矩形盾构施工通道施工技术研究

矩形盾构施工通道施工技术研究

韩平

深圳市市政工程总公司    610502198703073215

摘要：随着社会经济的发展，我国的工程建设越来越多，在地下通道、地铁隧道及公路隧道的建设中往往多使用圆形盾构机，但其空间利用率低。而已有的矩形顶管又在曲线施工、背土效应控制、长距离顶力控制、长距离轴线控制等方面存在一些问题，因此，开展矩形盾构的研究和应用势在必行。本文就对此进行了研究。

关键词：矩形盾构；关键工序；技术、质量

1工程简介

地铁某车站为深圳10号线车站，位于国花路，东西向布置。本站为三层三跨（局部三层双跨）结构，采用明挖+局部盖挖法施工，本站为地下三层12.5米岛式站台车站，车站设计起点里程为DK1+253.98，设计终点里程为DK1+586.285，车站外包长度332.3米，标准段宽度22.1米，西端盾构加宽段宽度34.22米，东端盾构加宽段宽度25.62米，基坑开挖深度小里程端头27.25m，大里程端头25.06m，中心里程处24.82m。覆土厚度约3~4.2米。车站大小里程段均为盾构接收井。车站建筑面积2.5万㎡，车站共设置2个出入口、2组风亭、6个紧急安全出入口。

2矩形盾构设备情况

本项目的施工范围及内容：6.9m×4.9m矩形顶管掘进及管片拼装；预制钢筋混凝土管节及钢管节制作；防水堵漏、二次注浆及缺陷整治；洞门破除。

3 结构形式及施工方法

C出入口通道（图1）的口部和贴近车站主体外人防段通道采用明挖法施工，下穿桂花路、广深高速、菩提路段通道采用顶管法施工，通道中部安全出入口和风机房采用明挖法施工。口部明挖基坑、人防段通道明挖基坑、安全出入口和风机房明挖基坑围护结构均采用D800@1000灌注桩，桩间设置一个D600的旋喷桩止水，外设一排连续搭接的旋喷桩（D600@450）止水帷幕。根据场地条件，顶管法施工在车站主体外人防段通道明挖基坑内设置始发井，在口部明挖基坑内设置接收井。

图1 C出入口通道平面图

4重点难点施工措施和方法分析

C出入口通道覆土深度为6m左右，矩形顶管穿越地层主要位于②2淤泥质黏性士和②3含淤泥质砂。淤泥质黏性士层为软弱地层，含淤泥质砂层为高透水性及自稳性差地层。

C出入口通道附近测得地下水位埋深1.2~6m之间，地下水丰富，且受潮汐水位的影响，施工地质条件较差。

C出入口通道下穿进出香港道路、菩提路、桂花路、广深高速，穿越桂花路、广深高速时的路面沉降值要求控制在≤20mm。

C出入口通道上方埋设了众多管线。

以上不良的水文地质情况，复杂的施工环境，不引起高度的重视并提前制定针对性措施，极容易引起地面和道路沉降、塌方、地下管线拉裂等严重风险。

针对本项目以上重点难点问题，制定针对性措施和方法，分析如下：

4.1 加强洞门止水

风险分析：因本项目工程地质条件较差且富水，较大的增加了矩形顶管进、出洞施工的施工风险，做好矩形顶管进、出洞时的止水防护，矩形顶管施工即成功了一半，所以必须高度重视本项目的矩形顶管进、出洞的止水防护工作，将采取以下措施和方法：

（1）选择适用本工程的矩形顶管设备根据本工程的施工特点，选用规格6.92mm×4.92m×5.5m（宽×高×长）土压平衡式矩形顶管设备来实施本工程C出入口通道的施工，从它的前方看：主要由下图2所示的由6个刀盘组成。

图2刀盘示意图

（2）进、出洞洞口做好止水措施：1）始发井洞门圈止水措施施工前，在始发井洞门圈上安装密封压板及帘布橡胶板密封止水，保证矩形顶管机头始发时水土不从间隙流失。2）接收井止水措施接收止水措施将采用在接收井洞门圈焊接两道压板钢板，中间填充棉絮的方式进行有效止水。

4.2 加强沉降控制措施

风险分析：C出入口通道下穿两条重要交通道路，且主要地层为淤泥质软弱地层和含淤泥质砂层，为有效的控制施工过程中的地面沉降，采取以下有效措施，确保在穿越两条道路时将沉降控制在20mm以内，速率≤＋3mm/24小时。

