大口径矩形顶管下穿高速公路施工关键技术

李琦

上海地江集团有限公司

摘要：通过对本工程顶管进出洞难度大，顶管施工断面大、操控风险高，穿越高速公路沉降控制要求高，地道车行道与人行道顶进属浅覆土层中顶进、扰动大等四个方面重难点进行分析，提出每个施工难点的针对性措施，保证了顶管施工顺利完成。

关键词：顶管施工；土压平衡；施工措施；超大型顶管

中图分类号：TU721 文献标识号: B

1. 引言

本工程全线位于上海市某区，主要是联通高速公路南、北两侧的断头路，采用地道形式进行贯通，下穿高速公路主线车行道将采用超大型顶管（外径10.4m×7.5m）工艺。顶管技术目前主要分为气压平衡、土压平衡和泥水平衡三种。其中土压平衡技术应用很广泛，因为该技术先进，方便高效，缺点是管理要求高，施工作业要求严格，本工程使用土压平衡技术。

2. 顶管进出洞难度大

图 1 10.4*7.5顶管剖面地质示意图

2. 1. 难点分析

进出洞是顶管施工的关键工序，本段顶管进出洞口位于多种土层中，针对本段顶管进出洞必须充分认识到施工风险。特别是在顶管施工中，随着管道的不断向前推进，顶管出洞口土体会因管壁带土，而造成地面持续沉降。而进洞口由于顶管机接收需要，破除洞口后敞开暴露时间较长，需严防洞口喷水、涌砂，导致地面突然沉降。

1. 5. 针对性措施

（1）在凿除洞门前需对加固土体进行验收，在洞圈范围内合理位置开设一定数量样孔以检验洞圈正前方土体加固情况，在样洞验收良好的情况下开始凿除洞门。

（2）出洞口安装洞口止水装置，洞口采用密封压板及橡胶板止水。进洞口安装洞门钢制挡泥板，并在洞门预埋注浆孔便于机头进洞封堵后注入厚土及洞口泥浆置换，确保机头进出洞的安全。

（3）加强对地表沉降、地下水位观测。

（4）现场储备足量的聚氨酯等应急堵漏材料。

（5）始发洞门地连墙采用人工分层分块破除，确保对洞门外土体震动影响降到最小，在破除过程中预留最后一排钢筋及其保护层，在机头安装调试完成验收合格后顶到距洞门止水装置30-50cm时割除最后一排钢筋，机头及时跟进刀盘靠上加固区土体。

（6）在机头掘进至接收井进洞口前，在确保结构稳定的前提下，采用微型镐头机破除洞门地连墙混凝土，以减少机头在进洞口前的滞留时间。

（7）顶管到位后，以最快的时间拆解机头并施焊洞门止水钢板、注浆，并及时施做洞口封堵圈梁，避免停滞时间过长造成土体和地下水流失。

3. 顶管施工断面大，操控风险高

3. 1. 难点分析

3. 1. 1. 难点1

本工程地处软土层，兼具大断面、浅覆土的特点，刀盘上下面的高差较大，且由于开挖面穿过多种土层，因为不同的土质层具有不同的密实度、强度等参数，切削土层的软硬程度也不一致，因此增大了施工中顶管的操控风险，给姿态控制带来一系列的难题，如不能很好的控制住姿态，将会有如下危害：

（1）顶管轴线偏离过大，进洞困难；

（2）大角度纠偏扰动土体加剧，沉降过大；

（3）顶管偏转，影响使用功能。

1. 5. 2. 难点2

本工程姿态控制难点如下：

（1）本工程大断面，顶进施工中易产生偏差累积；

（2）顶进土层为软土层，土质灵敏度高，顶管机易产生磕头及抬升；

（3）顶管上方覆土较浅，其中车行通道断面尺寸为10.4*7.50m，管长1.5m。顶管覆土层厚度5.19~6.85m，顶进施工中易产生地表隆陷。

1. 5. 姿态控制的针对性措施

（1）顶管机在正常顶进施工中，必须密切注意顶进轴线的控制。在每节管节顶进结束后，必须进行机头的姿态测量，并做到随偏随纠，且纠偏量不宜过大，以免土体出现较大扰动及管节间出现张角。姿态控制措施如下：严格遵循“勤测、勤纠、微纠，先纠高程、后纠平面，小角度连续”纠偏的原则。

