矩形顶管在城市下穿中的施工技术

刘晓林

广州轨道交通建设监理有限公司，广州510010）

摘 要：矩形顶管施工工法已广泛应用于城市地下人行通道施工工程中。近年来, 随着城市轨道交通的大发展, 矩形顶管法也开始应用于城市轨道交通的工程中, 尤其是在下穿主干道路出入口通道的施工工程中应用较多。传统的明挖顺作法施工, 虽然工法成熟、风险小、纯土建的造价较低, 但是施工期间需要对道路交通进行疏解甚至封路, 道路下众多的地下管线也可能需要临时搬迁或保护, 由此造成的附加工程造价很高, 对社会、周边环境等的综合影响较大。而采用矩形顶管法施工时, 对地面交通基本无影响, 也可以避开地下管线, 施工控制精度高, 对周边环境影响小, 具有明显的优势。

关键词    始发  渣土改良  触变泥浆 

1  工程概况

1.1  地理位置与设计概况

 广州市轨道交通三号线东延段工程及同步实施工程总承包项目中间风井附属结构风道下穿亚运大道，始发井位于亚运大道南侧，接收井位于番广区间中间风井，为站内接收。风道管节外尺寸7500mm×4300mm，壁厚500mm，标准节长度1500mm，顶管顶进长度33米。始发、到达端采用管道注浆+端头旋喷加固。

1.2工程地质、水文地质情况

 番广区间中间风井穿越地质主要为：2-1A淤泥、1-2素填土、5H-1砂质粘性土、5H-2砂质粘性土、2-3淤泥中粗砂，掘进覆土埋深4.12～6.17m 。

水文情况：本次详细勘察阶段揭露的地下水水位埋深变化较大，初见水位埋深为为 0.80～4.70m，标高为2.98～6.91m ，稳定水位埋深为0.75～5.10m，标高为 2.63～7.11m 。

图一 下穿纵断面图

1.3周边环境

∅800砼给水管管底埋深约2.179m，与顶管管顶距离约0.882m，位于顶管上方，东西走向；

∅1000球墨铸铁给水管管底埋深约1.711m，与顶管管顶距离约1.247m，位于顶管上方，东西走向；

∅800砼给水管管底埋深约1.89m，与顶管管顶距离约1.564m，位于顶管上方，东西走向；地面为亚运大道主大道。

1.4顶管机设计概况

刀盘结构特点分析：本工程选用土压平衡顶管机，刀盘采用5刀盘错层布置，减小切削盲区，机头前端设边缘铲齿，并在内侧布置帽檐结构。顶管机转角位置及边缘切削盲区设锥形结构，锥形结构设打水孔，一旦土质出现较粘的情况，或刀盘电流及扭矩过大时，可通过打水孔进行打水或注入土体改良液。帽檐和锥形结构是防止土体在顶管机壳内侧积累粘结，防止影响顶管机顶进。

2、施工风险分析及对策

2.1机头进出洞时磕头

2.1.1现象与危害

所谓进出洞磕头，就是在进出洞的时候发生机头下沉、机尾上翘的现象。通常来说，虽然顶进管道的比重总是比土低的。但顶管机相对来说是比较重的，其重心又比较靠前，如果机头从工作井排架上顶出后，悬臂段过长，土体支承力不够，就会发生磕头现象，特别是在砂性土层中容易发生这种现象。

2.1.2原因分析

1）工作井外的土体受到扰动后变得松软，使得土体支承力不够；

2）在遇到软硬程度完全不同的两层土质中，顶管机很容易偏向软的土层。

2.1.3防治措施

1）顶管出洞时，启动底部二只主顶油缸，将顶力合力中心降低，使得顶管机的受力方向向上倾斜，避免顶管机的磕头；

2）采用延伸导轨，使得基坑导轨的支点前移，从而避免磕头现象；还可酌情预留抛高；

3）将前部管子同机头用拉杆连接成整体（出洞时）；

4）对洞口外土体加固处理的目的，是使土体具有自立性、隔水性和一定的强度，并防止“磕头”现象。对洞口土体加固可以采用旋喷法。对于砂性土质，应当在工作井洞口区重点做好降水加固土体。

2.2顶管轴线失控

2.2.1现象及危害

轴线失控主要由于机头周围的土体的特性不均匀，对行进中的机头产生的力矩不平衡，从而使机头产生某一方向的偏差。但如果土体的差别过大，力矩不平衡很严重，提供的纠偏力矩不足以抵消相反方向的力矩时，机头就会沿着已形成的轨道偏下去，也就是轴线失控。管节顶完在做竣工测量时，发现管道中心线与设计的管道中心线有较大的偏差。顶管机头没有从预留洞出洞，或偏差较大。

