处增加帽檐结构，在帽檐结构内和铰接处预留触变泥浆孔。

顶进施工中针对实际情况采取“勤测勤纠”、“小角度纠偏”等纠偏措施，纠偏不能大起大落。产生较大偏差时，纠偏系统以适当的曲率半径逐步调整到轴线上来，尽量避免猛纠造成相邻2段形成大的夹角。

4.1.4 小净距隧道施工措施

本顶管隧道左右线净距1.2 m，为减小后行隧道对前行隧道的影响，先行隧道贯通后采用预留螺栓全部刚性连接，形成整体；其次，水泥浆液置换触变泥浆，同时持续加压注浆加固土体，使隧道整体与周边土体固结密实。中间土体经加固后，抗剪强度增大。通过监测数据显示，经上述处理后，后续顶管施工对先行隧道及中间土体基本无影响。

4.2 富水软土地层长距离顶进减阻泥浆及自动补偿技术

软土地层受地质、顶管质量等影响，顶推阻力增加较大，在施工过程中，通过同步注减阻泥浆，在顶管和隧道周围形成泥浆套是顶管隧道主要减阻技术措施。

4.2.1 减阻护壁泥浆材料比选

根据试验，对目前常用3种膨润土原材料进行比选：复合型纳基膨润土、复合型钙基膨润土、复合型普通膨润土，具体见图10。通过对比3种膨润土，初步判定复合型纳基膨润土呈黏稠状，感官质量较好。

(a) 复合型纳基膨润土 (b) 复合型钙基膨润土 (c) 复合型普通膨润土

4.2.2 减摩泥浆配合比试验及性能指标研究

为了确定何种膨润土最适合本项目顶管工程，对目前常用3种膨润土进行配合比试验，试验掺量分别为：2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%、16%，测定不同掺量下的黏度值，以及各自的失水量和析水率，具体变化规律如图11所示。

(a) 复合型纳基膨润土 (b) 复合型钙基膨润土 (c) 复合型普通膨润土

结合类似工程的施工经验，初步设定泥浆试验标准：泥浆黏度>60 s、析水率<0.3%、失水量<15 cm3/30 min。由图11可以得出，复合型纳基膨润土掺量在10%时，可以满足标准要求；复合型钙基膨润土掺量在12%时，可以满足标准要求；复合型普通膨润土掺量在15%时，可以满足标准要求。综合经济、产量等多方面因素考虑，最终采用复合型纳基膨润土。

4.2.3 泥浆自动补偿技术应用

人工压注减阻浆液具有随意性和盲目性，注浆压力、注浆时间、间隔时间均不能得到准确控制，效果不甚理想。泥浆自动控制系统通过设置注浆压力、注浆时间、注浆间隔等参数后，利用上位机及自动球阀控制系统，从而达到自动控制注入泥浆的目的，能有效确保减阻效果。

通过对顶管第14～17环泥浆注入和停止时间与顶推力进行数据统计，如图12和图13所示，得到变化曲线关系，并进一步分析注浆时间、间隔时间。

图12 顶推力随注浆时间变化规律

图13 顶推力随注浆停止时间变化规律

由图12可以看出：顶推力随着注浆时间的增加而减小，第14环在注浆时间达到80 s时，第15环在注浆时间达到100 s时，第16、17环在注浆时间达到120 s时，顶推力下降缓慢、趋于稳定。故设定泥浆注浆时间取上述4环平均时间105 s。

由图13可以看出: 当第14环停止注浆30 s后、第15环停止注浆35 s后、第16环停止注浆30 s后、第17环停止注浆35 s后，顶推力随着停止时间快速上升，幅度较大，因此设定注浆间隔时间取上述4环平均间隔时间为33 s。

