地铁出入口矩形顶管近距下穿市政管线技术研究

彭 刚

（中铁十一局集团城市轨道工程有限公司 湖北武汉 430074）

1 工程概况

郑州机场至许昌市域铁路工程（郑州段）锦绣枣园站主体结构外包长度为203 m，始发井净空尺寸11.8×9 m，深10.1 m，设置2个出入口，2组风亭，为地下二层岛式车站。该车站的1号出入口位于车站西侧，下穿高压燃气管线段，其地层主要包括粉砂层、黏质粉土层，覆土厚度约为4.6 m。该工程施工范围内地下管线距管节顶为1.7～3.5 m，特别是DN800雨水管与管节顶净距仅为1.71 m，燃气管线距管节顶距离为1.84～3.06 m。鉴于城市空间拥挤及管线的重要性，不能对管线进行改迁或悬吊，因而出入口施工困难。若出入口采用常规明挖或暗挖法施工［1］，因埋深浅、管线多，周边环境复杂等不良因素，施工安全质量无法得到有效保证。经研究，采用矩形顶管施工技术，可确保工期。

2 矩形顶管选型

采用组合式多刀盘土压平衡式矩形顶管机［2－3］，顶管总顶进长度为 19.5 m，顶管管节外包尺寸为7×5 m，内部净空尺寸为6×4 m，管节厚度0.5 m。管节混凝土等级为C50，抗渗等级为P8。单节管节长度为1.5 m，共13节。单节重约42 t，采用“F”型承插式连接。

3 顶管机刀盘布置

顶管机共布置6个刀盘：1个直径2 980 mm刀盘、2个直径2 800 mm刀盘、3个直径2 400 mm刀盘。刀盘前后错开布置，直径2 400 mm刀盘前置，直径2 800 mm和2 980 mm刀盘后置。6个刀盘均采用3台30 kW电动机驱动，电机转速1 470 r／min，刀盘转速0～1.5 r／min，刀盘最大扭矩570 kN·m。全断面总面积34.808 m2，总切削面积31.849 m2。整个刀盘切削率为91.5%，总搅拌面积29.065 m2，搅拌率为83.5%。

4 矩形顶管近距离下穿市政管线施工技术

4.1 总体思路

顶进前对管外壁四周均匀涂抹石蜡，将顶管机机头与其相邻的三节管节连接为一个整体；顶进过程中向管节背后压注触变泥浆，并设置止退装置防止顶管机后退；搭设接收平台接收顶管机；顶进施工完成之后，对管节间隙及管节与两端洞门间的间隙进行封堵；最后加注水泥浆置换触变泥浆，固结顶管通道，确保地下管线不沉降［4－5］。

4.2 顶进参数

（1）顶管总推力F

其中：F0＝S×（P0＋PW）；P0＝K0×γ×（H ＋2H1／3）；f0＝R ×C ＋W ×f。

式中：F0为初始推力（kN）；f0为每米管节与土层之间的综合摩擦阻力（kN／m）；L为顶管段长度（19.5 m）；S为机头截面积（m2）；P0为机头底部以上1／3高度处的静止土压力（kN／m2）；Pw为地下水压力（地下水压力计算水头高度起算点为地面）；K0为静土压力系数，砂性土取0.25～0.33，黏土取0.33～0.7；γ为土的容重（20 kN／m3）；H 为管顶土层厚度（4.6 m）；H1为掘进机高度（5.0 m）；R为综合摩擦阻力（取8 kPa）；C为管外周长（24 m）；W 为每米管节重力（264 kN／m）；f为管节在土中的摩擦系数（取0.2）。

