矩形盾构顶管下穿市政设施施工技术

李尚辉

(深圳市地铁集团有限公司,广东 深圳 518000)

1 概述

随着我国城镇化速度的不断加快,城市地下空间得到了有效的利用[1],在我国,顶管隧道主要应用于软土地层条件小直径隧道施工,由于沿海城市地层含水量丰富,淤泥质软土层发育较好,因此顶管施工技术在沿海城市中得到广泛应用。目前一线隧道施工主要以经验法和施工规范为主[2-7],缺乏对顶管隧道行进状态下施工参数的具体分析。为研究矩形截面顶管隧道建设过程中各项施工参数变化规律,为实际工程提供有效参考。本文依托深圳地铁10号线某主干道下穿矩形盾构顶管隧道进行施工技术总结,对隧道顶进过程中各项施工参数进行理论分析,以期为同类工程提供有效借鉴。

2 工程概况

深圳地铁10号线某车站位于深圳市主干道,交通量巨大,周边分布有市政工程相关管线,横跨出入口通道上方分布有电力管廊、电信等重要管线,上覆土层为淤泥质土及人工填土,土体性质软弱,埋深约0.91 m～2.63 m。因迁改困难大,故出入口下穿道路采用顶管施工法进行施工,管线位置截面示意图如图1所示。

3 矩形盾构顶管机选型

该隧道开挖采用土压平衡式矩形顶管机施工,其截面尺寸为6 900 mm×4 200 mm,顶管机机头处含有1个大刀盘和4个小刀盘,大刀盘直径4 220 mm、小刀盘直径2 100 mm,刀盘前后错开布置,大刀盘前置,小刀盘后置。大刀盘采用6台30 kW电动机驱动,电机转速1 470 r/min,刀盘转速0 r/min～1 r/min,刀盘最大扭矩1 700 kN·m;小刀盘采用2台30 kW电动机驱动,电机转速1 470 r/min,刀盘转速0 r/min～1.76 r/min,单个刀盘最大扭矩290 kN·m。

4 矩形盾构顶管机施工分析

4.1 初始段始发井施工

当隧道洞口位置处支护结构拆除后,即可开始操作顶管机掘进。受初始开挖段洞室结构影响,刀盘容易受损,此时应降低掘进速度保障施工安全。

因始发洞门预埋钢环和机壳间存在15 cm的间隙,且帘布橡胶板等防水结构,隧道掘进过程中容易发生水土流失,山体滑坡等现象,为防止该类事件发生,应沿隧道外表面向土体内部打锚杆,灌注混凝土等措施增强地层稳定性。始发井处顶进施工时需注意的要点如下:顶进开门时,用凿岩机破坏钢筋混凝土墙,破坏时应保证洞周完整性,提高隧道围岩稳定性;在洞内侧,先施工钢筋混凝土墙(结构侧墙),预先埋设钢桶、钢法兰等构件保证洞口止水功能良好。

对于出洞段有承压水影响的情况,除了采取洞口加固措施以外,还要认真做好深井降水,顶管始发过程见图2。

4.2 顶管受力分析

1)顶推力计算。

通道顶管段顶力计算,顶管段长64.5 m计算,管顶覆土取6.0 m,则有:

F=F0+f0L。

其中，F为隧道截面所受总推力，kN；F0为初始顶进时隧道截面所受顶推力，kN；f0为单位长度管节与土体之间的综合摩擦阻力，kN/m。

初始推力计算公式:F0=S×(P0+Pw)。

其中，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,P0=K0γ(H+2H1/3)，γ为土的容重,取20 kN/m3；H为管顶土层厚度,取6.0 m；H1为掘进机高度,取4.2 m；φ为土的内摩擦角,取28°；K0为砂性土中取0.25～0.33 之间,在黏土中可取0.33～0.7之间；Pw为地下水压力。地下水压力计算水头高度起算点为地面。

F0=S×(P0+Pw)=6.9×4.2×[0.33×20×(6.0+2×4.2/3)+1×10×(6.0+2×4.2/3)]=4 233.4 kN。

管外摩阻系数:

f0=RS+Wf。

其中，R为综合摩擦阻力，取8 kPa；S为管外周长,得S=(a+b)×2=(4.2+6.9)×2=22.2 m；W为每米管节的重力，239 kN/m；f为管节重力在土中的摩擦系数,调研相关文献[8]发现,当管土摩擦为流体摩擦(含润滑剂)时,摩擦系数取值范围为0.1～0.3,且顶管施工时注浆作用可使阻力减少30%～50%。考虑注浆影响,本案例中取中间值0.2。

