APP下载

复杂环境下矩型顶管设计全过程关键技术总结

2024-01-23马建慧姚显贵

科技创新与应用 2024年3期
关键词:顶管机长风管节

马建慧,姚显贵

(中铁第六勘察设计院集团有限公司,天津 300308)

随着轨道交通建设的发展,越来越多的城市开始将矩型顶管工法运用于工程建设,关于矩型顶管方面的研究也随之变多。彭立敏等[1]、马鹏等[2]对矩型顶管通道国内外研究现状和发展趋势进行了分析探讨;徐宏等[3]、韩占波等[4]对浅覆土顶管掘进参数控制与地面变形进行了研究;甄亮等[5]、豆小天等[6]对顶进时产生的背土效应原因进行分析,并给出处理措施;魏纲等[7]、陈聪等[8]对顶管施工过程中部分环节进行了数值模拟分析;林越翔等[9]对管壁摩阻力理论进行了分析探讨;王乐等[10]对复杂条件下顶管注浆减阻技术进行了研究。目前对于矩型顶管全过程设计方面的研究与总结相对较少。

1 项目概述

1.1 工程概况

长风街站为太原地铁2 号线一期第12 座车站,位于长风街与长治路路口南侧,沿长治路呈南北走向。本站地铁过街通道下穿长风街,连接车站站厅层北端与3 号活塞风道,通道全长91.9 m。

长风街站地铁过街通道位于长风商业中心,周边建设环境相当复杂。横跨通道地下管线有13 根,平行通道近距离管线3 根,其中含有多根主干管:DN800/1000 雨水管、DN1000 给水管、3 800 mm×1 400 mm 雨水箱涵和2 300mm×1 300mm 电力箱涵110 kV。过街通道下穿长风街高架桥,正下方为与其近距离并行的长-王盾构区间隧道,如图1 所示。

图1 长风街地铁站方案图

1.2 水文与地质

工程区地貌单元为太原盆地汾河冲积平原区,长风街站位于汾河东岸一级阶地区。过街通道覆土约4.5 m,土层从上至下分别为:杂填土、素填土、粉质黏土,洞身穿越素填土、粉质黏土层。

工程区内河流为黄河流域的汾河水系,场地位于汾河东岸约1.5km 处,地下水受汾河水侧向径流补给影响。地下常水位埋深平均约2.5m,抗浮设计水位地面以下1m。

1.3 工法选择

通常修建过街通道可采用的工法有:明挖法、浅埋暗挖法、顶管法。若采用明挖法,本工程管线迁改费用高且对商业中心的交通影响持续时间长,造成的间接经济损失大。若采用浅埋暗挖法,虽然能够避开交通疏解与管线迁改的问题,但在富水填土层中开挖风险极高,稍有不慎可能会引发冒顶及涌水险情。尤其在城市商业中心,若发生事故造成的影响是不能承受的。

通过MIDAS GTS NX 数值模拟分析,比较浅埋暗挖法与机械顶管法施工时,土体产生塑性区的范围。若出现塑性区标明该点土体已经达到了抗剪强度,结果如图2所示。

图2 土体塑性区范围示意图

通过对比顶管法施工产生的塑性区要少于浅埋暗挖法,因此顶管法施工更为安全。综合比较,太原地铁2 号线长风街站地铁过街通道设计采用顶管法最为合适。

2 矩型顶管通道设计

2.1 平纵方案设计

长风街站矩型顶管过街通道下穿长风街高架桥,与长-王盾构区间并行,利用长风街北侧3 号风道预留井始发,在长风街地铁站内接收,全长91.9 m,采用7‰纵坡,如图3 所示。

图3 相对位置关系图

2.2 工作井设计

考虑减小顶进施工对地铁车站主体的影响,顶管过街通道一般采用站外始发、站内接收的方式。通常情况下,始发井内净空可按以下考虑。

始发井长度:顶铁厚度+液压缸长度+后靠背+max{顶管机长度,2.5 倍管节长度}+0.7 m。

始发井宽度:管节外边宽+2×(0.8~1.5)m。

始发井深度:管底埋深+max{后浇环梁+预埋钢环空间,0.5 m}。

通常情况下,接收井的最小净长度和净宽度应满足顶管机在井内拆除和吊出的要求。

本工程顶管机采用六刀盘土压平衡顶管机,外形尺寸为6 920 mm×4 920 mm×7 800 mm,主机分前盾、中盾、盾尾3 部分。理论上始发井尺寸12 m×9 m(长×宽),接收井尺寸6 m×9 m(长×宽)即可。

