谈矩形顶管施工技术在城市管廊中的应用

王 佳

（中铁二十局集团第一工程有限公司，江苏 苏州 215000）

1 工程概况

广济路、人民路综合管廊顶管工程位于江苏省苏州市姑苏区城北东路，是苏州市城北路（金正街-江渝路）综合管廊工程（江岳路-人民路）综合管廊工程的一部分（图1）。顶管下穿广济北路段采用单箱四舱型，长度：73.6 m，外径：9.1×5.5 m，平均覆土深度：4.859 m。顶管下穿人民路段采用双箱四舱式，单箱长度：73.6 m，外径：6.9×4.2 m，平均覆土深度：4.1 m，间距：为1.5 m。

图1 拟建顶管工程平面位置图

2 施工特点

（1）顶管与既有地铁线路间距小，人民路顶管管底距离地铁2号线2.76 m；广济北路顶管管底距离地铁4号线4.4 m。土压力的变化及地层扰动容易造成隧道变形、防水功能破坏。（2）本工程顶管通道于广济北路下方顶部埋深4.8 m（≤1.5 d，8.25 m）、人民路下方顶部埋深4.2 m （≤1.5 d，6.3 m），覆土浅。浅覆土顶进对压力、地层的扰动敏感，容易造成地面隆沉变形。（3）广济北路顶管区间南侧10 m范围外为大寨河，7 m范围外分布有山花桥北桥台。

3 顶管机始发与接收

3.1 矩形顶管出洞施工

3.1.1 洞门凿除

顶管机始发及抵达前，需破除预留洞门内围护桩背土面的钢筋，至迎土面钢筋外露为止。顶管机正式始发时再将剩余的钢筋去除。清理井内因破除产生的混凝土渣及杂物，检查并确认洞门范围内无剩余钢筋。始发井围护结构为钻孔灌注桩支护（Ф800@1000mm），外侧为三轴搅拌桩（Ф850@600）加高压旋喷桩补强止水帷幕，如图2。

图2 洞门凿除施工

3.1.2 洞口密封装配

在顶管始发开始前，便需要安装止水带在洞口部分处，目的是为了预防始发时顶管机工程中的减阻泥浆和顶管机洞口下面的水土进入工作井内。主要组成洞门止水圈的有安装钢环、压板、预埋钢环和橡胶圈，如图3。

图3 洞门止水圈安装

3.1.3 洞口姿态调整

（1）掘进机始发防磕头措施。①掘进机就位后，需垫高机头5 mm，使掘进机始发时有向上的趋势。②如果发现有下磕趋向的时侯，主要查勘掘进机始发时的状况，迅速处理并正确的纠正后座主推千斤顶的合力中心。③机头没有完全始发时，不得进行纠偏，始发后纠偏不得过大。④顶进混凝土管时，可将前3~5节管与顶管机联成一体，可防止管节漂移。⑤顶管机完全灌入地层，想使正面土压力大于理论的计算数值时，便需要有效的提升顶进的速度，然后紧紧拉住前三节混凝土关节和机头之间的拉杆螺丝，以防止由机头“磕头”引起地面沉降。

（2）顶进后防止后退的措施。当初始顶进阶段正面水土压力大于管周围的摩擦阻力时。为防止管道发生后退导致洞口止水装置受损以及机头前方的土体塌陷造成地面沉降，应在拼接管子时主推千斤顶在缩回前对已顶进的部分与井壁加以固定。让止退支撑架安装在井底板上，退回主推千斤顶前，管节推到位置时，在管节吊装孔和支腿支撑架的固定孔上插进插销，使其固定住，最后等到顶管机正面水土压力小于混凝土管外侧摩阻力。

（3）机架、顶进后靠和基座的装配。必须要正确牢固地定位基座，在顶进的过程中，基座的轨道要等高、平行，同时要保证其在受到各种载重时能够不变形、不沉降和位移。顶进轴线和轨道是平行状态，重轨要采用43 kg/m的规格，导轨的中心水平位移≤3 mm，高程偏差≤3 mm。在顶进过程中，轨道沿着前进的方向有效安置，而工作井内便会滞留后靠和机架。