图 2 纠偏油缸示意图

（2）设备配置在顶管机前壳体2及后壳体之间设置30只纠偏油缸，单只油缸最大推力200t，行程200mm；纠偏角度为上下1.9°、左右1.3°。

1. 5. 始发井内设备配置

顶管出洞口止水钢环和门帘的设置及整个后座顶进系统均位于始发井内，后座顶进系统的安装直接关系到顶进轴线的控制。后顶进系统由多个部分组成，从前向后依次为机架（含导轨）、顶环、U形铁、止退架、油缸支座、顶进油缸、钢后靠及动力系统等。

图 3 后顶进系统剖面示意图

（1）出洞口止水钢环和门帘的安装

本工程内衬墙施工时，测量人员务必精确定位止水钢环和门帘的轴线位置，避免顶管机出洞困难。

（2）顶管机始发机架安装

在始发机架安装前，利用井下控制点精确在地面标定出通道设计中心线及机架上导轨的中心线，作为机架的平面位置定位依据。安装完成后，架设全站仪实测机架的轴线坐标，返算坐标值与理论值的偏差，逐步调整偏离值直至满足设计轴线要求。高程位置，根据事先计算好的机架各主要点的高程，利用水准仪对其进行高程放样。

（3）钢后靠的安装

钢后靠位于后顶进的最末端。其由四块厚度为100mmQ355B高强度钢板连接固定而成。一面背靠始发井槽壁，另一面与顶进油缸底座相连，当油缸顶伸时，顶进反力直接作用在钢后靠上，再经后靠将集中力分散后传递至始发井槽壁，两侧的箱体结构即为顶进油缸的分布区域，在内部与顶进油缸分布位置的对应处布置有传力筋板。

因此，钢后靠安装时需与顶进轴线相互垂直，才能保证顶进姿态有效控制。

1. 5. 采用自动测量导向系统控制顶进过程中轴线

（1） 本工程采用五位一体矩形顶管自动导向系统和人工复核两种方法进行姿态测量，导向系统在顶进过程中实时更新顶管姿态精确指导顶进，而人工复核是用传统的前后标的方式测得顶管姿态对自动导线系统的进行检核，不定期的对顶管姿态进行人工复核，确保自动导线系统姿态的准确性。

（2）矩形顶管五位一体自动导向系统以棱镜法导向系统原理为基础，针对矩形大顶管的特点。

（3）通过观察五个目标棱镜及安装在顶管内的传感器采集的坡度转角来换算顶管姿态，同时通过顶管机内部的靶尺测量顶管机的人工姿态对自动导向系统进行校核。

（4）五位一体测量系统是用于矩形顶管自动导向测量的系统，该系统利用电控棱镜解决全站仪的小视场问题，利用五个棱镜不同位置的摆放，可以计算出前壳体的俯仰角、旋转角和滚角、机头的位置偏差以及后壳体的俯仰角和偏转角

1. 5. 防止顶管机磕头措施

顶管机出洞后进入正常土层顶进时，机头后方前六节管节通过拉接杆焊接连接成整体，防止机头出洞后呈现“磕头”现象，导致轴线偏差较大。

1. 5. 旋转控制措施

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）通过机头和管节上预留的打土孔反向注入固态泥浆调整机头偏转问题

4. 穿越高速公路沉降控制要求高

本顶管工程下穿高速公路，顶进过程中，高速公路正常运行。且高速公路路面距顶管顶部覆土浅，沉降要求高，高速公路的累积沉降值不大于10mm。因此，顶管下穿G1501时地面沉降控制是本工程施工的关键。

在整个车行道施工期间，高速公路路面沉降一直在允许的沉降值10mm范围内，保证了高速的正常通行的同时也满足了沉降要求。

4. 1. 针对性措施

1. 5. 1. 设置试验段确定最佳推进参数

顶管下穿高速公路之前，设置试验段，设定正面土压力、推进速度、出土速度、注浆压力等参数，并于实测地面沉降数据进行对比，找出最佳的顶进参数。

最终确定各项参数：1）正面土压力：0.12Mpa 、2）推进速度：1cm~2cm/min、3）出土速度：0.7m³/min、4）注浆压力：0.25Mpa 、5）泥浆配比：250kg膨润土：4m³水

