大截面长距离泥水平衡矩形顶管施工技术研究

1国内矩形顶管发展现状

20世纪90年代以后，矩形顶管技术逐渐在我国得到应用。1999年上海地铁2号线陆家嘴车站5号出入口地下人行通道首次成功应用了矩形顶管施工技术，断面尺寸为3.8mx3.8m、顶进长度约为62.25m，穿越了净距仅为1.56m的延安东路南线引道段结构底板；2006年上海轨道交通6号线浦电路站过街出入口通道截面尺寸6.24mX4.36m，顶进长度为40.5m，管廊的顶面距离DN450污水管为1.07m；2017年苏州城北路地下综合管廊元和塘土压平衡矩形顶管截面尺寸9.1mx5.5m，顶进长度为233.6m。而本项目针对大截面长距离泥水平衡矩形顶管施工技术进行研究，顶管与既有建（构）筑物的最小净距0.72m，小于规范规定的1.0m，截面达7.7mX4.5m且一次顶进长226m，国内尚未见有此类相关文献及施工技术报道。

2 工程概况

广花一级公路地下综合管廊与道路快捷化改造配套工程（K0+000—K5+900）位于广州市白云区广花一路，主要施工内容包括地下综合管廊和道路快捷化改造两部分。其中地下综合管廊下穿机场高速平沙出口南侧匝道段（K3+745—K4+137）和华南快速高架桥段（K3+143—K4+372）采用矩形泥水平衡顶管法施工，管廊截面尺寸为7700mm×4500mm，管壁厚度为600mm，管片采用工厂化预制、每节管长1.5m。分3段顶进，顶进长度分别为226m（1号顶管段 ）、169m（2号顶管段）和206m（3号顶管段），管节覆土厚度8.7~10.1m，顶进范围地层主要为粉质黏土和粗砾砂，地下水丰富。

3 施工条件分析

1号顶管段施工环境最为复杂，需从均禾涌、机场高架桥墩、机场高速平沙出口I匝道及DN1350污水管下穿，顶管边线与桥台最小净距为5.5m，顶管顶面与污水管最小净距为0.72m。

2号顶管段下穿机场高速平沙出口K匝道和D2200污水管，顶管顶面与污水管最小净距为0.82m。机场高架下部构造采用柱式桥墩，钻孔灌注桩基础；DN1350污水管采用钢筋混凝土管，标准管节长2m，承插式F形接头，顶管法施工；D2200污水管采用钢管，顶管法施工。

3号顶管段（5号井一4号井）依次下穿嘉禾涌华南快速、DN2 400西江引水钢管。其中嘉禾涌涌底与顶管隧道顶板之间的净距仅约0.5m，且涌底存在约1.5m厚的砖渣等回填物，不满足顶管施工的覆土要求，需对河涌进行清底压盖处理；隧道与华快高架桥桥墩之间的最小净距为3.13m，与西江引水管道斜交角度为53°，竖向与西江引水管道之间的净距约为1.0m。

综合管廊与相邻地下管线及地下构筑物的最小净距应满足GB50838-2015《城市综合管廊工程技术规范》。本项目综合管廊与地下管线交叉垂直净距分别为0.72m和0.82m，小于《城市综合管廊工程规范》规定的1.0m，在这种地层和环境条件下，采用7.7mx4.5m矩形顶管一次顶进长度226m，没有类似的施工经验，现有的大截面泥水平衡顶管工艺无法满足施工要求，需要研制新的泥水平衡顶进工艺以解决施工中遇到的技术难题，确保工程结构质量和施工安全，有效控制周边的土体变形及建（构）筑物的沉降，缩短施工工期，节约施工成本。

4重点施工技术研究

4.1 研制矩形顶管中继间

4.1.1 中继间设计与加工

研发一种矩形顶管中继间，该中继间动力系统由40个50t液压千斤顶组成，千斤顶行程为30cm。

中继间外包尺寸7700mm×4500mm，壳体采用40mm厚Q345钢板，为增强中继间整体刚度以满足受力要求，在壳体内设置30mm厚纵横钢板肋。中继间分前、后2节，为承插式较接连接，接头安装2道橡胶止水圈进行止水。

4.1.2 中继间安装与使用

中继间在安放时，第1只中继间应放在比较前面一些。因为掘进机在推进过程中推力会因土质条件变化而有较大变化。所以，当总推力达到中继间总推力40%~60%时，就应安放第1只中继间，以后每当达到中继间总推力的70%~80%时，安放1只中继间。而当主顶油缸达到中继间总推力的90%时，就必须启用中继间。中继间设计允许转角1°，每道中继间安装1套行程传感器及限位开关。中继间在管道上的分段安放位置，可通过顶进阻力计算确定。

为减少中继间接力顶进的时间损耗，提高顶进速度，将每个中继间通过传感器及数据线统一连接至程控室，自前向后对中继间进行连续编号识别，并建立PLC控制系统实现对中继间的远程操控，控制系统主界面可实时反映每个中继间的千斤顶行程、油压等数据。

当主顶系统顶推力达到允许值后，优先试启动最后方的中继间，根据主界面反映出的油压数据，判断其是否具备顶推前方管道前进的能力，若不具备，立即停止该中继间的启动，再试启动倒数第2个中继间，直至试启动的中继间具备顶推其前方管道前进的能力，则利用此处中继间进行接力顶进，而其前方的中继间可暂不启动，如此可最大限度减少中继间接力启动的数量。

通过中继间远程控制系统，对大截面长距离矩形顶管中各中继间的启动工作均在程控室统一执行，主界面实时反映各中继间的姿态信息，能有效消除传统单点启动中继间所引起的沟通不畅、操作失误等问题，使得中继间接力顶进连续顺畅，提高顶管顶进效率。

