市政桥梁隧道施工中盾构顶管施工技术研究

庞洪贤

（中铁北京工程局集团第五工程有限公司，浙江 杭州 311200）

0 引言

在国家新型城市化建设不断推进下，各地加大对地下空间的开发与利用，市政桥梁隧道工程领域发展迈进了黄金时期，大批量市政桥梁隧道工程在全国各地开展，据相关统计资料显示，国内已有38 个城市获批修建隧道，规划总里程已经达到15 562.41km，市政桥梁隧道已经成为城市基础设施现代化的标志。盾构顶管施工是市政桥梁隧道工程中一个重要施工项目，当前市政桥梁隧道工程已经形成现代化体系，具有规模大、成本高、线路长、地质环境复杂等特点，由于施工所在区域为市内，大部分工程周围环境比较复杂，隧道穿越的管线比较多，包括电力管线、电信管线等，因此盾构顶管施工具有一定的难度[1]。近几年，市政桥梁隧道施工受到研究领域的重视与关注，众多研究学者对其进行研究，并已经取得一定研究成果。如刘智等人[2]以深圳某隧道工程为依托，对超大直径泥水平衡盾构穿越断层破碎带施工技术进行研究。其以“预防为主，防治结合，综合治理”的施工原则，采取辅助气压掘进模式穿越断层破碎带。邓章铁等人[3]以武汉市大东湖核心区污水传输工程为基础，针对超深及复合地层条件下长距离曲线顶管无法继续顶进的问题进行研究，并提出了超深长距离顶管对接施工技术。以上两种方法技术水平较低，无法保证市政桥梁隧道施工质量，多数情况下施工区域地表隆起、沉降变形比较严重，并且管节接头处沉降量也比较大，为市政桥梁隧道工程带来一定的安全隐患。现行技术存在较大的优化空间，已经无法满足实际需求，为此提出市政桥梁隧道施工中盾构顶管施工技术研究。

1 市政桥梁隧道施工中盾构顶管施工技术设计

市政桥梁隧道施工中盾构顶管施工大致可以分为四个部分，在正式进场施工之前将施工设备与材料准备，并且做好清场工作；采用明挖法对隧道两端入口进行挖取，将盾构体进行现场安装，为了保证盾构顶管施工安全，以及施工顺利进行，对隧道进出洞口进行加固及止水。根据市政桥梁隧道工程实际情况，对盾构顶管技术参数进行设计，开展盾构顶进作业，在顶进作业过程中利用矩形关节对隧道上覆土进行支护，防止地表隆基及沉降变形，以下将从进出洞口加固及止水、盾构顶管体安装、盾构顶进作业、矩形管节支护四个方面对盾构顶进施工技术进行详细说明。

1.1 进出洞口加固及止水

为了保证后续盾构顶管施工顺利进行，在隧道两端洞口采用明挖法对其进行挖取，挖进距离为3.45m，用于盾构顶管体安装。为了保证盾构顶管施工作业安全，在挖取的洞口处采用三轴搅拌桩对其进行加固，防止隧道洞口坍塌，搅拌桩的直径为750mm，桩体结构采用钢筋混凝土，配筋率不能低于50%。如果施工区域地下水丰富，则需要在洞口安装帘布橡胶板密封洞圈，并且在洞口处安装2～3 个降水井，将盾构顶管施工期间涌出的地下水导入到降水井，以此起到止水的作用。

1.2 盾构顶管体安装

盾构顶管体主要由盾构机与顶管机两部分组成，顶管机主要负责顶进，盾构机负责管内岩土挖出，根据施工现场实际情况，对盾构顶管体进行安装。采用运输设备将盾构机与顶管机运输到隧道洞口，在隧道底板前50cm 插入下托板，将盾构主体、顶管主体固定在下托板上，顶管主体在前，盾构主体在后，将盾构顶管主体相互焊接，并将其与下托板外露部分焊接在一起。按照隧道轴线放出盾构顶管各墩柱底板开凿边线，对槽基底利用钢筋混凝土对其进行硬化处理，将盾构顶管墩柱与预埋托板平整焊接。在隧道洞口搭设临时平台，在该平台上制作盾构顶进体主梁，采用17.55mm 厚钢板制作盾构顶管体外壳，将外壳安装在盾构顶进主体上，安装后的外壳宽度应大于隧道总宽度约25.55mm。利用焊接技术将盾构顶管体外壳与主梁、顶板底面焊接，以此完成盾构顶管体安装。