1. 2. 顶进中采取的技术措施

1. 5. 1. 出土与顶进速度匹配

顶管机开挖面的稳定通过螺旋出土机的转速，当土压力计测出的正面土压力大于设定值，变频螺旋机加快出土速度；反之，减小出土速度；

1. 5. 2. 表面技术措施

采用喷灯烘烤，涂蜡，能在表面形成隔离层，避免土体粘结其上，能有效的减小背土。

1. 5. 3. 原则

为减小纠偏对周边地层的扰动，顶管纠偏顶进过程中应遵循“勤测、勤纠、微纠，先纠高程、后纠平面，小角度连续”纠偏的原则。

1. 5. 4. 完整泥浆套及厚浆压注

（1）顶管施工过程中采用稀浆和厚浆相结合的注入方式。

（2）稀浆起润滑减阻作用，较易形成完整的泥浆套，避免产生背土现象，可有效减小地面沉降，本次采用自动压浆系统（同时备有手动压浆），通过估算每节管节的注浆量来控制压浆时间。同时通过管节上的压力表控制压浆的压力，来实现压浆的保压，由控制柜按照PLC程序设定的顺序逐个注浆孔注浆，由控制柜发出指令，使电动阀门启闭，切换到下一孔注浆，如此循环实现自动压浆。

（3）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。

1. 5. 连续出土

土压平衡顶管机出土方式选用大功率卷扬机快速出土，提高连续顶进效率，减小了间歇时间，避免停顿引起的沉降。

1. 5. 地面沉降监测

由第三方监测需采用全天候全自动沉降监测系统对高速公路穿越段进行沉降观测，通过沉降数据指导顶进施工，优化顶进参数。

高速沉降与顶管高程偏差对比表

由对比图可知高速沉降趋势与顶管高程偏差趋势相吻合。

1. 5. 浆液置换

顶管贯通后，立即安排进、出洞口的封堵工作，将洞门与管节间的间隙封闭严密后，进行首全线填充注浆。注浆采用双液浆，保证注入量充足，并控制好注浆压力。注浆后，对地面进行持续观测，若地面持续沉降，可采用二次高压注浆进行补注。

1. 5. 设置止退装置

由于矩形顶管机的断面较大，前端阻力大，实际施工中，即使管节顶进了较长距离，而每次拼装管节或加垫块时，主顶油缸一回缩，机头和管节仍会一起后退20～30cm。当顶管机和管节往后退时，机头和前方土体间的土压平衡受到破坏，土体面得不到稳定支撑，易引起机头前方的土体坍塌，路面沉降。本工程在基座焊接型钢作为止退装置，利用管节侧边起吊孔插入销轴作为支撑点进行止退，可有效阻止管节的后退和避免由此带来的前方土体沉降问题。

5. 顶管属浅覆土层中顶进，扰动大

5. 1. 浅覆土注浆技术

1. 5. 1. 覆土概况

本顶管工程是浅层覆土层，车行道尺寸为10.4*7.5m，顶管覆土厚度5.19~6.85m。顶进施工时可能引起顶管机及管节产生上浮的趋势

1. 5. 2. 浅覆土顶进注浆技术控制

（1）顶管顶进过程中，在浅覆土段顶进时，顶进注浆技术是预防浅覆土土层穿孔及管道上浮的核心关键技术。

（2）严格控制管道顶部和顶部注浆孔的注浆压力，防止由于注浆压力造成浅覆土土层穿孔及管道上浮。

（3）改进注浆材料，在浅覆土段顶进时，为保证顶进安全及减少对上方土体的扰动，注浆浆液必须在克服土层摩擦力的同时，也必须增强泥浆套的稳定程度。本工程在浅覆土段采用的是具有专利等级的膨润土原土、聚丙烯酰胺配置而成的膏状泥浆。该泥浆在土体中更稳定，不易流失，可尽可能的规避泥浆流失和土层沉降等一些列问题。

1. 5. 浅覆土顶进施工参数控制

      1. 顶管推进及地层变形的控制

根据地质报告及现场实地勘察，结合项目实际，本工程采用土压平衡顶管机，主要是通过对压力仓内部土压力的利用，实现开挖面土体的有效平衡，最终实现顶管机前方开挖面的支护目标。在实际推进的过程中，顶管必须要始终平衡，对每次的纠偏量进行适当地控制，尽量降低对于土地的干扰。在此基础上，还应当对推力、推进速度、出土量以及地层变形的检测数据给与高度重视。对注浆量进行适当地调整，以免地面有冒浆现象的发生。