经计算F0＝4 609 kN，f0＝244.8 kN／m，总推力F＝9 382.6 kN。

（2）管材受力分析

管节壁厚500 mm，管节外围尺寸7 000×5 000 mm。管节混凝土C50抗压强度设计值为23.1 N／mm2。

每米管节受力面积：S＝7.0×5.0－6.0×4.0＝11.0 m2

经计算，管节轴向允许推力F＝23.1 N／mm2×11.0×106mm2×0.391×10－3＝99 353 kN，大于最大推力，可满足施工要求。

（3）后座反力R

式中：R为总推力之反力（kN）；α为系数（取2.5）；β为后座墙的宽度（11.8 m）；γ为土容重（20 kN／m3）；H为后座墙高度（7.0 m）；Kp为被动土压力系数；c为土内聚力（取18 kPa）；h为地面到后座墙顶部土体高度（取3.0 m）。

经计算：

各顶管段后座反力均大于最大顶推力，能够确保顶推工程顺利完成。

4.3 施工准备

（1）端头加固

始发井和接收井端头1～1.5倍顶管机长度范围内，采用ø800＠600 mm高压旋喷桩进行加固，加固范围均为14 000 ×3 200 mm［6］。

（2）管线加固

顶管施工前，施作管棚对管线进行保护。管棚［7］采用φ108×6 mm Q345钢管，沿顶管顶进方向环向布置，间距为400 mm。管棚单根长度为12 m，共计25根，采用潜孔钻机引孔。管棚注浆采用水泥单液浆，水灰比为1∶0.85～1∶1.25，注浆压力控制在0.5～1.0 MPa之间。

4.4 下穿关键技术

4.4.1 管节处理

顶进前，管节外表面进行石蜡涂抹、烘烤处理［8］；顶管机进洞时，在邻近顶管机机头的三节管节内部设一圈预埋钢板，并用型钢将机头与三节管节连接为一个整体。

4.4.2 压浆施工

顶进时，通过开设在管节上的压浆孔（每节管节上均匀布置十个压浆孔，）向管节背后压注触变泥浆［9］（压浆量为理论值3～5倍）。触变泥浆配比如表1所示。

表1 每立方触变泥浆配比

4.4.3 末端管节止退架设计与安装

止退架设置在末端管节两侧，左右支架均为直角三角形，并垂直布设于末端管节两侧，其中一直角边固定在顶管导轨上，其斜边向尾端管节的后侧延伸；在左支架和右支架邻近末端管节的端部设有插销孔，且两个支架的插销孔正对末端管节两侧的吊装孔，并在油缸行程推完时，分别通过插销将左右支架与末端管节固定连接，避免主顶油缸回缩时机头和管节出现后退现象。顶管止退装置如图1所示。

图1 顶管止退装置

4.4.4 顶管中板接收平台搭设

（1）接收平台设计

在接收井内搭设接收平台［10］，接收平台位于车站中板底150～180 mm，平台与中板固定连接，防止晃动。接收平台采用φ609钢管支撑＋36a槽钢＋20a工字钢＋100×100×10 mm等边角钢＋3 cm钢板整体搭设而成。钢支撑纵向间距为2.5 m（遇障碍物可微调），横向间距2.0 m，高度5.5 m；36a双榀槽钢沿车站横向设置，间距2.5 m；20a工字钢沿车站纵向布置，间距0.5 m；30 mm厚钢板满铺于已搭设好的平台上，三面用22a工字钢紧靠主体结构焊接作为抗滑移挡板；等边角钢作为立杆剪刀撑，纵、横向连续布置。

（2）接收平台受力验算

计算不同施工工况下各个杆件受力情况，得到接收平台变形、应力、轴力、弯矩分布变化规律。

①对施工阶段杆件计算结果变形分析，X向最大变形为－0.616 mm，Y向最大变形为－0.760 mm，Z向最大变形为0.208 mm，均小于10 mm，满足设计要求。

