长距离大断面矩形顶管穿越硬岩段施工技术研究

黄雷

摘要：为优化矩形顶管穿越硬岩施工，以深圳市16号线共建管廊工程项目为例，开展长距离大断面矩形顶管穿越硬岩施工技术的研究。为确保工程的顺利开展，应根据项目特点做好顶管施工前设备选型、场地布设、触变泥浆设计与测量点位布设等；在遇硬岩时，根据实际情况，及时调整施工工艺，以此来实现矩形顶管穿越硬岩段施工。通过实例应用，指出矩形顶管在硬岩施工中存在的不足，为后续工程在此方面设计和施工提供借鉴。

关键词：长距离；大断面矩形顶管；硬岩凸起；方案优化

0   引言

长距离大断面矩形顶管施工技术作为一种先进的非开挖工程技术，广泛应用于城市地下管网建设、交通设施改造等工程项目中。施工中，其利用切削刀盘和液压缸共同作用，将预制管节逐节顶入地层中，直到达到预定位置[1]。该技术具有工期短，精度高，对周边环境影响小等优势，尤其在穿越建构筑物、既有线施工时，能够解决传统开挖方式难以解决的问题，有效提高工程的可靠性和安全性。

与传统的开挖方式相比，矩形顶管施工技术在应用中，对设备的要求较高，需要使用专用设备。矩形顶管在软土和软岩地层中技术较为成熟，在硬岩地层中，矩形顶管施工目前尚且存在困难，所以对于复杂的地质条件，施工前需进行详细的勘察和评估，以确保施工的安全性和可行性。为深化此项技术的应用，本文以深圳市16号线共建管廊工程项目为例，开展长距离大断面矩形顶管穿越硬岩施工技术的研究。

1   工程概况

1.1   工程基本情况

昌盛路顶管区间位于深圳市16号线共建管廊坪山段，区间穿越未开发山林地块，区间起讫里程KE0+000-KE0+214.232，全长214.232m，设始发井和接收井各1座[3]。顶管段全长183m，管节结构采用矩形断面，外尺寸7.7m×4.5m，壁厚700mm，结构覆土厚度约为4～6m，顶进坡度为18‰。采用土压平衡顶管机施工，区间顶进施工过程中，下穿废弃厂房，上跨地铁16号线盾构区间隧道。

1.2   地质状况

根据地质纵断面图及详勘报告可知，顶管区间穿越地层主要为粉质黏土、粉质黏土素填土和砂质粘性土，上部为素填土（填黏性土为主），下部为花岗岩。由于地块条件限制，靠近接收端位置在详勘阶段勘测点位布设间距较大，详勘报告中对该区域岩层分界线无准确界定。为明确岩层分界线，施工前对靠近接收端范围重新进行了地质补勘。补勘结果显示，顶管接收井开挖范围内存在中、微风化花岗岩，位于结构底板以上高度2.1～7.2m。紧接接收井里程KE0+016.36～KE0+030.25，长约13.9m的顶管段，存在微风化花岗岩凸起，实测岩石单轴抗压强度30.5～58.8MPa，侵入顶管区间底板高度0～2.56m。

2   长距离大断面矩形顶管穿越硬岩段施工方案

根据地质补勘结果可知，在接收端13.9m范围内存在硬岩凸起，顶管无法顶进，需调整设计方案。在综合比选地面钻孔碎岩、接收井开挖后水平钻孔碎岩、变更明挖施工等方案后，最终决定将接收井向始发井方向调整扩大16m，将凸起硬岩调整至接收井范围内，减少16m顶管顶进长度，增加16m明挖长度。基于此，设计施工技术如下。

2.1   顶管施工现场准备

在施工前，先做好顶管施工现场的布置，以便于后续顶管施工。顶管设备的运行需要动力，因此在现场电源接入点处安装800kW及以上的变压器，并与井上井下设备连接。及时对场地进行清理，合理布置监控室、操作室、注浆泵、空压机及管线位置，合理规划管节存放及吊车行走站位[4]。

本工程采用300t履带起重机，以进行管节、顶管机各部件的吊装以及井下渣土提升。在工作井场地内还需设置一个渣土坑，用来存放顶进渣土[5]。顶管机采用1台土压平衡顶管机，顶管结构参数设计如下表1所示。

完成施工现场的准备工作后，在施工前，先将测量控制点布设在工作井四周及工作井中，以便在顶进过程中完成顶管机姿态测量以及周边地表、建筑物沉降与位移监测。

2.2   触变泥浆配合比设计与顶进纠偏

2.2.1   觸变泥浆配合比设计

注浆是减小顶管阻力的最有效途径之一，注浆液在管节外壁上形成一层泥浆润滑层，可以减小顶管顶进过程中与地层的摩擦阻力，从而减小液压缸顶进压力，提升顶管施工效果[6]。在长距离顶管施工中，压浆装置的供浆量直接关系到顶管施工的质量。依托工程一次顶进长度，安装1～2台注浆设备，用于触变泥浆的施工，并在顶进过程中不间断地进行补浆。遵循“同步注浆”、“先上后下”、“适时注浆”等原则。

