矩形顶管施工关键技术例析黄晓锋

黄晓锋

摘要：近年来，随着城市轨道交通的发展，大断面矩形顶管掘进技术得到大力的推广，在具有相同有效空间的条件下，矩形断面隧道与圆形断面隧道相比，不仅能节约地下空间，还可以减小隧道埋深。本文结合广州市地铁3号线工程实例，介绍了矩形顶管施工工艺及关键控制技术。通过工程应用，为今后同类工程施工积累了经验。

关键词：广州地铁；矩形顶管；技术

1工程概况

广州地铁三号线机场南站～机场北站区间采用明挖法或暗挖法施工现场条件都不允许，因而设计采用矩形顶管法施工。YDK29+818.697～ZDK30+026.500约207.802米采用暗挖进行施工（矿山法加顶管），下穿既有2.6x2.2排水暗渠、机场大道，与地铁机场南站预留隧道连接。YDK29+910.500~ZDK30+011.500采用顶管法施工，始发井设在YDK30+011.500处，井内净空尺寸为16m×14m，采用一台7020mm×6450mm矩形顶管机进行施工，顶进直线段101米，曲线段59.603采用矿山法施工，接收井33米兼做轨排，即一次顶进施工。

2矩形顶管工艺流程

顶管施工前应分别将顶管两端的始发井及接收井结构施工完成，并达到设计强度，顶管施工工艺流程如。具体工艺流程详见图1。

图2矩形顶管工艺流程图

3技术参数的控制

3.1正面土压力的设定

本工程采用土压平衡式顶管机，利用压力仓内的土压力来平衡开挖面的土体，达到对顶管正前方开挖面土体支护的目的，并控制好地面沉降。因此平衡土压力的设定是顶进施工的关键。土压力采用Rankine（朗肯循环）压力理论进行计算：

P＝k0γz+P1＝0.7×18KN/m3×8.7m+20KN/m2＝129.62KN/m2

P：管道的侧向土压力；k0：粉砂土的侧向系数；γ：土的容重（18KN/m3）；z：覆土深度；P1：超载系数（20KN/m2）

以上数据为理论计算值，只能作为土压力的最初设定值，随着顶进的不断进行，土压力值应根据其它实际顶进参数、地面沉降监测数据作相应的调整。

3.2顶管推进顶力计算：

F=F1+F2

式中F——总顶力（KN）

F1——管道与土层的摩阻力（KN），F1=（a+b）*2L’f

L’——管道顶进长度（m）

f——管道外壁与土的平均摩阻力（KN/M2）宜取7~12

F2——顶管机的迎面阻力（KN）F2=a*bR1

R1——顶管机下部1/3处的被动土压力，R1=0.3γ（H＋1/3h）

H——管片覆土厚度

h——管片高度

γ——土的容重，取18KN/m3

F1=（7.02+6.45）×2×101×（7~12）=19046.58~32651.28（KN）（按最长顶距101米计算）

F2=7.02×6.45×0.3×18×（8.7+1/3×6.45）=2224.56（KN）

F=21271~34876（KN）=2127~3488（T）

施工中，考虑一些外加的综合因素，实际顶进的最大推力在3500t左右。

4矩形顶管进、出洞技术

4.1顶管进洞段施工

由于进洞外为旋喷桩加固土体，顶管机头正面为全断面水泥土，需将顶进速度放慢。查看螺旋机出土难易程度，适当的加膨润土和清水来软化和润滑水泥土。

顶管机头与前三节管节的拉杆须拉紧，采取措施使正面土压力稍大于理论计算值，减少对正面土体的扰动。

4.2顶管出洞段施工

在顶管达到距接收井6m，开始停止第一节管节的压浆，并在以后顶进中压浆位置逐渐后移，保证顶管出洞前形成完好的6m左右的土塞，避免在出洞过程中减阻泥浆的大量流失而造成管节周边摩阻力骤然上升。在顶管机头进入接收井加固区域时，适当减缓顶进速度，调整出土量，逐渐减小机头正面土压力，用以确保顶管机设备完好和洞口结构的稳定。顶管机在到达连续墙时，控制好顶进距离和主顶的压力，缓慢靠近连续墙，将连续墙从井内往外凿除，同时用土砂泵泵对顶管机外侧周围进行填充土体，确保顶管机周边的土体稳定。