得:f0=8×22.2+239×0.2=225.4 kN/m。

总推力：F=4 233.4+225.4×64.5=18 771.7 kN。

由以上结论可知:该工况下顶管隧道初始顶进时隧道截面所受顶推力为4 233.4 kN,总推力为18 771.7 kN,该结论可为同类型工程提供相应指导。

2)管材受力分析。

a.管节壁厚450 mm,管节外围尺寸6 900 mm×4 200 mm,根据施工组织设计,管节轴向推力安全系数设置为0.391。

b.C50钢筋混凝土抗压强度设计值23.1 N/mm2。

c.管节受力面积为:

受力面积S=6.9×4.2-6.0×3.3=9.18 m2。

d.管节轴向允许推力:

23.1 N/mm2×9.18×106mm2×0.391=82 915 kN。

3)后座反力计算。

参考相关文献[9]可知,隧道始发井位置处后座支反力R采用下式计算:

R=α·B·

其中，R为总推力之反力,kN;α为系数,取α=2.5;B为后座墙的宽度,8 m;γ为土的容重,20 kN/m3;H为后座墙的高度,4.7 m;Kp为被动土压系数,Kp=tan2(45°+φ/2);c为土的内聚力,取0 kPa;h为地面到后座墙顶部土体的高度,平均取6.7 m；φ为填土内摩擦角,取28°。

将以上数据代入公式:

Kp=tan2(45°+φ/2)=tan2(45°+28°/2)=2.78，

由上式可知,初始段后座支反力R值低于管节轴向允许推力,隧道结构安全。

4.3 地面沉降控制

顶管顶进施工中产生的地层损失对地层稳定性产生重要影响,并由此易产生塌方,山体滑坡等工程灾害。由此需对顶管截面布置测量监测点保证施工安全,顶管横断面测点布置要求如下:

1)顶管通道位于既有建筑物、地下管线的正下方,因此顶管施工需对既有结构物、地面沉降、地下管线变形及顶管通道水平位移和沉降进行监测。2)顶管施工前,施工监测应建立完善的监测网,测定其稳定的初始值,且应该不小于3次。3)量测过程中必须采取有效措施,保证量测数据的及时性、准确性和连续性。4)施工监测随顶进施工的进程连续进行,当出现掘进参数异常、地面及管线沉降变形变化较快时应加大量测频率。5)施工前应做好既有结构物、路面和地下管线的调查和记录工作,必要时进行现场拍摄。

4.4 注浆浆液安全控制

顶管隧道行进过程中,管壁注浆是不可或缺的一部分,其对隧道能否正常施工产生重要影响,本文从浆液质量控制、注浆压力的调整与控制、注浆泵的工作情况、压水量调控进行归纳总结,控制要点具体如下:1)浆液质量控制。a.在隧道 注浆前应仔细检验注浆用浆液有无质量问题,以免影响注浆效果。b.为保障浆液与管壁黏结充分,浆液需进行充分搅拌。c.为防止雨水等自然因素对注浆浆液质量影响,贮存浆液用水池应安装遮阳棚,并铺设防雨层。2)注浆压力的调整与控制。a.注浆时应实时监测浆液压力变化,保障注浆过程平稳有序进行。b.实际操作中发现注浆压力大于设定值时,需及时调整浆液浓度及配合比。3)观察注浆泵的工作情况。实际操作过程中需重点观察注浆用增压泵运营状况,当注浆泵发生异响或运作缓慢时需及时停止施工,找出问题原因并及时解决。

5 结语

本文通过现场数据监测、理论分析计算等方面对顶进施工中施工重难点进行了技术总结,对矩形盾构顶管机施工过程进行了详细分析,总结了初始段始发井处顶管施工要点,并对顶管顶力计算、管材受力分析、后座反力计算等展开了研究。此外,本文对地面沉降控制、注浆浆液控制提出了有效控制措施。在施工过程中严把质量关,根据现场情况及时调整控制参数,严密监测,将地表沉降值控制在安全范围之内。结果表明:矩形顶管施工避免了明挖施工造成的交通中断、管线迁改等,节省了工程造价,加快了进度,该结论可为工程实际提供有效参考。