2.3 反力墙设计

顶管工程设计中至关重要的一步就是顶推力的估算与反力墙后背土体极限承载力验算[11-12]。先通过计算估得工程中所需最大顶推力,然后验算在最大顶推力工况下反力墙后背土体承载力能否满足。若不满足应对背后一定范围内的土体进行加固预处理,否则会导致反力墙体开裂、后背土体剪切破坏。

2.3.1 顶推力估算

根据顶管施工原理,理论上矩形顶管总顶力不应小于顶管机迎面阻力与管节周围土体摩阻力之和。

规程上给出矩型土压平衡、泥水平衡式顶管机的迎面阻力计算公式如下

式中:γ 为土的重度;H0为管顶至原状土地面覆土层厚度;Ka为主动土压力系数;S为管节外轮廓似矩型面积。

从实际工程考虑该公式偏冒进,顶管顶进时主要依靠刀盘对土体的切削释放土体应力。理想状态顶力恰好与土体应力平衡,土压力为主动土压。施工过程中千斤顶推动管节前行,难免有时顶力偏大,此时机头挤压土体产生被动土压。综合考虑,采用静止土压力系数计算顶管机迎面阻力较为合适。

顶管顶进最大摩阻力计算公式如下

式中:B为管节外边长度;H为管节外边高度;L为顶管顶进长度;f为管节与土体的摩阻力。

管节在土体中顶进,在周围土体压力作用下,会对管节产生较大的摩擦阻力。施工过程中为降低摩阻力,通过在管节内部预留的注浆孔注入触变泥浆(主要起润滑作用),来降低摩擦系数。采用触变泥浆减阻后的摩阻力可见表1。

如遇突发情况,长时间停止顶进时,摩阻力可按表1中取值放大1.5~3 倍。

2.3.2 反力墙背后土体验算

反力墙设计是顶管工程设计中的关键环节,主顶油缸将顶推力通过反力墙传递至背后土体。反力墙一般分为整体式和装配式2 类,在地铁工程中,通常利用其附属结构作为始发井,这种属于整体式反力墙。

整体式反力墙在顶推反力、后背土体抗力、井壁摩阻力共同作用下,维持受力平衡状态。初始顶推力较小,顶推反力与背后土体静止土压力平衡。随着顶推力增加,顶推反力与背后土压、井壁摩阻力平衡。当顶推力很大时,井体开始变形,产生与顶进反向的位移趋势,仅需微小位移就可使始发井前壁土体达到主动土压力。当位移足够大时,后背土体达到被动土压力,此时为受力临界状态,若顶推力继续增加,后背土体将发生破坏,进而墙体开裂。始发井临界状态受力示意图如图4 所示。

图4 始发井临界状态受力示意图

临界时刻,反力墙最大允许顶力计算公式如下

式中:Epk为反力墙后背被动土压力合力标准值;Eak为始发井前壁主动土压力合力标准值;ξ 为合力作用点不一致折减系数;h为总顶力合力点距工作井底板距离;hp为被动土压力合力至工作井底板距离。

太原地铁2 号线长风街站矩型顶管过街通道顶进长度91.9 m,穿越第四系全新统,土层主要为素填土、黏质粉土、粉质黏土。最大顶力估算为13 700 kN,反力墙最大允许顶推反力估算为21 100 kN,反力墙背后土体无须加固。

2.4 管节结构设计

本工程顶管管节外轮廓6.9 m×4.9 m,壁厚0.45 m,标准节长1.5 m,混凝土采用C50,抗渗等级P10。

预制管节环向设置了3 排注浆孔,分别为DN50压浆孔(用于顶进完成置换注浆),DN25 压浆孔(用于顶进时减阻注浆)和DN12.7 压浆孔(用于顶进完接缝止水压浆)。混凝土管节设计图如图5 所示。

图5 混凝土管节设计图

2.5 通道防水设计

本工程结构防水等级为一级。由于管节采用的混凝土抗渗等级较高,且采用工厂预制,管节自身的质量容易得到保证,管节自身的防水通常不会出现问题。因此防水设计的关键是保证管节与管节接缝处、首尾环管节与工作井接缝处不漏水。

2.5.1 管节接缝防水

目前顶管隧道管节接缝形式主要有承插式、企口式、平口连接[13]。综合考虑接头强度、密封性、耐久性和施工便捷等因素,本工程设计采用了F 型承插式接缝,如图6 所示。