因底部土压最大，根据土压传感器数据，设定注浆压力停止值为0.3 MPa。

根据上述数据分析，最终得出减摩泥浆注入的时间、间隔时间及停止注入的压力，将上述参数输入自动注浆系统，得到自动注浆界面参数，如图14所示。

图14 自动注浆界面参数设定

4.3 超大、超重、长距离顶进姿态控制技术

4.3.1 顶管双线姿态控制情况

1)顶管北线姿态控制情况。顶管段设计线路为5‰的直线下坡，北线顶进姿态如图15所示，顶管管节掘进至第7环(进洞11 m，前盾出加固区1.5 m位置)，顶管“栽头”现象逐渐明显，垂直姿态由-30 mm，推进至24环时垂直姿态已达到-92.9 mm。通过措施纠偏，推进至第53环，顶管设计值与实际值保持统一，完成纠偏。

图15 顶管北线垂直姿态设计与实际对比图

2)顶管南线姿态控制情况。根据顶管北线施工经验，为确保顶管姿态，顶管在出加固区前进行提前调向，确保顶管姿态始终比设计线路高出10～20 mm。由于地层较软，第28～45环也发生顶管整体下沉现象，通过“勤纠微纠”以及其他纠偏措施，姿态偏差始终保持在30 mm之内，南线顶管垂直姿态设计与实际对比如图16所示。

图16 顶管南线垂直姿态设计与实际对比图

4.3.2 姿态偏差原因分析

1)顶管隧道断面为矩形，顶管长度较短(7.2 m)且质量较大(770 t)，顶管前盾(含刀盘)质量约440 t,盾体重心靠前，且与管节为软连接，顶管掘进施工过程中，极易出现顶管“载头”。

2)顶管隧道断面大，掌子面地层上下地质及水压力差异大，施工过程中易出现土舱各点压力不均且不连续，导致土舱左、右侧或上、下侧压力不平衡，造成顶管隧道轴线偏差。

3)顶管隧道一次性顶进距离长，随着顶进距离增加，顶管隧道柔性也增加，在掘进过程中极易出现摆动。

4.3.3 姿态偏差的解决措施

1)铰接纠偏。在超大断面类矩形顶管施工过程中，铰接纠偏是最直接、最有效的姿态控制方法之一。铰接油缸位置的放置需考虑调向的灵敏性和盾体稳定的导向作用方面要求。超大矩形顶管前盾的长度较短，使铰接力能够有效地传递到刀盘，便于转向。正常掘进时，铰接油缸全部收回，以防顶管姿态发生偏差。当顶管姿态发生偏差时，将发生偏差侧的铰接油缸进行伸长，以调整顶管姿态。同时，将相应侧的用于与顶管和管片连接的拉杆松动，以利于顶管姿态的调整。

顶管南线和北线铰接油缸偏差与机头垂直姿态关系如图17和图18所示。机头在发生“栽头”后，立即调整纠偏油缸，下部油缸伸出长，上部伸出短，上下偏差按2 cm/节速率递增，最终在铰接底部油缸比顶部油缸伸长量大15 cm时，姿态调整为向上的趋势。因软土地层，正常段铰接偏差控制在6 cm，可以保证顶管按设计纵坡推进。

图17 顶管北线铰接油缸偏差与机头垂直姿态关系对比图

图18 顶管南线铰接油缸偏差与机头垂直姿态关系对比图

2)打泥纠偏。当顶管发生中线偏差或滚转、铰接纠偏能力不足时，可借助于盾体及管节上预留的打泥注入系统，在需要的位置向地层注入黏土，调整顶管周围的地层压力，依靠地层压力的偏差和地层的微量压缩性进行纠偏。如图19所示，当顶管出现“栽头”现象时，通过在底部注入黏土缓慢对顶管进行抬升。黏土一般采用地层改良后的黏土搅拌膨润土使之刚好具备流动性和一定黏度，注入后不易压实，过程中不间断注入，缓慢抬升顶管。由于顶管为类矩形顶管，当发生扭转，通过旋转刀盘、出渣调整效果不明显时，采用打泥纠偏较为有效。当顶管发生顺时针扭转时，通过向顶管盾壳对应位置打泥，且保证注入一定量的泥土，可达到纠偏目的。