2.2.2原因分析

1）由于工作井位与设计井位发生较大偏差原因造成；

2）由于测量仪器误差过大所引起的；

3）由于顶管机的开挖面不稳定、水土压力不平衡所致，产生正面水土压力不平衡的原因有：

4）顶管机没有正面平衡机理，开挖面的地层又是流砂等不稳定条件；

5） 虽然顶管机具有平衡手段，但是操作不当导致开挖面没有处于平衡状态；

6）在顶进过程中出现不良的地质，或者地质条件发生突变，导致开挖面的稳定无法正常控制，纠偏无效。

7）顶管机纠偏液压系统工作不可靠或者发生故障。

2.2.3防治措施

1）前期信息调查：在开工前需详细调查沿线土体的历史状态。然后在进入有松填土段或河底下的过浅覆土段时，应尽量避免有危险倾向的操作；

2）严格执行测量放样复核制度，测量仪器必须保持完好，必须定期进行计量校正；

3）施工前对顶管机进行认真的保养和修理，无故障投入顶管施工；

4）选用平衡性能较好的顶管机进行施工，施工过程中严格控制开挖面的水土压力，稳定正面土体；

5）对不良地质，施工前做好土体改良的施工辅助技术措施。

6）推进过程中实时关注导向测量系统，适时启动纠偏系统油缸。纠偏油缸可用于水平、垂直纠偏。

7）土砂泵打土纠偏当顶进过程中出现出土量超多，轴线偏移较大、地面沉降超过预警的情况下，可采用土砂泵进行打土回填，填充密实后再继续向前掘进施工。

2.3 管道上浮

2.3.1现象及危害

本工程顶管对轴线控制要求较高，施工时若稍一疏忽，就容易造成管道上浮，轻则造成顶管轴线偏差超过允许值，重则造成管道大幅度上浮及道路地面隆起，影响工程及路面车辆人员的安全。

2.3.2原因分析

1）超挖，造成上部土体受到扰动过大，失去部分承载力；

2）顶管的土压力控制不当；

3）顶管所处的地质土层属于软弱土层，土体承载力差；

4）顶管覆土层较小，造成顶管上覆土层压力较低，若发生管道上浮的现象，往下纠偏会比较困难。

2.3.3防治措施

1）在施工规范允许的范围内，有意使顶管低于设计轴线顶进，预留出顶管上浮空间；

2）顶管纠偏时尤其是上下纠偏时，应严格按照“勤测勤纠，小角度纠偏”的原则进行，防止大角度纠偏给管道上浮带来不利影响；

3）在顶管前端堆放压铁增加管段重量，来增加管节的抗浮能力。

2.4   洞门漏水、塌方处理措施

2.4.1预防措施

1）在始发井端头及接收竖井端头基坑止水帷幕，采用旋喷桩施工，旋喷桩与灌注桩之间压密注浆。

2）在顶管始发前，对旋喷桩进行检查、试验，同时要严格控制其水灰比及注浆流量、压力、提升速度等参数，并且根据地质情况和搅拌情况及时调整参数，保证洞门打开后土体具有良好的自立性和止水性。

3）装洞门临时密封装置，洞口密封采用两道折叶式密封压板+两道帘布橡胶板。钢箱上预埋注浆球阀，始发时，往洞门钢箱内注入惰性浆液，起到防水密封作用。

图二                                         图三

2.4.2处理措施

1）漏水量小时，采用快干水泥进行表面堵水，如若不行在使用聚氨酯内部堵住水路；

2）当漏水量大时，可能连带洞门塌方，此时须顶上顶管机机头，减少塌方体积，并采用沙袋、聚氨酯堵水。同时对土体进行二次加固或对围护结构与加固体间进行注浆。

2.5路面隆起、沉降、塌方处理措施

2.5.1预防措施

1）施工前必须对沿线的管线进行一次详细的调查。

2）施工过程中加强监测，及时了解管线的变化量，并在推进过程中，常常对地面进行勘察。

3）对推进过程中的管理，严格控制推进各个参数。参照上述参数推进，并根据实际情况及监测数据进行调整，做好出土量控制顶进施工中出土量采用容积控制法，小车满斗容量按4.4m3统计，每出满1斗土，须向前顶进140mm。同时，根据每次统计出土量，核算1环顶进完成后出土总量是否符合要求，1环出土约10斗，出土总量约为44m3。正面土压力控制顶管顶进过程中，采取满仓掘进，经过改良后土体充满整个土仓。顶管机正面设置有9个隔膜压力计，施工前根据地质情况及埋深，初步设定土仓压力控制值，顶进过程中通过沉降观测及时调整土仓压力的实际控制值。

4)渣土改良顶管机同时配置了膨润土改良接口，必要时可接入膨润土注入管路，采用膨润土进行渣土改良。渣土改良浆液在顶进过程中“随顶随注，不顶不注”，确保顶进中充满整个土仓。注入过程中随时观察螺旋机出土性状，及时调整浆液注入量。