顶进过程中，应注意每一个推进区段是否均有注浆。为降低启动压力，在每次停止后重新启动前都要对壁后进行补浆。有地下水时，浆液的注浆压力要高于地下水水压20～40kPa。同时，浆液的注浆压力不宜太大，以免打穿地层，从而影响注浆效果[7]。触变性泥浆的设计参数如表2所示。

在长距离的顶管施工中，顶管壁后的减阻润滑是影响顶管施工的关键。本工程采用大断面矩形顶管施工，地层变化复杂，施工距离长，采用单一的触变性泥浆已不能满足施工需要，触变性泥浆的参数应随穿越地层的不同而实时调整。

2.2.2   顶进纠偏

在淤泥质、粉质土地段顶管施工中，易发生上抬现象。在粉砂、细砂、中砂、砾砂段等地层中，泥浆易漏失而产生沉陷。为排除相关因素对施工的影响，应及时进行顶进纠偏，即通过使用全站仪等定位设备，结合地质勘探数据，进行实时位置、轴线监测，以确保顶管能够沿着设计轨道准确前进。

2.3   硬岩段明挖施工设计

当施工到硬岩（本工程接收端）时，提前进行明挖施工。在明挖施工过程中，需要密切关注地下水位变化，采取相应的安全和技术措施，以确保工程的顺利完成。硬岩段明挖施工步骤如下所示。

2.3.1   准备工作

在转变为明挖施工前，需要进行一系列准备工作。其中包括清理擴大后接收井范围内地表杂物，施工场地硬化，进行场地布置，并准备好明挖施工所需各类机械设备、器具。

2.3.2   围护结构施工

根据变更设计图纸确定明挖围护结构施工边界，重新进行测量放样，施作围护结构，对接收端洞门土体进行加固。接收井围护结构采用钻孔灌注桩+高压旋喷桩，接收洞门范围将钻孔灌注桩钢筋更换为玻璃纤维筋，洞门土体加固采用高压旋喷桩。

2.3.3   开挖及支护

使用适当的挖掘机械，进行接收井范围内土石方开挖，同时根据开挖深度，及时施作混凝土支撑、钢支撑和桩间网喷混凝土。根据实际情况，及时采取降排水措施，以确保挖掘过程的基坑的安全和稳定。

2.3.4   施工临时封底

在基坑开挖完成后，及时施工临时结构封底。

2.3.5   顶管接收

接收井开挖及临时封底完成后，进行接收洞门破除，安装洞门止水装置和接收轨道。接收准备工作完成后，将顶管机继续顶进至接收井内，完成解体接收。

3   方案对比

完成工程变更设计后，对变更前后工程量进行统计对比，相关内容如表3所示。

分析表3可知，变更明挖施工工艺后，为（转下页）（接上页）确保结构安全，在硬岩地层段设计方面仍做了全面且充分的考虑。例如，在钻孔灌注桩（入岩）中，原设计工程量为180m，变更设计工程量为330m，用增大钻孔灌注桩的数量，来确保基坑的稳定性。类似地，在三管旋喷桩方面，原设计工程量为399.24m，而变更设计工程量为636.96m，未因硬岩地层而减少旋喷桩设计。

此外，冠梁、挡土墙和桩间网喷混凝土等工程项目均随明挖施工长度的增加而作了相应调整。设计变更前后工程量的变化，为后续工程在做此方面的优化设计和工序安排提供了参考，方便类似工程在此方面做出更好的调整。

4   结束语

本文以深圳市16号线共建管廊工程项目为例，对长距离大断面矩形顶管穿越硬岩段施工技术展开了研究。在实际应用中，需要注意设备的选择和维护、材料的储存和使用、现场勘察和评估等方面的问题。在未来的工程实践中，建议进一步优化该技术的施工流程并提高设备的通用性，以降低成本，提高市场竞争力。同时，应加强技术培训和技术交流，为该技术的推广和应用提供有力支持。

参考文献

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[3] 张中杰，李耀良，陈锦剑，等.复杂环境超长超大顶管工程成套施工装备与技术研发及应用[J].建设科技，2023，（11）：63-65+78.

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[5] 梁斌，房鹏帅，李文杰，等.基于楔形体理论的市政管网超大直径钢顶管施工开挖面极限支护压力研究[J].河南科技大学学报（自然科学版），2023，44（4）：75-84+8-9.

[6] 张旭康，陈志朋，潘玲妃.波纹钢衬板工作井在平谷区农村生活污水治理工程微型顶管施工中的应用[J].中国水能及电气化，2023，（4）：13-17.

[7] 张杰，蒋礼兵，张超，等.超大口径钢筋混凝土顶管型钢砖墙封门进洞施工技术研究[J].珠江水运，2023，（5）：97-99.