大截面矩形顶管施工在城市智慧管廊建设中的应用

曾冬勤

（中铁二十局集团第三工程有限公司，重庆 400000）

0 引言

随着城市化进程的加快，城市智能管廊的建设对推动新型城市化进程具有重大意义[1]。新建地下工程常会对现有各种地下管线、道路交通和周围的建筑（构筑物）产生一定影响[2]。顶管施工方法对周围土体的扰动小，工期推进速度快，自动化程度高，对道路交通和周围建筑（构筑物）影响较小[3]。大截面矩形顶管施工技术是一种能保证大截面矩形顶管在复杂的地质环境中顺利通过已有排水管涵，并对箱涵结构毫无影响的新技术，近几年在国内逐步得以推广[4]。该文根据工程概况，分析了大截面矩形顶管施工工艺及重难点，提出有效的高精度顶进姿态、顶管始发与接收以及大截面矩形顶管在粉质黏土中的掘进控制措施，并将该技术运用于城市管廊建设中。智能管廊是保障城市安全的关键，它能有效提高管线的安全管理水平，降低管线安全风险，减少管线安全隐患。大截面矩形顶管作为“绿色、安全、环保”的“非开挖工程”，其优点为不封闭交通，不拆除管线，对周边环境的影响较小，施工快捷，安全可靠，必将被越来越多的工程所采用。

1 工程概况

该项目位于平原地区，基本地震裂度为6 度，从管廊开挖场地向下延至45m 的地层中，顶管土层共分5 个大层次，见表1。

表1 顶管土层分类

城市智慧管廊施工中，大截面矩形顶管施工于一个十字路口交会点，其交通量大，地下管线复杂[5]。综合考虑后决定采用大截面矩形顶管法进行施工，其顶管截面尺寸为10.1m×6.3m，预制管节单环长2.0m，顶管总长2.0m×45.0m=90m。该项目采用b×h=8.78m×6.32m 的土压平衡式长方管，预制厂房采用内衬式2.0m 的管节，生产并运输到工地。顶管机设备包括65t 前壳体、50t 后壳体、15t 前壳体大刀盘驱动件和2 台15t 螺旋式挖土机。采用5个组合刀片在顶管前端进行切割，整体切削率大于92.5%。顶管机后顶系统包括15 个3m 冲程的千斤顶，其工作压力可达45MPa。顶入完毕后，使用水泥加水玻璃的双液浆替代，顶升过程中在管件背面注入抗磨损的泥浆。

2 大截面矩形顶管施工工艺及重难点分析

2.1 施工工艺流程

大截面矩形顶管施工在城市智慧管廊建设中的工艺流程主要包括准备工作→设备安装→始发施工→正常顶进→接收工作→收尾工作。其具体内容如图1 所示。

图1 施工工艺流程图

该项目采用计算机引导法进行纠偏，输入的原始资料经过电脑处理后，可根据管线的偏移、外力平衡状态、刀具管端位置用电脑进行校正。在顶进过程中，始终贯彻“勤顶、勤测、勤纠”的方针，使顶进中的误差不超过20mm。在城市智慧管廊施工过程中，施工沉箱在下沉过程中出现了扭转，在安装轨道时将轨道和后座调整好，当施工开始时，应时刻关注两侧千斤顶的柱塞长度，并根据顶板的情况进行调整，直到达到55m 才能进行后部的顶置。利用Wild2 经纬仪进行测量，保证其校正误差不大于15mm，如果发现误差，可以使用S3 水准仪进行测量矫正。