5顶管施工重点技术措施

5.1顶进轴线的控制

矩形顶管在正常段顶进施工中，必须密切注意顶进轴线和转角的控制。矩形顶管分成前后两段，中间由几组纠偏油缸连接。根据轴线偏差方位以及偏差量，对纠偏油缸进行编组及控制油缸伸缩量，使前后壳体形成一夹角，从而改变机头方向，以达到纠偏目的。

矩形顶管在正常段顶进施工中，必须密切注意顶进轴线和转角的控制。矩形顶管分成前后两段，中间由几组纠偏油缸连接。根据轴线偏差方位以及偏差量，对纠偏油缸进行编组及控制油缸伸缩量，使前后壳体形成一夹角，从而改变机头方向，以达到纠偏目的。

5.2管节抗扭转技术措施

顶进过程中由于周围土质的变化，纠偏的影响及管内设备的不均匀性会造成推进时管节发生不同程度的扭转，直接影响到施工质量。因此主要采用以下措施：

（1）在管内设备及管节安装时，根据重量平衡原理，在安装设备及管节的另一侧配以相同重量的配重，使管节顶进时左右重量保持平衡。消除人为造成管节扭转的因素。

（2）顶进时每个一段距离在管节设有扭转指示针。一旦发现微小的扭转即用单侧加压配重的方法进行纠扭，压铁单块重量为25kg。

5.3地下管线及地下障碍物的探测

探测范围为沉井外边线外围3m及管道沿线的范围，探测深度至管底或井底以下2m的范围。

探测要求：探明现有地下管线的分布情况，包括管线的中线位置、管线类型、埋深、管外径、现场所有管线及检查井的位置。提供相关管线变形的警戒值，探明有无孤石等障碍物和临近建筑物的基础形式及其标高。

在顶管施工前，采用地质雷达扫描，查明顶管管道沿线地下障碍物的情况，并结合小型钻孔抽芯取样，以便及时清除地下障碍物、迁移地下的路线。

6难点控制技术

双线间距100mm是顶管施工的难点。按照设计图纸，完成第一条区间101m的顶进相对容易，但在第二次顶进过程中，两侧土体的受力不均，容易导致顶管机偏移和翻转。同时在纠偏过程中，顶管机头容易接触到已经完成的管道，导致顶管机及管片损坏。

应对措施：利用预应力锚索，把顶管管片整体连接，降低二次顶进对已完成隧道的影响；加强顶进纠偏控制，保证顶进精度。顶进纠偏控制采用套筒式土砂泵+顶管机侧面的注泥孔，来控制管片之间的压力，从而达到控制要求。

7总结

矩形顶管掘进技术在软土地质条件的城市下穿通道施工中所具备的优势是显而易见的，且对周边环境影响小、施工速度快。本例广州地铁3号线顶管施工从对各关键工序的严格控制，整个顶进过程中地面最大沉降小，确保了管线的安全，尤其是攻克了双线间距100mm这个重大技术难关，确保了整个掘进过程的安全顺利，为今后类似矩形顶管的施工提供了可靠的参考依据。

参考文献：

[1]中国地质大学（武汉）.顶管施工技术及验收规范（试行）[M].北京：人民交通出版社，2007.

[2]魏纲，魏新江，徐日庆.顶管工程技术.[M].化学工业出版社，2011年.

[3]葛金科，沈水龙，许烨霜.现代顶管施工技术及工程实例.[M]中国建筑工业出版社，2009.