依据施工现场实际的顶进轴线放样安装后靠钢盒时，为保障力传递均匀，完全地将后背墙、后靠钢盒和工作井接触，将后背混凝土模板和作为钢模板的钢后靠背一起安装好，再对后背墙进行混凝土浇筑。最后保证其反顶力能有效地作用在内衬墙。

（4）初始顶进施工参数控制措施。①顶进速度：洞圈范围内的围护结构凿除后，立即开始顶进施工。顶管机的正面为加固水泥土，应放缓顶进速度以保护刀盘。②出土量：一般控制加固区的出土量在105%左右，而非加固区在95%左右。必要时可加入适量清水来软化或润滑水泥土可避免出现螺旋机出土不畅的现象。

（5）出洞段注意事项。①顶管机出洞时，为了避免刀头破坏洞门密封装置，应在刀头上包裹布料，布料和密封装置均涂抹油脂。②严格控制顶管机标高及中心轴线的误差，以保证顶管机的出洞的准确。③顶管机出洞时，刀盘切削的加固土体强度较高，顶进速度减缓，利用加水降低强度，防止上浮，对后背支撑有效及时地进行完善、加强和观测。④在正面土体即将接近顶管机时，将切削刀盘系统开启进行施工，之后再启动主顶进系统。当顶管机刀盘碰到土体时，要控制顶进速度不宜过快，防顶管机对正面土体产生过量挤压，使切削刀盘扭距过大，损坏刀盘。

3.2 矩形顶管进洞施工

（1）准备接收井工作（图4）。在接收井完成施工之后需要重新测量洞门位置的坐标，依据实际情况接受基座，且准备对接收井洞口的钻孔桩钢筋混凝土进行破除。

图4 矩形顶管导轨图

（2）复测顶管机位置。在接收井即将接近机头时，为保证顺利接收就要减小误差、提高精确度和测量频率。要想使顶管机在这段过程中顺利按照拟定好的方案施工，并且接受姿态良好，万无一失地落座在基座上就要在贯通前对复核顶管机所在的位置进行测量、评估姿态和计算轴线，制定好施工方案。

（3）施工参数的调整。由于管节和接收井洞口有一定的空隙，极易引起水土流失，有可能会导致严重的路面沉降，因而为了顺利施工就要选用相应的措施来防范。①距离接收井6 cm时，为了防止减阻力的上升。需要将第一节管节的压浆停止，后移压浆位置，从而保证顶管接收之前能够形成6 cm左右的土塞。②顶管机切口在加固区施工时，为了保证洞口稳定和顶管机设备完整应该使顶进速度减慢，机头正面土压力变小，调节出土量。

3.3 顶管进洞施工

（1）第一阶段。在加固区机头进入工法桩10 cm时顶管机停机，务必做好下列准备工作：①顶管机的机头快要接近接收井时，为确保顶管能够顺利地进洞，要制定好进洞的施工轴线、估计好进洞的姿态、确认好状态、反复审查顶管方位、提高测量频率。②进入加固区之后，顶管机想要保证在进洞之前有完好的“土塞”，需要后移压降的位置并将机头压浆停止，以此来防止因为大量流失减摩泥浆而导致管节四周的摩阻力突然上升。

（2）第二阶段。在全部打开洞口之后，查看有无渗水现象发生，反之则均匀迅速地推进顶管机。在进入内衬400 mm时第一节管节停止施工，立即分离关节和机体，机器收到信息后堵住洞口。从上往下堵住洞口，动作要迅速，封堵洞门的钢板要有较高的密闭性，保障焊接质量。