5）触变泥浆减阻顶管管节设置18个注浆孔，压注触变泥浆填充管道的外周空隙以支撑地层、减少地层损失、控制地面沉降和减少顶进阻力。顶进时压浆要及时，确保形成完整、有效的泥浆套，必须遵循“先压后顶、随顶随压、及时补浆”的原则。

6）推进过程中，要经常对始发井洞门进行察看，发现有漏水、漏砂要及时处理，可采用局部注聚氨酯堵漏。避免出现水土流失，影响管线的安全。

7）在始发前，抢险设备必须进场，抢险物质到位。

2.5.2处理措施

1）如发现地面及管线出现沉降现象，立即通过管节预埋注浆管管路注入一定量的黄泥，控制管线的沉降。

2）发生地面塌方，必须保护好现场，对塌方区域人员进行疏散，并派保安进行维持。

3）在路面下塌方，可对路面下进行注浆处理，保证地面塌方处四周的稳定。地面用合格的回填土进行回填，并逐层夯实，并恢复至原路面样貌。

4）如影响地面交通，会同交管部门制定交通疏解方案，确保路面交通畅通。

5）就发生塌方产生的后果进行评估，包括对地面交通和地下管线可能造成的影响进行分析和得出结论，会同相关管线部门对地下管线进行检查，如有问题立即进行补救。

6）加强监测，观察变化，如发生二次沉降，继续回填或注浆，直至地表稳定后，撤消警报。

7）地面发生隆起现象，为土仓压力过大，应及时出土，并减小土仓压力。

3、下穿掘进控制效果

番广区间中间风井矩形顶管7500mm×4300mm，在6月13日~6月22日完成下穿亚运大道33米，超进距离穿越诸多重要管线。根据监测数据反馈，地面最大竖向变形量为-4.13mm，最大水平变形量为-0.453mm。

3.1始发施工控制

3.1.1空推控制

顶管机组装、调试完成，顶管始发调节验收合格后，开始由始发导轨向加固区空推顶进。

1）始发基座轨道及延长轨道涂抹黄油，减小阻力；

2）对称、缓慢启动上下左右4台千斤顶，确保初始受力均匀；

3）刀盘顶推距离土体10～20cm启动，避免破坏洞门防水装置；

4）当顶管机壳体完全压住两道钢丝刷后，开始注入洞门油脂，保压不小于1bar

3.1.2加固区顶进

1）顶管机刀盘靠近加固体后，顶管机壳体已全部压住洞门圈钢丝刷和外延钢箱，此时对钢丝刷腔体内采用油脂泵注入油脂，同时对外延钢箱进行惰性浆液填充。

2）对向启动5个刀盘，注入渣土改良浆液，确保土体浆液的混合物逐步充满整个土仓，启动千斤顶，顶推速度控制在5～10mm/min ，正面土压力0.4～0.8pa。

3）当顶部土压建立后，可逐步开启螺旋机，初始出土速度要求慢，待顶进与出土达到平衡后，出土性状具有良好的塑性、流动性和止水性后，方可逐步提升出土速度。

3.1.3原状土顶进

1）刀盘进入原状土体后，根据螺机出渣性状及时调整渣土改良浆液配比和注入量。当顶进至8环时，开始同步注入触变泥浆。

2）顶进速度控制在10～20mm/min，正面土压力设置为0.5-1pa。

3）顶进过程中，不断注入洞门圈防水密封油脂，保压1bar,确保密封效果。

3.2掘进过程控制

3.2.1触变泥浆减阻变泥浆减

顶管管节设置10个注浆孔，压注触变泥浆填充管道的外周空隙以支撑地层、减少地层损失、控制地面沉降和减少顶进阻力。顶进时压浆要及时，确保形成完整、有效的泥浆套，必须遵循“先压后顶、随顶随压、及时补浆”的原则。

序号	膨润土	水	纯碱	CMC（CMS）	乳化油
1	200～250	350	2.5～4.5	1.5～2.5
2	170	1000	5		7

图三                                       图四

4 结束语

通过本案例，总结以下体会：

1、矩形顶管运用能更快、更好、投入更小，解决横向下穿主大道解决管线改迁等诸多问题；

2、为后期三号线东延线矩形顶管施工提供更好的掘进参数；

3、注重信息化指导施工管理，在施工过程中人力、物力、财力成本的控制；

4、证实了矩形顶管的应用，掘进施工对周边环境也能更好的控制。

参考文献:

[1]《顶管工程设计中顶力的计算方法》M2004甘肃科技纵横

[2]中国非开挖技术协会编委会《顶管施工技术及验收规范》【M】北京:人民交通出版社，2007

[3]何耀涛《市政工程中顶管施工技术要点》【M】中国市政工程，2008