4.2 矩形顶管机改造

根据依托项目顶管隧道主要位于中粗砂层的情况，为避免砂粒堆积在机头前方底部，造成机头被动抬升，经项目研究主要采取两种应对措施：是常规措施，即顶进过程中严格控制进浆浓度，根据模拟试验要求达到25'以上；二是对既有顶管机进行适应性改造，在机头前端底部增加4个高压喷头，发现砂粒堆积时，利用喷头压入高压泥水，将堆积体冲散排出。

4.3 研制顶管自动纠偏系统

顶管掘进机在顶进过程中，通过10组纠偏千斤顶的不同伸缩量，控制顶管掘进机的走势，使到顶管掘进机前后段相对产生一定的角度来实现纠偏。顶管掘进机顶进过程中的姿态如：顶管掘进机相对于管线是往上仰或下俯的趋势、扭转等，是通过安装在顶管掘进机前段的“双向角度传感器”来感知。在顶进前，将顶管掘进机放置在导轨上，然后对角度传感器显示仪调零，此时顶管掘进机的角度传感器的角度为零。顶管掘进机顶进过程中，角度传感器测量出顶管掘进机的前后倾角和顶管掘进机的旋转度。假如顶进过程中机头上仰，角度增大0.2°，基本上可以判断出掘进机有向上的趋势，可以顶出上部的纠偏千斤顶，让倾斜角度回到0°左右。反之亦然，可以通过顶出下部纠偏千斤顶让倾斜角度回到0°左右。在这个过程中，激光点在光靶上移动不大，通过角度传感器显示仪的数字变化（见图1），可知顶管掘进机即将发生偏差的趋势。

 

当机头扭转时，扭转角度显示仪数据发生变化，可以调整刀盘转动方向来控制机头的扭转。刀盘转动方向与机头扭转方向一致，刀盘转动时，机头产生一个与转动方向相反的扭矩，机头在扭矩作用下慢慢回转，当然回转过程可能很长时间，也可能不能回转过来，但可以控制机头扭转趋势。如能随时掌握顶管掘进机的偏差趋势，就能够在偏差出现之前提前控制。所以在顶进过程中更需注意角度传感器显示仪的变化，才能够保证高精度顶进。

4.4 优化触变泥浆配合比

大截面长距离矩形顶管施工中，降低顶进阻力最有效的方法是进行注浆。使管周外壁形成泥浆润滑套，从而降低顶进时的摩阻力。其中压浆设备对长距离顶管的浆液供应能力会影响压浆质量。

依托项目顶管一次顶进长度226m，设置了2台压浆机，1台BW-250专供管道最前50m触变泥浆管，顶进过程不间断压浆，另一台BW-150供其他管节注浆，顶进过程不间断补浆。

压浆方式以同步注浆为主，补浆为辅，先注后顶，随顶随注，及时补浆。在顶进过程中，要经常检查各推进段的浆液形成情况。在停止顶进前以及开始顶进前应进行触变泥浆补浆处理，减少再次顶进起动的初始顶力。压浆压力应比地下水高20~40kPa，压力不应过大，避免击穿地面影响注浆效果。触变泥浆密度应控制在 1.10~1.16g /cm³ ，黏度控制在30~35s，pH值＜10，失水量＜25ml/30min，稳定性要求静置24h无离析。

长距离顶管中的润滑减阻问题直接关系到顶管工程的成败。在依托项目矩形顶管中，土层变化复杂、距离长，单一性能的触变泥浆已经无法满足要求。根据进入不同土层段，触变泥浆的性能要作适当调整。在积淤泥、淤泥质土段，顶管覆土容易隆起；在粉砂、细砂、中砂及砾砂段，泥浆容易流失，地面发生沉降。对该项目中土层的实际顶管施工进行研究，结合经济效益，给今后各类非开挖泥水平衡顶管施工提供指导意义。

4.5 顶进力监测

在临近顶管机工具头的管片、中继间前一节或后一节管片中预埋混凝土应力计，每节管片左右对称布置，在顶进过程中实时测量上述断面的管节轴力，据此得到顶管端阻力和两个测量断面之间的侧摩阻力。当测量计算得出的阻力数据与预测值偏差较大时，及时调整顶进速度、进排浆流量、触变泥浆注浆压力等参数。根据中继间附近管片轴力数据，能够有针对性地启动中继间，在尽可能保持顶进工效的前提下，有效降低主顶总推力。1号顶管段顶进距离与预力关系曲线如图2所示。

 

通过图2可以发现，始发与接收破洞门时因需要破除加固体及素混凝土墙，顶力会快速上升，在破除加固体与素墙后顶力骤降至正常顶进水平。在正常顶进过程中，顶力与顶进距离会随注浆、地质等情况不同而有所波动，但基本近似于线性增加。

5 结语

通过研究成果的应用，成功实现本项目3段矩形顶管隧道的顺利贯通，填补了一次顶进200m以上大截面长距离泥水平衡矩形顶管施工的空白。在城市中进行综合管廊、地下通道、地铁出入口等建设，由于既有地面建（构）筑物、地下管线及现状交通的影响，明挖法施工受到越来越多的制约，大截面矩形顶管工艺受到越来越多人的青昧，对于地下水丰富、砂层较厚的地区，泥水平衡矩形顶管能够更好地控制地面沉降，确保现状建（构）筑物、地下管线及市政道路的安全，具有十分广阔的前景。

 

本文由唐兴装备整理自《大截面长距离泥水平衡矩形顶管施工技术研究》胡小冲，张国强，叶建荣，转载请注明出处，如有侵权请联系删除。