1. 5. 2. 顶力和顶速的控制

因本工程部分顶程是浅层覆土土层，所以在顶进的过程中速度要均匀且稳定。如果顶进正常，那么顶进的顶力输出应平稳，且

保证顶进速度和顶力的有效匹配。综合衡量浅层覆土土层的特性，因顶进机头与土层接触面应力分布不均匀，而且机头存在上扬的风险，所以，顶进顶力与顶速必须要控制在特定范围中，以免顶力与顶速过大导致应力难以有效分布，致使应力相对集中，使顶进发生偏差。

1. 5. 3. 对轴线的控制

在控制浅层覆土顶进轴线方面，主要涉及的内容就是高程和水平控制。但是，因为浅层覆土上部与下部应力的分布并不均匀，所以顶进过程当中的机头会出现上扬的现象。而要想保证机头始终沿设计轴线推进，就必须将顶进过程中的前18m当作顶进试验段，对顶进轴线的偏差情况进行仔细地观察，综合衡量实际顶进轴线偏差趋势和速率，制定出合理的控制方案。而在管道进入到浅覆土土层以后，则需要在纠偏油缸的作用下增加机头上部的推力，进而对上部土层的应力损失予以有效的补偿，以保证轴线设计满足具体的要求。在使用纠偏油缸的过程中，应当对纠偏量相应的控制，以免影响后期的管道施工。顶进过程中应遵循“勤测、勤纠、微纠，先纠高程、后纠平面，小角度连续”纠偏的原则，以减小纠偏对周边土体的扰动。

1. 5. 4. 注重施工管理工作以保证地面安全

因顶进机头上扬趋势相对明显，如果在施工中采取相应的措施，很容易对地层造成扰动，进而引发地面冒浆的问题。在这种情况下，开展顶进施工的过程中，顶管操作工作人员应对操作予以严格规范，以保证对土层的扰动被控制在允许范围之内。在此基础上，还应当大力监测地面状况，一旦出现异常，必须要及时采取措施处理。高速公路下方前18米顶进作为试验段，通过监测试验段的顶进对高速公路的影响，来调整顶进的各项参数。

6. 方案风险管控与实际对比分析

6. 1. 南侧进洞口土体加固形式改为MJS

南侧接收井进洞前5.8m位置土体加固，考虑到离高速距离太近，若是继续采用跟北侧一样形式的三轴搅拌桩加固的话对高速的影响比较大，所以在实施阶段跟设计沟通改成MJS加固。因为MJS对于周边环境及地基扰动影响极其微小。在施工阶段通过高速公路声屏障一侧监测点检测见过显示无明显沉降变化。

1. 5. 南侧接收井止水门帘改为挡泥板

接收井进洞口止水形式原先设计采用的是在钢套环外侧设置两道止水门帘的形式，考虑到钢套环比管节一边各大15cm，一旦机头进洞之后管节与钢套环之间的缝隙完全就暴露在外面，外侧的止水门帘没有任何止水效果。在方案实施阶段根据以往施工经验，在钢套环上加焊一圈挡泥钢板，紧贴管子外侧壁。有效的解决了机头进洞之后止水挡泥的问题。

1. 5. 北侧始发井双道止水门帘改为单道

始发井双道止水帘布内侧翻板无法调节，在实际顶进施工中管材会不可避免的产生位移和旋转，导致管材与洞口预埋件间隙不均匀变化（间隙大小不一），如内侧翻板和止水帘布翻出，会影响第一道止水翻板和帘布止水效果，且在以往实际施工中出现过上述问题，单道止水帘布有效的规避了上述弊端，为了确保单道止水帘布止水效果在洞口预埋件预留了DN40的注浆管路，确保整个施工过程中的质量和安全。

1. 5. A05连接块顶部增设混凝土牛腿

由于我们顶管形式是类矩形，后方顶泵布设也属于环形形式，但后靠背结构为矩形形式，在环形顶泵上口后靠位置无着力点，单单靠后靠钢板是不足以满足传力要求。在图纸会审方案必选阶段，考虑到此顶力能完全均匀传递后方主体隧道结构，在A05链接块地方增设砼牛腿。

1. 5. 始发井出洞口位置满插拉森钢板桩

车行道大顶管断面大（外径：10.4*7.5），在机头出洞前，地连墙混凝土破除后那段时间间隔期间，前方土体有坍塌漏水的风险；为了避免这个风险的发生，在地连墙最后一层混凝土破除之前，在顶管断面范围内紧贴围凛位置插入15m的拉森钢板桩。施工过程中有效避免了该风险。