4.3 顶推穿越淤泥质软弱地层磕头控制措施

淤泥质软弱地层中施工，除“4.2 加强沉降控制措施”外，因机头的重量比较重，还要特别防止顶管机机头穿越始发井端头加固区刚进入淤泥质软弱地层时的磕头现象，措施如下。

（1）机头掘进穿过端头加固区前，机头和前三节管节通过刚性连接成整体。

机头刚过端头加固进入土体至机头完全进入土体的过程中，前三节管节一直在端头加固区中，端头加固区强度高，对管节姿态有很好的支撑作用。管节和机头刚性连接，可以很好的控制机头的姿态，防止机头磕头。该方式同样适用在正常掘进过程中，保护机头的正确姿态。

（2）机头掘进穿过端头加固区后，进入淤泥质软弱土层后，从机头底部预留的注泥管往机头底部注泥，以提高淤泥质软弱地层的承载力。

4.4 穿越两条道路地基基础控制措施

两条道路的地基基础的强度较高，穿越时可能存在地层上软下硬的情况，采取以下针对性措施。

（1）在刀盘辐条中间增多刀盘破碎刀布置，增强顶管机的破碎能力，从而有效破碎并掘进地基基础。

（2）减小刀盘开口尺寸，将掘进过程中可能剥落的大块地基基础挡在刀盘前方，通过破碎刀破碎至能通过螺旋机直接排出的尺寸后，再排进土仓。

（3）放慢掘进速度，控制好机头姿态。

（4）针对可能出现的上软下硬的情况，启用铰接油缸辅助控制机头姿态。

4.5 管节接口质量保证措施

管节（图3）接口是顶管工程的关键部位，保证做好接口部分是顶管成败的关键，因此对组成接口的每一部分都必须严格遵守有关规程的要求逐一分别严格制作。

图3管节照片

管节止水圈材质为氯丁橡胶与水膨胀橡胶复合体，用粘结剂粘贴于管节基面上，粘贴前必须进行基面处理，清理基面的杂质，保证粘贴的效果。管节下井拼装时，在止水圈斜面上和钢套环斜口上均匀涂刷一层硅油，接口插入后，用探棒插入钢套环空隙中，沿周边检查止水圈定位是否准确，发现有翻转、位移等现象，应拔出重新粘接和插入。施工时如若发现止水条有质量问题，立即上报技术部门，整改后方可继续使用。

管节与管节之间采用中等硬度的木制材料作为衬垫，以缓冲混凝土之间的应力，板接口处以企口方式相接，板厚为15mm。粘贴前注意清理管节的基面，管节下井或拼装时发现有脱落的立即进行返工，确保整个环面衬垫的平整性、完好性。

管节与钢套环间形成的嵌缝槽采用聚氨脂密封胶嵌注；在钢套环上的两圆筋之间嵌入遇水膨胀橡胶条，从而构成一封闭环；这部分工作在管节厂预先完成。

顶进结束后，管节下部的嵌缝槽采用高模量聚氨酯嵌填。

4.6 顶管轨迹控制措施

顶管机、主顶系统及反力系统都按设计坡度安置。初期顶进时顶管机应均匀出土，控制好初始偏差，并及时调整后座千斤顶合力中心来控制初始偏差，确保机头初始状态稳定和轴线顺直。由于推进距离短，需尽早调整好参数，结合地面沉降数据，调整出土速度，控制好正面土压，确保地面沉降量控制在＋10mm～－20mm之间。推进时姿态需时时跟踪，一旦发现轨迹的偏依，立即采取措施，通过调整铰接油缸伸长量的手段，保证推进线路的偏差在允许的范围内。

4.7 顶管允许最大顶力的控制措施

本矩形顶管工程选用的主千斤顶总推力为3200t（图4），设计允许的最大推力约为3000t。根据施工经验验算，施工实际最大总推力在2600t左右，为了防止顶力过大损坏始发井结构，预防顶力超过允许值，在主顶泵站设备调试时，调整压力阀以使系统的总推力控制在2800t以下，并用螺栓锁死压力阀，避免施工中超出顶力事件的发生。

