城市综合管廊项目中矩形顶管机施工的探讨

摘"要：本文以深圳市16号线共建管廊（坪山段及碧新路绕行段）工程为例，对顶管机施工过程的相关因素变化规律进行分析。实测数据结果表明，顶管机施工过程中，位于顶管轴线的正上方位置对土体的扰动最大，并且土体受到的扰动影响随着与顶管轴线的距离增大而减小，顶管机施工的扰动范围大约为顶管外径的3～4倍。可见矩形顶管机技术在综合管廊施工方面具有良好的发展优势，对项目施工的效率提高及城市空间利用具有重要意义。

关键词：综合管廊；矩形顶管；施工文章编号：2095-4085（2024）05-0038-03

0"引言

城市综合管廊是指建造一个隧道空间，将电力、通讯、热力、给水等各类工程管线集一体于城市地下，地上附着物为出装口及通风口等设施，是保障城市运行的重要基础设施［1］。随着城市地下综合管廊、海绵城市等新兴建筑产业的兴起，各种施工工艺被广泛使用，在一般地下管廊施工过程中，多半采用大开挖式，但这种方法往往因其施工时间长，对周边环境影响大，尤其是遇见不可穿越的构筑物、道路、河道等障碍物［2］。顶管机施工受到广泛的青睐，为了解决施工难题，提高社会效益、经济利益和环境利益，研究以深圳市16号线共建管廊（坪山段及碧新路绕行段）工程为例对相关的矩形顶管机施工工艺进行探讨，对矩形顶管机在管廊工程的施工因素变化规律进行探究，以提高矩形顶管机的施工效率。

1"施工概况及矩形顶管机施工工艺技术

1.1"矩形顶管机施工工艺技术研究

深圳市16号线共建管廊（坪山段及碧新路绕行段）工程中，工作井结构净空宽×长=10m×10.7m；接收井结构净空尺寸约为宽×长=7m×9.7m；施工线路全长86.51m，其中顶管区间长66m。工作井和接收井位于墩子河东西两侧、东纵路南侧，顶管区间全长66.11m，管节结构外尺寸7.7m×4.5m，顶管隧道北侧临近地铁16号线新屋站～横塘站站区间盾构隧道，最短平面距离约7.2m；接收井围护结构外侧距离墩子河垂直距离9.2m。工程采用矩形顶管机技术，矩形顶管机属于顶管机，是一种地下工程机械，其基本原理是利用固定的钢管和可伸缩的铜合金管组成推进管道，通过顶管机主机上的钻头实现推进，铜合金管在推进过程中逐渐伸缩，将管道推进到目的地。在推进过程中，可以实现土方回填和砂浆注浆，使得工程质量更加可靠。矩形顶管机在施工时，对周围土体扰动小，能有效控制地面和管线沉降、轨交盾构区间变形；在同等截面下，矩形顶管相比圆形顶管能更有效地利用地下空间，断面利用率高［3］。矩形顶管机的施工工艺如图1所示。

在综合管廊施工中，为了顺利推动管道在土中前进，顶管机千斤顶的顶力需要克服顶进中的各种阻力如摩阻力、工具管前端端面阻力等，同时在顶进过程中还不断受到各种外界因素影响。对矩形顶管机千斤顶的总推力计算如式（1）。

F=F1+F2+F3+F4

F1=μ1（2HL+2WL）Pm

F2=utKpPm

F3=HWPf

F4=μ2M（1）

式（1）中， F1表示与地层间的摩阻力或粘结力； μ1表示钢与土的摩擦系数，H表示顶管机高度；W表示顶管机宽度；F2表示顶管机切口环刃口切入土层产生的贯入阻力，Kp表示被动泥水力系数，u表示开挖面周长；Pm表示作用在顶管机上的平均泥水力；F3表示开挖面正面作用在切削刀盘上的推进阻力，μ2表示管节片与土的摩擦系数，F4表示顶管管节与土的摩阻力。L表示顶管本体长度；M表示顶管管片与周围围岩接触面积；G1表示顶管机重量；G2表示衬砌环重量；Pf表示开挖面正面阻力；R表示土层抗力；t表示切口环刃口贯入深度。

