矩形顶管在富水砂层地铁出入口施工技术

矩形顶管在富水砂层地铁出入口施工技术

杨文龙

中铁一局集团城市轨道交通工程有限公司，江苏无锡，214000

摘要：矩形顶管施工工艺因其地下管线搬迁少,对地面道路交通影响小以及低噪音、无扬尘的特点,得到了广泛的应用。虽然采用矩形顶管施工的造价要高于明挖施工,但由于节省了管线迁改、道路导改等前期费用,其综合造价优势及良好的社会效益是明挖施工无法比拟的。

关键词：顶管、富水砂层、浅覆土、渣土改良、SMW工法桩

前言：本文依托于南昌地铁3号线青山路口站2-2出入口顶管工程，对矩形顶管在富水砂层中相关施工技术进行研究。该通道位于八一大道十字路口，交通繁华，覆土埋深浅，地面管线复杂，地层位于砾砂中砂层，富水量大，保证施工过程中道路沉降及管线安全及如何避免偏差以及出现偏差后的纠正至关重要。

一、工程概况

青山路口站2-2号出入口位于青山路口站东南角，采用“明挖+顶管法”施工，总长110.8m。其中，顶管部分长度为57m，采用38幅“F”型承插式预制管节施工，管节内径为6000*3300*1500mm，壁厚450mm，混凝土强度等级C50P8。始发井及接收井围护结构采用SMW工法桩+内支撑体系，共设置两道支撑，均为t16、Ф609mm钢支撑，基坑深度13.6m。

青山路口站顶管平面示意图

青山路口站2-2出入口自上而下地层依次为（1-1）素填土、（2-1）粉质粘土、（2-3）细砂、（2-6）砾砂，（2-7）圆砾。洞身范围内为全断面砂层，由（2-3）细砂、（2-6）砾砂组成，地下水位6.0~8.9m，高程14.31~11.19m。

青山路口站顶管地质剖面图

二、工程重难点

1、矩形顶管防涌水涌砂施工

拟建场地青山路口站距离赣江不足2.0km，地下水位较高，且本工程顶管施工穿越<2-3>细砂、<2-5>粗砂、<2-6>砾砂地层，土质松散-稍密状态，土层含水量较大，在顶管始发、接收施工时容易发生涌水涌砂现象，甚至引发路面沉降。

2、浅覆土矩形顶管施工

顶管结构尺寸为6.9×4.2m，覆土厚度为7.06m，大断面、浅覆土矩形顶管施工是本工程的重、难点。

3、沉降控制

矩形顶管横跨八一大道，该道路为城市中央主干道，人、车流量密集，一旦发生险情，地面基本无可供应急抢险作业空间。顶管下穿八一大道沉降控制是本工程的重难点。

三、关键技术及研究

3.1端头加固

富水砂层顶管始发及接收工作，端头加固至关重要。因顶管机始发、接收洞门外土体为软弱含水的土层，若不提前加固处理极易坍方或流失，造成地面塌陷，甚至使顶管机失去控制，为确保施工安全，必须对始发、接收洞门外土体进行加固处理。

青山路口站2-2出入口始发、接收端头均采用φ850@600三轴搅拌桩加固，确保加固效果。其加固长度为3m，加固范围为顶管上下左右各3m，水泥掺量不小于25%。端头加固后土体应具有良好的自立性，其无侧限抗压强度qu≥0.8MPa，且应具有良好的均质性。渗透系数不大于1.0×10-7cm/s。

在顶管接收洞门上“梅花”型布置水平探孔8个，根据检查结果，对于渗漏水部位加密布置。用水钻水平打孔，孔径Φ50mm，钻孔深度为打穿围护结构，并进入加固土体2m为准。

加固补救措施

若加固土体不能满足设计要求或洞门水平探孔持续出现漏水且呈线流状，即采用1:1的水泥浆压密注浆加固。注浆方法为从地面垂直钻孔和洞门水平钻孔注浆结合方式，直至探孔内无明显渗漏水为止。

（1）注浆参数

1）注浆压力：注浆初压力0.2～0.3MPa，注浆终压力1MPa。

（2）注浆材料及浆液配比

1）注浆材料：采用42.5级普硅水泥。

2）浆液配制

水灰比W/C=1:1，由试验室提供每盘浆水泥用量。

（3）注浆结束标准：注浆压力逐步升高，当达到设计终压并继续注浆10min以上。

3.2 土仓压力值P的选定

土仓压力P值应能与地层土压力和静水压力相平衡，土仓压力采用Rankine压力理论公式进行计算：

P土=∑K0γh0

式中：

P土——静止土压力；

K0 ——静止侧压力系数；

γ ——地层天然重度kN/m³；

h0 ——地层厚度。

P土=（3.69*18+3.4*18.5+0.3*19.5）*0.42+1.5*10*1

=71.77kPa=0.72bar

因此，顶管机在通过掘进时土仓压力设定为0.72bar左右，可保持土仓压力和外部土压的平衡。根据实际施工，理论计算得出的土压力值与实际施工土压力存在差异，为防止土仓压力不足造成洞顶水土流失，出现土体坍塌。根据不同的施工环境及施工条件，可考虑0～10kPa的压力值修正施工土压力。