施工时，保证减摩注浆的效果，减小掘进机、管节与土壤的磨阻力，使机体外壳及管节外壳形成完整的减摩浆液薄膜，形成“浆套”（图5），有效的减少顶进总推力。

图4后背千斤顶                          图4管节注浆

4.8 顶管控制地面不均匀沉降的预防措施

（1）施工过程中根据地质资料，预先对将穿越的地层进行充分的分析，了解地质的物理及力学特性，掘进时再比较出土实样，及时调整掘进机的姿态，加强施工控制。

（2）顶进时按设计要求的轴线、坡度进行，施工过程中纠偏措施很重要，主要原则如下：

1） 勤测勤纠：即每顶进一段距离，测量一次轴线及高程的偏差情况，技术人员将机头纠偏的角度、各千斤顶的油压值、轴线的偏差等报中控室并输入微机，微机将显示出纠偏方法数据，再按此进行纠偏。

2） 小角度纠偏：每次纠偏的角度要小，一般控制在0.50度以下。

3） 纠偏过程中不能大起大落，如果发现在某处产生了较大的偏差，这时也要保持通道以适当的曲率半径逐步返回到轴线上来，尽量避免猛纠造成相临两段形成很大的夹角。

4） 测量单位进行工程全过程监测，以准确、及时地了解路面、管线的沉降情况，并在顶进施工中根据反馈数据及时调整各类施工参数，保证道路和管线的安全。另外，必须制定周密的顶管穿越道路、管线的施工监控方案及监控计划并严格执行。

4.9 防止背土的措施

本项矩形顶管机机头设置防背土装置，防止机头掘进过程中上部积土形成土包，土包在移动过程中会使上方土体隆起后再沉降。

（1）机头上方前端制造时，进行防背土装置安装。

（2）勤注浆，根据现场的实际情况及地质情况来安排注浆的方法及方量。注浆有专人负责，注浆要均匀、合理。

（3）勤检查，根据现场的实际情况，对地面环境（环境报表）及通道下的注浆口进行每日检查。

4.10 穿越地下管线措施

本工程顶管机口径大，对土体有一定的扰动，如若扰动过大，势必导致意外发生，所以施工中一定要控制好顶进参数，在临近管线前减缓顶进速度，控制好排土量，加强地面的监测力度。

在矩形顶管接收阶段，合理组织施工流程 ，确保机头进入接收井洞门圈后，至所有配套安装完成这段时间内洞门止水效果，拟视情况采取聚氨酯封闭环施工。

矩形顶管通道贯通后，对上述有影响范围内进行注浆加固土体，以确保管线安全使用。

4.11 螺旋机防喷涌措施

矩形顶管机在富水的砂层中施工时，可能出现螺旋机喷涌的风险，采取针对性措施如下：

（1）往土仓添加注入新型土体改良剂，加强土仓土体的改良，并进行充分的搅拌，搅拌至土体具有可塑性、流动性、止水性后再通过螺旋机排出。

（2）螺旋机筒体上布设注泥口，如产生喷涌现象，可通过注泥口注入浓泥，形成土塞，阻断土仓和机头内部空间。

（3）选派有经验的操作手，提前发现喷涌迹象并提前做好防范措施。

4.12 顶管日常重点点检、保养措施

建立通道内的巡视制度，在顶进过程中，对通道的接口止水情况及设备运转情况派专人巡回检查，并作好记录。发现有接口暴裂、漏水或设备故障，及时通知控制室值班人员并组织力量进行抢修，一旦发生火灾、触电等事件，首先确保施工人员的安全撤离，并通知地面做好急救措施。

始发阶段，派专人负责观察反力系统，密切注意反力架、始发架、后顶千斤顶等是否有变形。正常顶进阶段，对顶管机的顶进系统、辅助设备等，进行日常的点检和保养工作，发现问题，及时处理。工班交接时，有交接记录，每班都应有检修台帐。

结束语

综上所述，随着时代的发展，隧道盾构施工也在不断地进步。相较于圆形盾构，矩形盾构掘出的矩形隧道大大地提高了隧道可使用面积，在今后的隧道施工中将会起到极大的作用。而关键工序技术与质量控制是矩形盾构施工成功与否的关键要素，通过不断探索、研究、优化，将为今后矩形盾构的进一步应用提供强有力的保障。

参考文献

[1]陈昂,张雪辉,白云,等.类矩形土压平衡盾构施工附加应力分析[J].岩石力学与工程学报,2017,36(7):1813-1819.

[2]杜在松.矩形盾构施工新技术在隧道施工中的应用[J].建设监理,2017(2):76-79.