顶管机施工所需材料主要包括以下，顶管机根据施工要求选择合适的顶管机型号，该工程选取了泥水平衡式矩形顶管机，规格为7 720mm×4 520mm，6个配置刀盘，刀盘直径为2 700mm，厚度200mm。顶管应根据管道的尺寸和材质要求进行选择，用于将顶管推入地下，通常采用液压或机械装置的推进装置。用于地下隧道的支护和补强工作的钢筋和混凝土。在综合管廊施工中，顶管机施工是一种高效、安全的管道施工方法。使有关人员更好地了解顶管机施工的相关知识和技术要求，提高施工质量和效率。同时，在实际施工过程中，要加强安全管理，做好现场安全监管工作，确保施工过程的安全性和稳定性。

1.2"综合管廊施工及矩形顶管机施工工艺的实际运用

在综合管廊施工中，首先需要对工程项目进行地质勘察，熟悉地形地貌和相关的地物条件、地层的岩性分布、顶管区间的穿越地区的地层岩性分布、地下水、现状水文以及周边的建筑物和地下管线。如深圳市16号线共建管廊工程顶管区间下穿现有天桥，管廊施工存在影响周边构筑物沉降、坍塌等风险。另外对相关的主要人员和部门管理职责进行安排，按照一定的组织原则，根据工程的特点、重点及工地情况等选取和安排成熟、敬业的项目团队。

施工总体安排包括施工进度计划、施工场地布置、施工水电布置及通风、管节放置、基坑安全通道、基坑临边防护栏、工期计划、材料以及设备。工程位于深圳市坪山区，结合沿线的原始地貌、工程地质特征及水文地质特征等因素。在施工进度计划中，根据实际情况和施工计划，分别安排矩形顶管机的组装和调试，加固区加固、挖掘正常进度安排、接受井回收填土清理、顶管机吊拆等的时间进度。在场地布置中，包括井上场地布置和管内布置，对井上场地布置管片临时堆放处、施工通道、工具房等；管内布置包括管内的供电、配电箱布置。施工水电布置及通风包括施工用电系统、临时供电线路布置，施工自来水接口安装、鼓风机洞内空气置换等。管节放置需要按照一定的顺序进行有序放置，如生产日期、制造编号，放置时注意不要碰撞以及损坏［4］。墩子河工作井基坑临边防护栏采用1.5m高混凝土挡墙， 其余采用高度为1.2m的定型组装式安全防护栏。工期计划应包括施工部位、施工内容、工程量、开始与结束时间、时间等，设置相应的工期计划表。材料是按照工程计划将具体需要的材料进行设置和安排，设备是对矩形顶管机顶进施工的相关施工设备和工具。在进行矩形顶管机施工前，需要进行充分的准备工作，主要包括确定施工的地质情况，包括土层、地下水位等。制定详细的施工计划，包括施工时间、施工路线等。调查和采购所需的材料和设备，包括顶管机、推进装置、顶管、钢筋、混凝土等。组织施工人员，包括设立专门的施工队伍和安排相关的培训工作。

在正式施工前，需要进行现场布置与调试工作，首先清理施工现场，确保施工区域干净整洁，为施工提供良好的工作环境。进行设备的调试工作，测试各项功能是否正常，该工程中设置顶管机组装、调试10～14d；加固区1环/d；正常掘进段1.5～2环/d；顶管机接收井内顶推及洞门临时封堵2～3d；接收井回填土清理1～2d；顶管机吊拆5～7d。安装矩形顶管机和相关设备，包括推进装置、顶管装置等［5］。开挖施工是矩形顶管机施工的关键步骤之一，首先进行地面的标高测量和管线的勘察工作，确定开挖起点和终点等位置。根据实际情况调整矩形顶管机的推进速度和顶管装置的开挖范围，确保施工的稳定性和安全性。启动矩形顶管机，将其推入地下，同时通过顶管装置进行土方的开挖和输送。初始阶段不宜过快，一般控制在10mm/min左右，正常施工阶段可控制在10～20mm/min左右，流量与顶进速度相匹配。出土采用履带吊直接吊出至地面的集土坑内。在开挖过程中，进行支护工作，包括设置支护管、注浆等措施，以保证地下隧道的稳定性。按照设计要求进行补强处理，包括安装钢筋和进行混凝土浇筑等。