2.2 重难点分析

在城市智慧管廊工程中，大截面矩形顶管施工首先要进行高精度的顶进姿态控制，接收井门架与顶管机之间的距离为3.5cm，顶管起始井和接收井之间的高度差为18cm，而顶管的下坡坡度为0.32%。如果想准确地出井，必须对顶管的顶向和斜率进行严格控制。其次，在大截面矩形顶管的施工中应重视顶管的起始和接收。顶管开始出洞和接受进洞时，因顶管机械与洞口之间存在一定的施工间隙，容易产生土壤侵蚀，进而引起工作面塌陷，会导致岩体失稳、地面塌陷等安全问题。因此，控制高精度顶进姿态、顶管始发与接收以及大截面矩形顶管在粉质黏土中的掘进，是该技术应用在城市智慧管廊建设中需要着重注意的技术要点，须制定详细的控制措施以方便工程的开展。

3 大截面矩形顶管施工过程控制措施

3.1 高精度顶进姿态控制

3.1.1 控制点引测及靶台安装

该项目的矩形顶管机施工控制点由基坑外地表引测到基坑内部，在后斜井和结构内壁上设置了测控控制点。顶管机内靶台纠偏端的安装分为前、后两部分。三个靶台安装在前纠偏区，两个在顶管机胸面板的左侧和右侧，一个在前校正部分的尾部。后校正段配有两个靶台，在修正段前后位置上进行安装。为了避免工地对靶台的影响，将顶管机械的中段设置为整体靶台安装区域。

3.1.2 测量姿态

采用全站仪对顶管机顶进姿态进行定位误差的测量，采用人工测量获得机头靶标座标位置，并计算出顶管机的顶进轴线，与设计轴线进行比较，以此来得出顶管机的顶进姿态，顶进测量详见图2。

图2 顶管机姿态测量

每30cm 测一次高程及轴线，采用土压平衡式矩形顶管进行推进，以实测资料实时观察顶管机的姿态偏差，为顶管机施工提供参考。因此，该工程利用卡西欧5800 软件程序，对顶管机的位姿误差进行快速求解。测量员利用手机App 进行姿态运算，并将位移信息发送到操控室，由操作者根据实时上传的资料，对顶管机进行实时纠偏控制，以验证测量系统的数据，并对其高程、位置、姿态进行校验，以保证土压平衡的矩形顶管在正确的方向上运行。

3.1.3 打泥纠偏

根据“实时监控，勤测勤改”的原则，尽量减少顶进过程中的偏移，确保机头的顺利接收。该工程运用注浆纠偏技术，以保证大截面矩形顶管的顺利进行，具体打泥纠偏孔的位置如图3 所示。

图3 打泥纠偏孔位

当顶管机出现中线偏移或滚动时，由于其自身的铰接纠偏能力不够，可以通过在井口和管节上预留的触变打泥纠偏孔和钻进系统，在必要部位对管廊进行注水，调节顶管周边的地层压力，并通过地层压力的变化和岩体的微小压缩来进行偏差纠正。

3.2 控制顶管始发与接收

3.2.1 顶管机及发射架安装

安装后的基座必须稳固、正确，保证在顶入过程中经受多种载荷后不会发生位移、变形和沉降。发射架由3 个部分组成，使用高强度螺栓进行固定，2 个轨道必须平行等高，达到设计高度和轴线要求后才能进行下一步工作。在下井组装过程中，必须准确定位顶管设备，以保证出孔轴线与设计轴线一致。顶管机正确安装后必须反复调试，确保其工作状态良好后才能进行顶管出孔和正常顶进。

3.2.2 开凿破除洞门

为保证安全地建造洞门及顶管安全洞，在洞口施工完毕后，需要将固体物质加入洞口的抽芯探测区域之内。测试添加固体完整性后，先开挖洞口，将混凝土破坏至迎土侧主筋的位置，然后再切割外侧的钢筋，以彻底破坏围护结构的混凝土层。混凝土破除时，需要将每个平面被分成9 个部分，从中间到两侧、由上而下进行破除，具体的分割序号如图4 所示。

图4 洞门破除分割

在顶入之前，洞口采用人工风镐，将润滑油均匀地涂于帘布的止水板外侧，以确保顶入时不会损坏。进行开挖之前，必须在机头的土仓中填入不少于全仓2/3 的泥浆，以防止仓内压力过低造成的洞口塌陷。

