大断面长距离矩形顶管工法在地铁隧道应用中的关键技术研究

大断面长距离矩形顶管工法在地铁隧道应用中的关键技术研究

丁宁

上海隧道工程有限公司 上海市 200001

摘要：福州地铁4号线省立医院站~东门站区间隧道采用矩形顶管工法，是长距离大断面矩形顶管首次在地铁隧道中应用。为确保工程成功，顶进姿态及沉降控制是施工中的关键。以此为研究背景，分别从出洞控制、顶管顶进、顶管进洞等方面详细阐述了顶管施工姿态及沉降控制技术措施。通过以上关键技术，顶管成功贯通，变形及姿态偏差控制在理想的范围内，取得了良好的效果，为大断面矩形顶管在地铁隧道中推广应用开创了成功的案例，可供相关工程参考。

关键词：矩形顶管；地铁施工；姿态控制；变形控制

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0.引言

矩形顶管施工技术是一种非开挖的隧道施工技术，我国自上世纪90年代中期开始矩形顶管的研发应用，主要用于城市地下立交道路、大断面公路隧道主线及其匝道、城市过街人行通道、地下管线共同沟、小区地下车库通道、地铁出入口等项目[1]~[3]。这些项目的共同特点是周边环境复杂、施工安全性要求更高。

首次在地铁施工使用矩形顶管，顶管的姿态及沉降控制是施工的关键技术，对周边环境影响小，施工效果好。以福州地铁4号线一期工程省立医院站~东门站区间顶管段施工为依托，介绍了本工程从顶管出洞控制、顶管顶进控制、顶管进洞控制，等方面详细阐述了顶管施工姿态及沉降控制技术措施。该顶管施工对周边环境影响较小，施工效果较好在实际工作中的应用及良好实效，可供相关工程参考。

1.工程概况

福州市轨道交通4号线一期工程省立医院站~东门站区间顶管段位于东大路，顶管西侧为左线盾构，两者之间的净间距为3.4m~5.3m。顶管与盾构的施工顺序为：先施工顶管、后施工盾构。

顶管采用尺寸10.8m×7.5m的土压平衡式矩形顶管机施工，始发井位于东湖宾馆旁，接收井为东门站西侧端头井，顶管顶进长度190.423m。为目前同类型断面首次用于地铁施工，对与长距离大断面顶管施工，姿态及变形控制至关重要。

图1.1工程总平面图

顶管区间隧道覆土厚度9.97m~10.043m，根据本区间详勘钻探揭露，本场地各岩土分层及其特征如下：<1-2>杂填土，<2-4-1>淤泥， <3-1-1>粉质粘土，<3-3>（含泥）粗中砂。