图6 管节接缝防水设计图

该接缝处防水采用了3 道防水体系,第一道防水为管节外侧的承口钢套环+弹性密封止水圈;第二道防水为接缝中部的橡胶密封垫;第三道防水为预留防水体系,采用聚硫密封胶嵌缝+接水盒。

2.5.2 工作井接口防水

管节与工作井接口处的防水设计需要结合首尾管节的设置方式(最后一环管节切割、预留钢筋接驳器或预埋钢板)。综合考虑施工风险及防水效果,本工程设计采用预制特殊管节(预埋钢板)的方式,如图7 所示。

图7 工作井接口防水设计图

该接口处采用了2 道防水体系,第一道防水为后浇环梁与管节、工作井结合处分别设置2 道遇水膨胀止水条;第二道防水为后浇环梁内预埋注浆管注浆+C35 细石混凝土填充。

2.5.3 始发与接收洞门防水

在施工过程中,始发与接收时洞门防水效果好坏直接关系到现场施工安全。实质上洞门的防水主要依靠对端头土体加固,降低土的渗透系数来隔断地下水渗流。其次在工作井内部洞门预埋钢环上设置帘布橡胶板来进一步阻隔顶进过程中的泥水。当覆土超过10 m 应采用双层帘布止水橡胶板,覆土超过15 m 还应增加钢丝刷止水装置[14]。本工程由于埋深较浅,水压不大,在洞门处设置了一圈帘布橡胶板。

2.6 监控量测设计

顶管始发前,对长风街站的周边情况进行详细的调查,并按照设计和规范要求[15]进行地表、管线、建构筑物进行监测点布置。本工程监测等级为一级,测点布置如图8所示,主要监测内容见表2。

表2 施工监测内容

图8 施工测点横断面图

在顶进过程中,根据实时监测数据及时调整顶进参数、出土量、注浆压力,确保地表沉降控制在设计和规范的要求范围内。

3 重要技术措施

3.1 沉降控制措施

3.1.1 渣土改良与出土

优良的渣土改良效果有利于出渣量的精确控制,保持土舱压力的稳定、连续,掌子面的稳定[16]。渣土改良一般通过将改良剂(水、泡沫剂、膨润土)加注到刀盘前方,来降低土的内摩擦角,增加土体的流动性和塑性,使出土更容易,更均匀,一定程度上减少沉降。顶进时应控制实际出土量与理论出土量偏差不大于2%。

3.1.2 顶进姿态与速率

顶管掘进过程中,遵循“勤测量、勤纠偏、微纠偏”的原则,控制矩形顶管机前进方向和姿态。掘进施工过程中应对顶管水平轴线、高程、偏转和机姿态等进行测量,并对测量控制基准点进行复核,发生偏差时及时通过纠偏油缸纠正。此外进入接收井前应提前再次进行矩形顶管机位置和姿态测量,并根据进口位置提前进行调整。

始发和接收时,顶进速度应稍放缓,控制在5~10mm/min 为宜。正常顶进阶段,速度宜为10~20 mm/min;顶进时应不断调整掘进速度,优化顶进速度、土仓压力与出土量的最佳值。

3.1.3 同步注浆与二次注浆

同步注浆即在顶管顶进施工的同时持续注入触变泥浆,使管节与周围土体之间形成一层约2 cm 厚的泥浆套。泥浆套一方面起到润滑减阻的作用,使得管节顶进更顺畅;另一方面,完整的泥浆套可以有效减弱顶管顶部的背土效应[9],降低对土层扰动,减少顶进过程中的地面沉降。

二次注浆即在顶进完成后,通过管节预留注浆孔,注入水泥砂浆来置换触变泥浆,同时永久填充管节与土体之间的缝隙,降低工后地面沉降。

3.2 管节止退措施

顶进初期,管节进入土体的长度较短,摩阻力较小。通常在添加管节主顶油缸回缩时,由于摩阻力不足以抵消掌子面被动土压力,管节会出现轻微的回退。这会导致管节接缝不严密,进而增加后期渗漏水风险。工程中采用止退支架(与平台固定),在主顶油缸消力回缩前,将止退销插入管节侧面的手孔内,来达到管节止退的目的。止退支架图如图9 所示。