3.3主推力

顶力由推进机前端的迎面阻力和管壁外周摩阻力决定，主顶力随顶进距离的增加而增大。在正常推进中，要注意顶力的增大应该是缓慢的，不允许有突变。

顶进阻力参照《给水排水管道工程施工及验收规范GB50268-2008》计算，其公式为：

FP=SLfk+NF

式中：FP为顶进阻力（KN）；

S：管节外壁与周围土层接触的面积（m2）；

L：顶管顶进设计长度（m）；

fk：管道外壁与土的单位面积平均摩阻力（kn/m2），取值为4.0-7.0；

NF：顶管机的迎面阻力；NF=PS1，P为控制土仓压力，S1为顶管刀盘开挖面积

大顶管最大推力：

F1=（6.92+4.22）*2*57*（3.92～5.88）=4978.2～7467.4KN

F2=6.92*4.22*（50~80）=1460.1~2336.2KN

F=（4978.2～7467.4）+（1460.1~2336.2）=（6438.3~9803.6）KN

施工中，考虑一些外加的不利因素及触变泥浆减阻，顶管顶进时顶力随着顶进长度增加而增加，始发时顶进阻力较小，顶力宜为600t~800t，启动时最大推力不大于800t，掘进后期最大推力为1000t~1200t之间。

3.4 渣土改良

隧道地层主要以细砂、砾砂为主，为了增强渣土和易性、降低涌水涌砂风险；同时该地段临近赣江，受赣江水体的侧向补给，地下稳定水位基本与管顶平齐，在闸门开合过程中极易出现喷涌现象，为避免险情发生，在推进过程中还应向刀盘、土仓及螺旋输送机添加泡沫剂、膨润土泥浆或高分子聚合物等辅助改良渣土，提高渣土和易性，使排土呈流塑状。

1、泡沫剂的使用

泡沫通过土压平衡矩形顶管上的泡沫系统注入。泡沫的组成比例如下（一般为）：

泡沫溶液的组成：泡沫添加剂3%，水97%。

泡沫组成：90～95%压缩空气和5～10%泡沫溶液混合而成。泡沫的注入量按开挖方量及渣土实际情况计算：一般300～600L/m3。

2、膨润土泥浆的使用

配合比为水:膨润土:粉煤灰:添加剂=4∶1∶1∶0.1，加泥量为5%～20%出土量。注入压力比土压平衡矩形顶管的土仓压力略高。

配比和注入量根据地质条件及施工情况及时加以调整。同时膨润土泥浆必须按要求膨化后使用。

3、渣土改良的主要技术措施

在砂层中推进，主要是要稳定开挖面，防止喷涌，并降低刀盘扭矩、磨损。拟采取分别向刀盘面和土仓内注入膨润土的方法进行渣土改良，必要时可向螺旋输送机内注入泡沫。

富水地段和其它含水地层推进时，主要是要防止涌水、降低刀盘扭矩，拟向刀盘面、土仓内和螺旋输送机内注入膨润土泥浆或高分子聚合物，并增加对螺旋输送机内注入的膨润土，以利于螺旋输送机形成土塞效应，防止涌水。添加量根据具体情况确定。

3.5 参数采集及沉降控制

在施工前对八一大道情况进行详细调查，确定顶管施工影响范围内的路面沉降、塌陷情况，并与下穿过程中的沉降量进行比较，指导施工。

1、加密监控频率

在顶管下穿八一大道路期间，加密监测频率，同时在下穿八一大道过程中根据监测数据及时优化调整各类施工参数。在下穿八一大道前10环设立模拟推进区，设置相应深度的土体垂直及水平位移监测点，地下水位及水压监测点、自始至终监测深层监测点的变化状况，主要摸索施工工艺中不同施工参数对顶管上部的深度范围内地层的扰动影响，摸索不同顶管推进速度和土仓压力及注浆工艺（触变泥浆）对地层的影响。

2、沉降控制

在顶管实际推进过程中，根据地面沉降情况，由当班技术人员分析判断后对注浆量（触变泥浆）、注浆部位和注浆压力进行调整。利用模拟推进积累的参数推进，同时设专职人员昼夜对八一大道进行沉降监测，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，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。

四、富水砂层施工重点控制措施

4.1初始顶进管节防止后退措施

由于在初始顶进阶段正面水土压力远大于管周围的摩擦阻力，拼装管节时主推千斤顶在缩回前必须对以顶进的部分与井壁进行固定，否则管节后退会导致洞口止水装置受损，因此在初始几节管节的外侧埋设预埋钢板，在主推千斤顶退回前将管节与井壁相连，直至管外壁磨阻力大于掘进机正面土压力为止。

4.2 顶管短暂停机保证措施

顶管机短暂停机后再次进行启动，由于周围地层的收敛，势必会使顶力明显增大，推进施工过程顶管停机是采取以下措施：

1、顶管停机前做好施工准备，利用盾壳周围的预留注浆孔在顶管四周压注性能较好触变泥浆，以防止或减小周围地层收敛将壳体“抱死”，同时还可以减小盾壳与周围地层的摩擦，便于恢复顶推时推力控制；

2、停机过程中，加强管节壁后的触变泥浆的压注，确保管节周围地层的稳定，以减小再次启动时的推力；

3、停机过程中，顶管每过一段时间后，向前推进3-5mm，防止管节和盾壳被周围土层包裹；

4、加强施工管理的控制，在施工过程中尽量减少顶管停机的次数。

4.3地面沉降的预防措施

1、同时为保证地面沉降,应严格控制顶进速度,采用间隔施工的方式以缓解浅覆土的影响。

2、顶管结束后，为防止隧道上浮,根据顶进情况在隧道内进行一定的加载措施,同时通过注浆孔对管道外壁补浆，选用1：1的水泥浆液，根据不同的水土压力确定注浆压力，加固通道外土体，消除对通道今后使用过程中产生不均匀沉降的影响。

结束语：随着地铁建设的高速发展，出现浅覆土、富水砂层顶管出入口的情况越来越多，目前上海、武汉、广州等各条线路均有采用顶管方案的过街出入口，顶管法在地铁建设中将会有更大的发展空间。因此要不断地创新与提高顶管施工工艺，在施工过程中做好施工重点的控制，提高施工质量。