顶管施工主要穿越<2-4-1>淤泥层， 淤泥层呈深灰色，流塑，饱和，以粘粒为主，部分夹少量薄层粉细砂或混有少量砂，局部穿越<3-1-1>粉质粘土层。

表1.1 顶管穿越地层情况参数表

3.顶管顶管姿态及变形控制影响因素

国内外关于顶管姿态及变形控制的研究主要集中在短距离顶管 [4]~[9]，结合相关经验本工程中影响顶管姿态及变形控制的因素主要有以下几方面。

3.1工程地质因素

（1）顶管机在淤泥软土地层中顶进，由于顶管机断面尺寸较大，重量较重，在软土层中容易下俯，易导致顶进轴线偏差。

3.2配套设施安装误差

（1）顶管配套设置，导轨、后靠及千斤顶的安装误差是顶管出洞及顶进阶段产生轴线偏差的主要因素。

导轨安装偏差大，易导致顶管磕头、抬头等高程偏差。后靠及顶力的安装偏差将导致顶力产生偏心，进而导致轴线偏差。

千斤顶布置不合理，两边千斤顶的数量不一致，油缸伸之间存在顶进时间差，使顶管顶进合理线发生偏移，进而导致顶管机水平偏差。

3.3 顶管施工参数

（1）顶进进尺与出土量不匹配

顶管顶进过程中，顶进进尺与出土量不匹配时，易造成地面隆起或沉降，进而引起顶管轴线高程偏差。

顶进速度与出土量达到动态平衡，防止超挖引起沉降。

（2）顶进中姿态测量

长距离顶管施工，测量是施工的关键。顶管轴线的测量的准确度关系到顶管纠偏的准确度，关键部位根据实际情况加测，确保顶进姿态的准确性。

（3）顶进中纠偏方式

顶管施工姿态控制原则为“勤纠勤测、微纠勤纠”，始终把姿态控制在高精度状态下。若纠偏量过大，可能会导致顶管机旋转，对土体扰动大导致地面沉降发生变化。   

4.顶管施工设备

针对本工程10.8m×7.5m超大断面的特点，以及地质条件、施工环境等，经多次技术讨论分析，确定采用土压平衡式6刀盘矩形顶管机设计方案，1只Φ4700刀盘，3只Φ4200刀盘，2只Φ4000刀盘。

为了尽量减小地面沉降，在设计顶管机时，考虑最大限度地加大刀盘切削和搅拌的范围，以求得切削、搅拌面积最大化。同时大刀盘能够平衡顶管机顶进时产生的偏转扭矩，当顶管机受偏转扭矩时，可以通过各个大刀盘的正转或反转来提供相反力矩，控制顶管机不会侧向翻转。

图4.1-1顶管机正面图

5.顶管施工姿态及沉降控制措施

5.1顶管配套安装

（1）洞门复核测量

复测始发接收洞门位置进行复核测量，确定顶进轴线，并以此安装顶管机始发基座及后靠反力架。

（2）始发导轨基座

在始发施工阶段，根据设计的通道中心线，按此对顶管基座进行准确放样，轨道与顶进轴线平行，导轨高程偏差不超过3mm，导轨中心水平位移不超过3mm。

（3）钢后靠安装

钢后靠自身的垂直度、与轴线的垂直度对今后的顶进也至关重要。钢后靠根据实际顶进轴线放样安装时，钢后靠的安装高程偏差不超过50mm，水平偏差不超过50mm。

（4）主顶油缸的定位

主顶油缸的定位将关系到顶进轴线控制的难易程度，故在定位时要力求与管节中心轴线成对称分布，以保证管节的均匀受力。

（5）顶管机下井、安装、调试

为保证顶管机出洞段的轴线控制，顶管机吊下井后，需对顶管机进行精确定位，尽量使顶管机轴线与设计轴线相符。

5.2顶管出洞施工措施

顶管机初始姿态控制非常关键，顶管机出洞是顶管后续按既定设计轴线顶进的保证，对姿态不可大幅度调整。

（1）出洞洞口加固

始发井洞口加固均采用φ850@600三轴搅拌桩，在三轴搅拌桩和地连墙之间均采用φ1200@900三重管高压旋喷桩加固，加固长度为10m，宽度为整个工作井宽度。

图5.2-1 始发井基坑围护及洞口加固平剖面图

（2）洞口降水

在始发井加固区周围需设置降水井，减小周围地下水对洞口和加固体的补给量，在顶管进始发之前需将水位降至洞门底1m。

（a）降水井平面图 （b）降水井剖面图

图5.2-3 始发井洞口降水井布置图

（3）洞口止水装置

顶管施工中，洞口密封的可靠性是保证顶管顺利施工的关键，针对顶管在地铁施工中，对洞口止水装置要求更高。

本工程洞口止水装置采用两道橡胶帘布板+两道翻版的止水形式，两道止水能确保洞口止水环不渗漏，防止水土流失引起的沉降；

图5.2-4 始发井洞口止水装置示意图     

5.3顶管顶进控制

由于本工程单次顶进距离长，顶进施工中易产生偏差累积，因此，顶管顶进中姿态控制原则为“勤纠勤测、微纠勤纠”，始终把姿态控制在高精度状态下。减少土体扰动防止地面沉降，顶管顶进中姿态及变形控制采取的措施如下：