1.3 盾构顶进作业

安装完盾构体后，根据实际情况对盾构顶管机正面土压力、主顶力等技术参数设定，在盾构顶进作业过程中，盾构顶管机要承受正面土压力，根据弹性土压力理论确定盾构机正面土压力参数，其计算公式为：

式中，U表示盾构顶进正面土压力，单位为MPa；M表示市政桥梁隧道盾构顶管覆土深度，通常情况下管道上部取3.45m，管道下部取11.35m；ε表示容重；g表示隧道盾构顶进土体侧向系数[4]。以上计算得到的是盾构顶管机正面土压力理论值，但是在实际中当盾构顶管机从隧道洞口加固区顶进到原状土时，需要将盾构顶管机正面土压力值增加，使其大于理论计算值[5]。为了保证盾构顶管施工效率，根据盾构顶管机迎面阻力与初始拉力，确定盾构顶管作业的主顶力参数，盾构顶管机迎面阻力计算公式为：

式中，1F表示盾构顶管迎面阻力值；z表示盾构顶管机宽度；k表示盾构顶管机高度；w表示盾构顶管顶进长度；表示盾构顶管外壁与周围岩土体的平均摩擦阻力，其计算公式为：

式中，s表示盾构顶管外摩擦系数；α表示盾构顶管外周长；η表示每米盾构管节的重力；δ表示管节重力在岩土体中的摩擦系数，通常情况下该摩擦系数取值范围为0.15～0.45[6]。将数值代入到上式（3）中计算出盾构顶管迎面阻力值，再根据盾构顶管的初始拉力确定盾构顶管的主顶力参数值，其计算公式为：

式中，F表示盾构顶管主顶力参数值；2F表示盾构顶管的初始拉力[7]。通过以上计算对盾构顶管正面土压力和主顶力两个技术参数进行设定[8]。设定好技术参数后，开展盾构顶进作业，为了减小盾构顶进过程中周围岩土体对顶管体的摩擦，以及减少岩土体对盾构顶管机刀具的损坏，快速且顺利地完成顶进作业，采用混合注浆减摩方法开展顶进作业；在盾构顶管体外层安装一个泥浆套，泥浆套与管材之间为渗透块。浆液采用润滑性良好的膨润土泥浆，在水泥砂浆中加入膨润土添加剂，膨润土的添加量为35.16g/m2，利用注浆泵将制备好的膨润土泥浆注入渗透块内，注浆压力控制在2.45～4.15MPa 之间[9]。在盾构顶管顶进过程中，在注浆压力的作用下膨润土泥浆通过渗透块向周围岩土体渗透和扩散，渗透到土体颗粒之间的空隙中，在短时间内渗透到岩土体颗粒之间的膨润土泥浆会变成凝胶体，从而减少盾构顶管体与岩土体的摩擦，直至达到顶进长度为止。

1.4 矩形管节同步支护

考虑到盾构顶进作业会对周围岩土结构造成不良影响，可能会造成地表沉降或者隆起变形，因此在盾构机顶进过程中，同步矩形管节支护作业，管节的壁厚非常关键，其直接关系到管材支护效果。通过反复对管节荷载验算，确定管节壁厚[10]。支护矩形管节要符合管节轴向允许推力要求，其计算公式为：

