矩形顶管下穿高速公路施工技术

矩形顶管下穿高速公路施工技术

龙杜伟

广州南沙产业建设管理有限公司  广东广州  510000

摘要：结合中船中路综合管廊工程顶管段下穿东新高速施工案例，介绍矩形顶管施工方案技术难点，保障高速公路安全防护措施。

关键词：矩形顶管、高速公路、综合管廊

1、工程概况

顶管段顶进长度为105m，共70环，设计纵坡-0.2%，，管顶覆土7.7-8.9m。顶管段下穿既有东新高速，顶管井位于东新高速两侧。拟建项目区域地处广州市南沙区，珠江三角洲中部，地貌单元主要为珠江三角洲冲积平原，地势平坦、开阔，多为农田、鱼塘、河涌、居民区等，植被发育较好。地面标高一般在海拨 3.8～8.2m 之间，相对高差小。

拟建场地地层主要为①1耕土、①2 素填土、②1 淤泥、②2 淤泥质粉质黏土、②3 粉质粘土、②4 粉细砂。顶管通道所地层为②1 淤泥、②2 淤泥质粉质黏土、②4 粉细砂。

2、顶管机设计

本顶管机根据矩形顶管设计尺寸及地层情况进行设计，断面尺寸9100（宽）×5500（高），采用土压平衡矩形顶管机。它主要由切削搅拌系统、动力系统、纠偏及液压系统、壳体、螺旋输送机、测量显示系统、电气操作系统等组成。

主要特点有：结构紧凑；操作容易；维修方便；对所顶进的管线采用5个大刀盘和2个小刀盘进行切削，减小切削盲区；通过注浆及搅拌对切削下来的土体进行改良；排出的渣土不需要进行二次处理，其运输、堆放都比较方便。

3下穿东新高速路沉降控制

3.1原因分析

1）在埋深相同的条件下，由于顶管和管节顶板面积巨大化，上覆土形成受力拱的作用大大减弱，上覆土发生沉降的敏感度较强。此外由于顶管机开挖横断面增大后，存在碴土改良的不均匀性，超大断面矩形土仓内各点的土压力可能会有差别，对开挖面的稳定带来不利影响。同时由于螺旋输送机数量增加到了2个，增加了各点出土量控制的难度，开挖面有可能出现局部超挖。或者密封不好，触变泥浆泄露，以及注浆质量控制不好导致沉降超限，严重影响管线、地面交通等，因此，如何确保矩形顶管施工沉降成为本工程的重、难点。

2）顶管下穿位置，东新高速路基施工遗留有C型排水板，排水板间距1m，梅花形布置。顶管机在下穿高速路掘进时，排水板如不能被刀盘切断，排水板将对刀盘缠绕，进而影响刀盘的切削效率，甚至使刀盘卡死，因此确保顶管机对排水板有效切割，并顺利排渣成为本工程的重、难点。

3.2施工措施

3.2.1确保沉降施工措施

在顶管实际推进过程中，根据地面沉降监测数据情况，由当班技术人员分析判断后对压浆量（触变泥浆）、压浆部位和注浆压力进行调整。

在施工中，必要时进行补注触变泥浆，有效控制后期沉降，进行信息化动态施工管理。

顶管下穿东新高速路推进时，利用始发积累的参数推进，同时要有专职人员昼夜对地面及高速路进行沉降监测，及时观察路面结构的变形情况，将监测数据及时、准确地反馈给顶管施工工作面，使得中央控制室能够根据地面所反映的情况，进行正确判断，指导顶管推进参数及时优化调整。

同时根据地面荷载的情况，及时重新计算土压平衡设定值，并根据地面隆陷值加以调整，使顶管快速均匀推进，尽量缩短穿越时间，防止超挖和欠挖，以减少对土体的扰动，最大程度减少地层损失，将沉降控制在最小范围内，满足沉降要求。