图9 止退支架图

3.3 端头加固措施

矩型顶管通道穿越地质主要为填土和粉质黏土,土层可塑较软,地下水位高,始发与接收涌水、土体塌方的风险较大。此种情况下对端头土体进行加固处理,可降低土的渗透系数并且提高其抗压强度,可以有效降低始发和接收时的工程风险。由于场地范围内地下管线多且复杂,地面加固条件不理想,本工程采用洞内深孔注浆加固,加固范围长度方向6 m,环向3 m。同时在加固范围内,顶管通道两侧打设了2 口应急降水井,确保在如此复杂的环境中施工,安全顺利。

4 工程影响分析

4.1 社会环境影响

本工程位于太原市商业中心长风商务区,长风街为市内主干路,交通流量巨大。过街通道采用非敞开式施工,最大限度保留了商业中心主干路的原状交通、对正常出行效率几乎没有造成任何影响。由于采用了顶管机机械施工,该过街通道洞通仅用了1.5 个月,做到了持续时间最短,对社会影响最低。

4.2 工程安全性

本工程场地地下水位高,洞身穿越素填土、粉质黏土层,地层敏感易扰动变形。选取通道正上方距离始发井5 m、40 m处测点,地表沉降与顶进距离关系曲线如图10 所示。

图10 地表累计沉降与顶进距离关系图

顶进过程中测点1(加固区)与测点2(非加固区)的地表沉降趋势是相似的:顶管机刚经过时,地表开始出现隆起变形,大致通过时隆起变形最大,这是由于顶进过程中弥补顶管机壳引起的地层损失,保持一个稍大的土仓压力来控制地面沉降,从而导致地表隆起趋势;随顶进距离增加机头后方土体逐渐出现沉降趋势,这是由于管节与土体间隙中填充触变泥浆,触变泥浆失水及管节顶板背土效应引起地表沉降。由于始发接收端头土体进行了加固,使得该处土层黏聚力与内摩擦角增大,有效降低了土层沉降变形。

作为太原地区首个矩型断面顶管过街通道工程,施工中实时监测、动态调整顶进参数,通过一系列信息化施工使得地面沉降保持在安全范围。

4.3 经济效益

本工程采用顶管法并成功实施,给社会带来了很大的经济效益。其一,工期较短且非敞开式施工,对周边商业几乎没有造成影响。其二,采用顶管施工避免了通道上方DN800/1000 雨水管、DN1000 给水管、3800 mm×1 400 mm 雨水箱涵、2 300 mm×1 300 mm 电力箱涵110 kV 等管线的迁改,较传统明挖法施工节省管线迁改费用近2 500 万元。其三,地铁车站通过本过街通道与2 个大型商业综合体结建,给其商业带来了极大的流量。

5 结论与建议

1)随着城市建设的发展,轨道交通周边建设环境也愈加复杂。越来越多的工程需要面对难以进行交通疏解与管线迁改的巨大压力。在这种环境下,非敞开式的机械施工方法成为一种必要选择。如何从设计与施工的各个环节把控好工程质量安全与进度,成为工程设计重点思考的内容。

2)在矩型顶管工程设计时,总顶力估算和反力墙验算是理论计算的关键环节。由于总顶力估算中摩阻力系数取值有一定的经验性,且结合现场施工存在加大顶力的操作及考虑中途停机等突发状况,摩阻力计算应保守考虑,同时端面土压力宜按静止土压力计算。反力墙背后土体验算建议按整体式反力墙考虑。

3)在矩型顶管现场施工过程中,管节减阻注浆和适时调整顶进参数是关键措施。完整的触变泥浆套,可以有效降低顶进阻力,减少背土效应,降低地面沉降。做好渣土改良的同时,通过适时调整顶进参数,控制出土量,实时纠偏来保证顶进施工质量。

4)太原地铁2 号线长风街站地铁过街通道工程是太原地区大断面矩型顶管工法的首次应用。在非常复杂的环境下,成功将地表沉降控制在规范和设计要求的范围内,同时带来很大的社会经济和环境效益。这在本地区对矩型顶管工法具有极大的推广意义,也为后续顶管工程提供经验和参考。

猜你喜欢

顶管机长风管节
愿你乘长风破万里浪
棱镜铅垂装置与顶管自动导向系统在顶管施工中的应用
深中通道超宽变宽沉管E29完成沉放对接
用泥水平衡顶管机施工管道的质量控制
长风街线路所102DG占用丢失的解决方案
用于垂直顶管桩的垂直顶管机的研制与试验应用
顶管机在煤矿高抽巷掘进中的应用
声纳法在管节沉放实时定位测量中的运用探讨
超大型沉管管节横移施工工艺
吐鲁番,漫过香甜的长风(散文诗 外一章)