式中，V表示矩形管节轴向允许推力；W表示矩形管节受力面积；S表示管材抗压强度，通常情况下矩形管材为C50 钢筋混凝土，其抗压强度设计值为23.1N/mm2；p表示矩形管节后座反力[11]。利用上述公式对关节荷载反复验算，直至管节允许推力大于关节最大受力为止，以此确定管节壁厚。管节形状设计为矩形，在顶进过程中通过同步注浆，形成矩形管节，为了保证注浆均匀，注浆管路采用并联方式，在注入浆液中配筋，植入的钢筋间距控制在30～50mm，钢筋直径为5.45mm[12]。在每顶进10m 后完成一次二次注浆，二次注浆量是一次同步注浆的0.45 倍，当盾构机顶进到隧道洞口时，加大二次注浆量，此时注浆量为一次同步注浆的0.75 倍，以此保证隧道洞口的稳定性。通过矩形管节同步支护作业，提高市政桥梁隧道上覆土层的稳定性，当矩形管节初凝后，对矩形管节的抗压强度进行检验，如果没有达到抗压强度设计值，需要对其进行补浆处理，直至符合验收要求为止。顶管机顶进的同时，利用盾构机挖出土体，以一个管节为一个盾构顶进周期，每一管节顶进完成后，再重复上述步骤对下一个管节顶进，直至通道贯通，以此完成市政桥梁隧道施工中盾构顶管施工。

2 实例分析

2.1 工程概况

以某市政桥梁隧道工程为工程背景，该工程位于市中心，隧道走向为南北向，横穿多条道路和管道，并且周围分布有市政工程相关管线。工程施工区域地质条件比较复杂，上覆土层为人工填土，并有少量的淤泥质土，上覆土层厚度为10.25m，该隧道设计挖深为12.45m，底层土质比较坚硬，为砂卵石，厚度为5.41m，隧道长度为135.45m，隧道主道净宽为8.45m，净高为5.36m，隧道两端进出口采用明挖法施工，主通道采用盾构顶管技术施工。该工程地质结构比较复杂，且施工对周边环境影响比较大，具有一定的施工难度。

2.2 施工结果与讨论

结合上述工程实际情况，采用本文设计的施工技术开展盾构顶管施工，将盾构顶进机正面土压力设计为135.46MPa，将其主顶力设计为148.62MPa，将矩形管节壁厚设计为600mm。考虑到地表沉降与管节接头处沉降变形是盾构顶管施工中重要控制对象，同时也是市政桥梁隧道施工验收的重要项目，故在施工完成后为施工区域地表沉降量与管节接头处最大沉降量进行检测，随机选取五个区域，使用IHFF-7fa8 全站仪对区域地表沉降情况进行测量，并且随机选择五个管节接头处作为测点，同样使用全站仪对管节接头处沉降进行测量，使用电子表格对测量数据记录，具体数据如表1 所示。

表1 盾构顶管施工沉降变形测量结果

如表1 所示，相关规范要求市政桥梁隧道盾构顶管施工地表最大沉降量不能超过20.45mm，管节接头处最大沉降量不能超过15.45mm。该工程施工后地表沉降量最大值仅为6.95mm，管节接头处最大沉降量仅为3.15mm，均符合规范要求，说明该工程盾构顶管施工未发生较大的沉降变形。由于盾构顶管施工中如果注浆不合理，或者推顶力等技术参数设定不合理，会造成地表隆起变形，因此为了进一步验证本文设计方法的适用性与可行性，随机选择十个测点，在施工后利用全站仪对地表隆起量进行测量，使用电子表格对测量数据记录，具体数据如表2 所示。

表2 盾构顶管施工隆起变形测量结果

如表2 所示，相关规范要求市政桥梁隧道盾构顶管施工地表最大隆起量不能超过50.55mm，该工程施工后地表最大隆起量为22.14mm，在规定范围内，符合规范要求，说明本次采取的施工技术能够有效保证施工质量，具有良好的施工效果，该技术适用于市政桥梁隧道施工中盾构顶管施工。

3 结论

盾构顶管施工作为市政桥梁隧道施工中一个重要项目，其施工质量对整个工程质量具有重要影响，此次参考相关文献资料，在原有施工技术基础上，对市政桥梁隧道施工中盾构顶管施工技术进行了研究，设计了一个新的施工技术，有效解决了盾构顶管施工地表沉降、隆起变形问题，实现了对原有技术的优化与创新。本次研究为市政桥梁隧道施工中盾构顶管施工提供了参考依据，有助于提高盾构顶管施工技术水平，为市政桥梁隧道工程施工提供了技术支撑，具有一定的研究价值。但是本文设计技术尚未在实际工程中得到大量的应用与操作，在某些方面可能存在一些不足之处，今后会在技术优化设计方面展开进一步研究，市政桥梁隧道施工中盾构顶管施工提供有力的理论支撑。