3.2.3 进行洞口止水

由于帘布与出洞口之间有15cm 的空隙，为避免出现土体失稳、地面塌陷等问题，因此在出洞之前，钢洞圈上需要安装帘布橡胶板，并将帘布橡胶板安装在洞口预埋法兰套管与锚固板之间。使用M20 螺栓紧固，在紧固板的外侧焊接钢翻板，钢翻板上设有可移动销，用以保证帘布橡胶板顶入时的位置可以进行调节，防止个别区域渗水、漏水。当顶管抵达入洞时，如果顶管掌子面出现损坏及其他原因，需要对洞口进行检验，可以在洞门钢环上焊2 块防水钢板，中间填满棉花，达到加固体后，可以采用低推力、低转速的方法来减缓工作面的损坏。当掌子面台破碎之后，要立即把它推出来，避免渗水。

3.3 大截面矩形顶管在粉质黏土中的掘进控制

3.3.1 顶管推进

大截面矩形顶管隧道主要穿越粉质黏性土层，该土层塑流性较差，局部振动响应较快，因此为避免开挖时土体压力不稳定，产生较大的推动力，需要采用如下方法进行施工：采用泡沫及添加剂注入体系，在刀盘上设置5~8个添加剂注入孔，避免“塑性及流动性不良”情况的发生。通过在基坑表面加入泡沫、膨润土和高分子材料等，提高压载土的流动性和水密性。采用切板旋杆和搅拌器对压载土进行充分搅拌，使其具有较好的可塑性，有利于开挖。根据管廊建设的经验公式，顶管推进顶力如公式（1）所示。

式中：F为顶力；L为管道的顶部长度；W为管节的质量；S为横梁的外圆周，是顶杆的阻力；R为土层与管道之间的摩擦力；C为管道的外周长；f为管道的摩擦力因数。

添加剂、聚合物、泡沫喷淋系统的功能和特点是可以通过加入泥浆系统将添加剂或泡发剂注入挖掘表面，进而提高砂层的塑流和止水率。添加起泡剂可以有效提高沙层和地层中的砂岩黏性，进而提高砂层塑性和不透水性。在实际应用中，必须根据地质条件及影响因素选择合适的材料。

3.3.2 注浆整流

为克服顶管机的转动，该文采用的控制措施为注浆整流法，即采用两台独立的刀片传动系统，使两台刀片进行相对或反向工作，实现整体扭矩均衡。该系统可由压浆机将其压到筒体和管壁外侧，并将其分成两个单独的子系统，一种是在套管外侧形成减磨泥浆套；另一种方法是改善土的流塑性，在钻头和钻机内部进行灌浆。综合分析表明，螺杆机的出土孔和进料孔都在增加，但是触变泥浆的黏性较低，无法有效地将一些姜石和卵石包裹起来，因此必须调整触变泥浆的配合比，见表2。

表2 触变泥浆配合比（kg·m-3）

经过对上述技术措施和设备的调整，每日的顶管施工可以达到2.5 延米的顶进，大大缩短了工程进度，保证了大截面矩形顶管在复杂地质条件下的安全施工。

4 结语

城市智慧管廊的建设已被纳入“十三五”规划中，当管廊工程遇到管线复杂的复杂地段时，应用大截断矩形顶管施工技术可以有效解决工程建设中存在的问题。该文根据工程概况，分析了大截面矩形顶管施工工艺及重难点，并提出将高精度顶进姿态、顶管始发与接收以及大截面矩形顶管在粉质黏土中的掘进控制措施有效运用于城市管廊建设中。大截面矩形顶管施工作为一种“绿色、环保、安全”的新型非开挖技术，必将在今后的发展中得到越来越多的应用，综合开发与利用城市智慧管廊是今后发展的必然趋势。