1）轴线偏差控制

（1）纠偏设备配置

在长距离大断面矩形顶管施工过程中，顶管机铰接纠偏是最直接、最有效的方法之一。

在顶管机中壳体及后壳体之间设置36只纠偏油缸，单只油缸最大推力200t，行程200mm；纠偏角度为上下1.8°、左右1.15°，最大总推力7200t。

（a）油缸剖面图

（b）油缸断面图

（2）顶进中测量

顶管姿态测量直接指导顶进纠偏，所以顶管姿态测量尤为重要，顶进中采用勤测微纠的方法控制顶管姿态。

本工程矩形顶管采用人工测量方法进行姿态测量，每节顶管顶进过程中测1~3次，关键部位根据实际情况加测。确保顶进姿态的准确性。

（3）防止顶管机磕头

顶管机始发后进入正常土层顶进时，机头后方前五节管节通过拉接杆焊接连接成整体，防止机头始发后呈现“磕头”现象，导致轴线偏差较大。

2）顶进中旋转控制

由于是矩形顶管机，因此对管道的横向水平要求较高，所以在顶进过程中对机头的转角要密切注意，机头及后续管节一旦出现微小转角，应立即回纠。采取技术措施如下：

（1）通过倾斜仪测量偏转角度；

（2）刀盘反转：通过刀盘正反转调整机头偏转问题；

（3）注土纠偏：在管节和机头预留注土孔中注入塑性土，利用反作用力达到纠偏的效果，调整姿态。

3）顶进中沉降控制

2）根据监控测量资料及时采取压注浓泥等控制地面沉降变形；

3）洞口止水：两道止水能确保洞口止水环不渗漏，防止水土流失引起的沉降；

4）顶进中，勤测勤纠，随测随纠：防止大角度纠偏引起土体扰动产生沉降。

5）完整泥浆套及厚浆压注

顶管施工过程中采用稀浆和厚浆相结合的注入方式，厚浆起到支撑作用，压注厚浆可减小顶管施工中的地面沉降。

6）浆液固化

顶进结束后，及时向通道外压住固化浆液，减小后期沉降；

5.4顶管进洞施工控制

（1）进洞加固措施

接收井洞口加固采用φ850@600三轴搅拌桩，在三轴搅拌桩和地连墙之间采用φ1200@900三重管高压旋喷桩加固，加固长度为10m，宽度为整个工作井宽度，深度范围为洞圈向上3.0m，向下4m。

图5.4-1 接收井洞口加固平剖面图

（2）降水措施

在接收井洞门两侧各设置1口降水井，井深为23m。顶管机接收前需将水位降至洞门底以下0.5m。

（a）降水井平面图 （b）降水井剖面图

图5.4-2 接收井洞口降水井布置图

（3）姿态复核措施

当顶管机机头逐渐靠近接收井时，应加强测量的频率和精度，减少轴线偏差，确保顶管机能准确接收。

（4）导向装置安装

为确保顺利接收，首先复核接收洞门的标高，确认顶管机实际接收姿态，再设置导向装置及顶管机接收架。导向装置低于机头底部5mm，接收架低于导向装置5mm。

（5）接收架搭设

顶管接收前，应在接收井内预先搭设接收架，搭设接收架所用材料亦可根据现场实际情况进行调整。接收架的具体高程根据接收前实测的机头姿态计算确定。

6.顶管施工完成后姿态及沉降控制情况

顶管施工过程中，机头切口水平偏差控制在±2cm以内，高程偏差控制在-4cm以内，顶管进洞时，机头切口水平偏差为-9mm，高程偏差为-37mm。

顶管施工完成后，东大路路面沉降量控制在-2cm以内。满足预期要求。

图6.1顶管姿态机头切口、盾尾水平偏差关系曲线图

图6.2顶管姿态机头切口、盾尾高程偏差关系曲线图

图6.3东大路面沉降累计变化量与监测断面关系曲线图

7.结论

福州市轨道交通4号线一期工程省立医院站~东门站区间顶管，为首次在地铁应用顶管。针对这类长距离大断面顶管，顶进施工过程中，姿态及沉降控制是顶管成功的关键之一。

在周边环境较为复杂的条件下，通过采用针对性的工程措施：顶管的姿态偏差可以控制在40mm以内，东大路路面沉降量控制在2cm左右，保证了东大路的顺利运行。

参考文献：

[1] 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.

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