②对施工阶段杆件计算结果内力分析，最大应力为8.7 MPa，小于钢材容许应力230 MPa，满足设计要求。

③对施工阶段杆件轴力分析，最大轴力为－9.65 kN，满足设计要求。

④对施工阶段杆件Z向弯矩计算结果分析，最大弯矩为－9.26 kN·m，满足设计要求。

综上，顶管接收平台满足施工要求。接收平台搭设现场如图2所示。

图2 接收平台搭设现场

4.4.5 接收洞门封堵技术

顶管机接收完成后，将顶管机吊出，并拆除管内设备后封堵接收洞门，然后采用双组分聚硫密封膏对管节间的缝隙进行填充，并用弧形钢板将通道两端洞门与管节外壳间的间隙封堵，同时注入加固浆液（加固浆液材料配比见表2）对管节外土体进行加固。注浆首先从管节底部开始，按管节顺序依次奇数节压注，之后从顶管通道尾部偶数节向前压注；底部压注完成后，再按如上顺序压注管节中部，最后管节顶部。以此循环完成后关闭所有阀门，保压10 min，保压压力为0.2 MPa。

表2 加固浆液材料配比

4.4.6 注浆置换技术

顶进施工完成后，为减少土体沉降，加强顶管通道整体防水性能，须加注水泥浆对触变泥浆进行置换，固结顶管通道。选用1∶1的水泥浆液，通过注浆孔置换管道外壁浆液，根据不同水土压力确定注浆压力，待浆体凝结后（一般在24 h以上）方可拆除注浆管路，并换上闷盖将管节上的注浆孔封堵。

4.5 注意事项

（1）洞门止水装置安装。由于洞圈与管节间存在15 cm的建筑空隙，在顶管始发及正常顶进过程中极易出现外部土体及触变泥浆涌入始发井内情况。为防止此类事故发生，施工前在洞圈上安装帘布橡胶板密封洞圈［11］，橡胶板采用12 mm厚钢压板作支撑。压板螺栓孔采用腰子孔形式，利于顶进过程中可随管节位置的变动而随时调节，保证帘布橡胶板密封性能。

（2）顶进速度。初始阶段不宜过快，一般控制在5～10 mm／min，正常施工阶段可控制在10～20 mm／min。

（3）出土量控制［12］。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52.8 m3。考虑加入润滑泥浆，再加上土的膨胀系数，实际一节管节出土量约为55 m3。

（4）顶管机到达接收井洞门围护桩时，停止掘进，破除接收端洞门围护桩，完成顶管机接收工作。顶管机接收如图3所示。

图3 顶管机接收

5 结束语

该技术成功应用于锦绣枣园站1号出入口，顺利下穿两道高压燃气管、军缆及DN800雨水管，管线沉降控制在10 mm之内，节省工期近2个月，并节约了管理费、管线迁改及悬吊费用、材料费用、交通疏解费等，综合效益显著。

（1）顶进施工中，通过从管节内部的注浆孔向外压注减阻泥浆，使管节四周形成一圈泥浆套，变固－固摩擦为固－液摩擦，达到减小总顶力的效果，进一步减少摩阻力。

（2）触变泥浆采用膨润土触变泥浆，膨润土具有膨胀性和触变性，其触变性有助于管节在顶进时减小摩阻力；静止时成为凝胶体支撑地层，填补施工时管道与土体之间产生的空隙，同时在注浆压力下，减小土体变形。

（3）通过在工作井端头一定范围内布设加固桩，可提高前方土体强度。另外，机头进洞时，将机头和后面的管节用拉杆相连接，使之成为一个整体，可防止机头栽头。

（4）在末端管节两侧设置止退架，当油缸行程推完后加垫块或管节时，将销子插入管节的吊装孔内固定末端管节，可避免在主顶油缸回缩时机头和管节出现后退现象，从而解决了因机头和管节的后退导致机头和前方土体间的土压平衡受到破坏，土体面得不到稳定支撑，易引起机头前方的土体坍塌的问题。顶进完成后，通过特制的接收平台，可确保顶管机顺利接收。

（5）顶管穿越不良地层时，通过设在顶管机刀盘及胸板中心轴上的注浆孔向土仓内注入改良浆液，不仅改善了土体流动性和塑性，且强化了止水性能，防止地下水喷涌。