在矩形顶管机施工过程中，必须加强安全管理，采取一系列安全措施，确保施工过程的安全性。主要包括配备专门的安全人员，负责现场安全监管工作。制定详细的安全操作规程，确保施工人员遵守操作规程。配备必要的安全设施，如安全网、安全帽、防护眼镜等。进行安全培训，提高施工人员的安全意识和应急处理能力。在始发到达前做好始发到达安全应急预案的演练和应急位置的储备，确保出现异常情况后及时调拨人力、材料进行紧急处理。定期检查和维护施工设备，确保设备的安全性和稳定性。

2"市综合管廊的矩形顶管机施工监测分析研究

2.1"施工设计及监测部署

深圳市16号线共建管廊（坪山段及碧新路绕行段）工程施工采用泥水平衡式矩形顶管机，其规格为7 720mm×4 520mm，6个配置刀盘，刀盘直径为2 700mm，厚度200mm，刀盘驱动装置由18台30kW电动机通过行星减速器及齿轮箱组成。施工工程测量工作分为控制测量、施工测量、竣工测量三个阶段。测量方法采用徕卡TS11全站仪观测6个测回，左、右角各三测回。监测频率综合考虑基坑类别、施工工序、周边环境、自然条件的变化和当地经验而确定。

2.2"数据记录及现场实测分析

实验结合实际工程中的监测方案中测点布置情况，探究随着施工天数变化不同断面方向的监测点地表沉降位移量的关系曲线。选取沿顶管轴线方向分布四个监测点，探究地表沉降位移量的变化规律。分析实测数据，对矩形顶管机通过各断面时的沉降数据进行分析。矩形顶管机顶进每条顶进的过程是先后通过东侧坡底、隔离带、西侧坡底，最终到达接收井。可以看出，四个监测点都有着相似的变化，具体表现为，在施工60d左右时，地表沉降位移量发生显著的变化，具体表现为在50d左右地表沉降位移量下降。在60d时候达到最小，接着呈现增加趋势，80d左右稳定下来。其中从图2（d）监测数据可以看到，在初始阶段，地表竖向位移轻微隆起，当施工为60d左右，曲线出现峰值，接着沉降，值为8.71mm，最后虽然呈现下降趋势，但是最后相对趋于稳定，沉降值为10.99mm。地表沉降位移量总体沉降表现在通过监测点，沉降值最大为13.84mm。

3"结论

随着国家大力发展市政公用设施地下化和集约化，综合管廊建设受到广泛关注，矩形顶管具有施工安全、施工速度快、对地面环境影响小的优势，有着广泛的应用前景。研究表明，在初始阶段，地表竖向位移轻微隆起，当施工天数为60左右，曲线出现峰值，接着沉降，值为8.71mm，最后虽然呈现下降趋势，沉降值为10.99mm，趋于稳定。地表沉降位移量总体沉降表现在通过监测点，该沉降值最大为13.84mm。可见矩形顶管机技术在综合管廊施工中具有良好的发展前景，能够稳定地面沉降，保证施工安全，提高城市空间利用率。目前对地表沉降量的数据分析还不够充足，后续还需要进行长期研究。

参考文献：

［1］许有俊，史明，李育发，等.大断面土压平衡矩形顶管施工引起地表竖向变形研究［J］.武汉大学学报：工学版，2020，53（7）：597-604.

［2］秦春江，张浡，刘海争.城市地下综合管廊接地系统施工中常见问题探讨［J］.工程质量，2021，39（S1）：139-142.

［3］许云骅，丛北华，邹丽，等.海滨城市综合管廊通风降湿系统适应性模拟研究［J］.中国给水排水，2022，38（7）：109-115.

［4］骆发江，刘强，黄松松，等.综合管廊下穿城市排水箱涵大截面双矩形顶管施工技术［J］.施工技术（中英文），2021，50（22）：48-52.

［5］张雪，万中正，王传银，等.无水砂层中矩形顶管施工用触变泥浆配比优化及减阻性能试验［J］.工程地质学报，2021，29（5）：1611-1620.