在下穿施工前，设备技术人员对顶管机进行全面的检查，确保在穿越过程中不出机械故障，同时加强日常保养。

（1）加强挖掘面土体改良，改善泥土仓内土体流动性和塑性。维持土压平衡

（2）严格控制出土量：在土压平衡状态下进行顶管顶进，过程中严格控制出土量。

（3）控制初始顶进阶段、正常顶进阶段、末端顶进阶段的顶进速度。

（4）在顶进过程中，应该随时注意开挖面前端的土压力情况，保证掌子面土压力大于静止土压力0.02-0.05MPa，使开挖面前端土体有压缩上隆趋势。

（5）加强对高速公路道路及边坡进行监测，顶进过程密切关注监测点数据变化，及时采取应急处理措施。

（6）增加止退装置，防止加垫块或管节时顶管的后退。

3.2.2切割排水板施工措施

为确保顶管机刀盘有效切割排水板，并顺利排出地面，我司将在顶管机刀盘增加重型切割刀具，在刀盘后搅拌棒相应位置的胸板上增加强制搅拌棒，强制搅拌棒上焊接切割刀具，并在螺旋出土器出土口增设切割刀具。排水板被刀盘切割后进入土压仓进行强制搅拌，经强制搅拌棒上刀具二次切割，并最终经螺旋出土器排出，在如螺旋出土器出土口仍有较大尺寸的排水板碎片，可以通过螺旋出土器出土口刀具再次切割，确保顺利排渣。

4 顶进轴线偏移

4.1原因分析

受始发姿态、后靠板垂直度以及顶进中螺旋机出土不均影响，矩形顶管容易产生轴线偏移，具体表现为机头发生旋转，顶管机上偏、下偏等情况。

4.2施工措施

（1）顶管机及后配套安装过程中，精确定位始发导轨标高、轴线，以及后靠板垂直度等；

（2）顶管机前下壳体吊装焊接定位钢板，控制顶管机始发方向；

（3）顶管机调试完成后，对顶管机初始水平角和旋转角进行详细记录，作为后期判别顶管机轴线偏移的依据；

（4）顶进正面土仓确保满仓掘进，两个螺旋机出土速度须一致，保持平衡；

（5）通过每2环的复测，及时复核顶管机姿态，指导施工；

（6）顶管机设置纠偏油缸，顶进中根据偏移方向及时启动纠偏油缸纠偏，当出现上（下）左（右）都存在偏移时，先纠偏上下，再纠偏左右；

（7）当顶管机发生偏转后，根据偏转方向，可采取调节刀盘转向的防水进行纠正；

（8）当顶管机发生较大偏转后，可采用预留注浆孔通过土砂泵进行打土纠偏。

5、MJS工法桩

为保障高速公路正常运营，在顶管管节上部横向布设MJS工法桩（180度下半圆高压喷射）。桩径1.8m、桩间距1.3m 、搭接0.5m、桩长105m，共17根。浆压力≥40MPa、空气压力0.7MPa，水泥用量：约500Kg/米、回抽速度：20min/m（半圆）、浆液流量：85～100L/min。

6、工后监测分析

由于本工程综合管廊顶管截面面积较大，覆土厚度较深，约7.8m，施工方法具有特殊性，通道上方东新高速路是高速公路，车流量大且沿线有重要管线，所以风险等级定为一级。

共在东新高速路面布设 58 个沉降监测点，48 个水平位移监测点，在东新高速两侧坡脚各布设 2 个土体深层水平位移监测点。

表1 顶管工后监测工程量统计表

根据表1监测数据显示：

（1）东新高速路面沉降、路面水平位移目前处于工后监测阶段，本月监测数据无异常。

（2）路面沥青面层重新铺设后，高速公路路面沉降达到稳定状态，本月沉降量最大为 2.20mm，重铺后最大沉降量为 16.70mm。

（3）顶管顶进施工过程中，东新高速东侧应急车道、慢车道出现 3 条裂缝。路面重铺后，未见异常。

7、结语

中船中路综合管廊矩形顶管施工克服了下穿高速公路的技术难题，保障了高速公路过往车辆的行车安全，实现了精准接收，矩形顶管技术对城市建设具有重要意义，具有十分广阔的应用前景。

参考文献：

[1]矩形顶管施工引起的地表沉降研究[J]. 徐新,付江山,吴晓斌,吴勇,徐日庆.  公路工程. 2017(04)

[2]矩形顶管技术发展与研究现状[J]. 彭立敏,王哲,叶艺超,杨伟超.  隧道建设. 2015(01)