（3）第三阶段。在封住洞门后，为了弥补水土流程和洞口区域地面的沉降，务必要使用注浆对洞口的缝隙进行填补。

4 主要成果

依托苏州城北路综合管廊四标段广济北路、人民路段矩形顶管穿越工程，根据当地富水软土地层中大断面矩形顶管的施工难点，完成了对矩形顶管上穿地铁隧道施工过程隧道内部变形和上部土体变形动态监测，对矩形顶管工作井建造、大断面矩形顶管始发及接收、顶进减阻、姿态调整技术、地面沉降控制等相关技术经验进行了总结，顺利完成了国内首次采用大断面矩形管廊顶管法浅覆土穿越地铁施工工程建设，以及国内首次采用大断面矩形管廊顶管法两次小间距浅覆土穿越地铁施工工程建设。取得了以下成果：（1）通过合理设计监测方案，采集了大量工程数据，并详细分析了施工中管土压力的变化规律和分布模式，采用Abaqus数值模拟软件对顶管上穿地铁隧道受力影响进行了分析，并对其顶进措施提出优化建议；（2）通过对小间距顶管管土力的分析，研究小间距顶进条件下控制地面及管线沉降措施，确保相邻管节结构安全，并对平行小间距顶管间的受力影响进行了模拟并提出了优化建议；（3）通过对矩形顶管上穿地铁隧道过程中地铁隧道受力进行分析，利用可在导轨上移动的混凝土块进行配重，平衡地铁隧道垂直方向上的受力，完成抗浮设计；（4）本工程使用顶管断面较大，在断面顶进条件下采取相关控制地面及管线沉降措施，掌握不同顶进状态下顶管机姿态控制以及防止顶管机整体后退技术。

5 产生效益

（1）经济效益。①大断面矩形顶管顶进方案优化后减小了顶进施工难度，减少了施工现场对周围道路交通和居民生活的影响，优化了矩形顶管泥浆配方，降低了大断面矩形顶管顶进顶力大、顶进难的风险。9.1×5.5 m断面矩形顶管节约施工成本约688万元，6.9×4.2 m断面矩形顶管单个节约施工成本323万元，两个合计节约646万元。三条矩形顶管顶进共计节约施工成本1 334万元。②采用“自动化监测”和“人工复核”的方法解决了大断面矩形顶管上穿地铁隧道精度控制问题，定位准确，安全性高，减少矩形顶管顶进对运营地铁隧道的影响，减少施工成本220万元。③采用现场试验和数值模拟研究相结合的方法，合理设计管节结构、布置注浆孔，优化矩形顶管管节制作工艺，节约施工成本96万元。因此累计降低施工成本1 650万元，经济效益显著。

（2）社会效益。①广济北路段顶管通道是国内首次采用大断面矩形管廊顶管法浅覆土穿越地铁施工技术；人民路段两段管廊顶进是国内首次采用大断面矩形管廊顶管法两次小间距浅覆土穿越地铁施工技术，具有施工难度大、技术含量高及安全风险大等特点。该项目的顺利施工，得到业主及上级单位的高度评价，创造了良好的社会效益，综合施工技术对于以后类似大断面矩形顶管施工有非常大的指导意义。②研究出一整套大断面矩形顶管顶进综合施工技术，实现了技术创新，达到国内同类工程施工先进水平，为类似工程积累了丰富的施工经验及技术储备，推广应用前景广阔。③采用“绿色、环保”的非开挖矩形顶管技术建造综合管廊工程，避免了对沿线道路的开挖、管线的破坏和住房拆迁，缩短了建设工期，创造了显著的社会和经济效益。在本工程中针对矩形顶管的技术难点进行集中研究，总结施工经验，培养了一批专业技术人员，形成了一系列技术文件和专利成果，扎实推进了矩形顶管技术在综合管廊、地铁出入口、地下行车道等城市地下空间开发工程中的应用，促进了行业得发展，具有良好的社会效益。

6 小结

综上所述矩形顶管施工技术在城市管廊中的应用，需要考虑到核心问题的解决以及整体施工的方案规划，在整体的规划完成后才会使整体的施工计划实行得更加顺畅完整。