图19 打泥纠偏

4.4 顶管安全始发、到达关键技术

4.4.1 坑内外辅助降水措施

始发井内布置3口混合井，坑外布置4口混合井；到达井内布置3口混合井，坑外布置4口混合井；混合井兼观察井，具有降水和观测功能，井深均为36 m，井直径550 mm，井管直径273 mm。工作井四边各布置1个水位观测孔，孔深26 m。坑内降水井基坑开挖前15 d开始降水，底板施工时封闭；坑外降水井在顶管机掘进前15 d开始降水，保证顶进安全。始发到达降水井平面布置如图20所示。

图20 始发到达辅助降水井平面布置 (单位： m)

4.4.2 短套箱+双层帘布洞门密封技术

洞门密封采用30 cm长短套箱及双层橡胶帘布+双层压板，为防止泥浆从洞门双层压板间空隙流出，在短套箱上预埋注浆管，通过注盾尾油脂或浓泥浆，起到洞门密封作用。洞门密封如图21所示。

(a) 大样图 (b) 实景图

4.4.3 洞门分层凿除措施

整个洞门分成12个区域，洞门凿除采用人工手持风镐分区、分层、分块逐步凿除，凿除顺序为①—②—③—④—⑤—⑥，具体见图22(a)。洞门钢环支撑及脚手架平台，见图22(b)。凿除施工顺序为：破除始发井洞门地连墙内侧混凝土保护层—割除地连墙井内侧钢筋—破除地连墙800 mm厚水下C30混凝土(先上后下)—割除地连墙井外侧钢筋(刀盘推至洞口)—拆除脚手架，清理场地。

(a) 凿除顺序 (b) 洞门钢环支撑及脚手架平台

在类矩形顶管确定始发推进前(刀盘推至距洞门密封装置约600 mm左右)，检查洞门净空尺寸，确保不得有残留的钢筋侵入洞门净空。在确保顶管能正常推进后，及时将顶管刀盘顶上掌子面，防止掌子面垮塌。

5 工程主要技术创新

1)软弱沉积层浅埋3车道超大断面矩形顶管施工工法。通过本项目成功实施，针对3车道15 m级断面矩形顶管，形成一整套完善的施工技术及施工工法，填补国内外在该方面施工技术和理论计算的空白。

2)超大断面矩形顶管及附属设备的设计、制造。针对本工程超大断面、超浅覆土、富水软土等特点，顶管在盾体强度、超大顶力、多刀盘组合开挖、土仓土压平衡、三螺机出土、姿态控制、管节翻身定位等方面进行改进、创新。

3)通过三螺机双闸门出渣系统顺利应用，洞门止退及拱背打土辅助措施，防止拱顶背土及勤测勤纠，以及小净距隧道顺利实施，总结出超浅覆土、小净距施工技术及地表、管线沉降控制施工技术。

4)富水软土地层长距离顶进减阻泥浆及自动补偿技术。采用自动减摩系统设计，在前盾及尾盾设置56个注浆减摩孔，每节管节设置16或18个注浆减摩孔，利用上位机及自动球阀控制，通过设置固定的间隔时间或不同的注入模式，实现同步注浆自动控制，确保注浆质量。

5)富水软土地层超大、超重、长距离顶进姿态控制技术。顶管主机质量为770 t，机头重心靠前，且施工为5‰下坡顶进，在软土地层易发生“栽头”现象，在北线隧道顶进中，最大“栽头”达-92.9 mm。通过铰接纠偏、打泥纠偏、出渣纠偏、顶进油缸纠偏等组合控制技术达到姿态纠偏目的，特别对铰接纠偏时铰接油缸行程差大小与姿态偏差的关系进行研究和总结。