大截面矩形顶管穿越复合地层施工技术

大截面矩形顶管穿越复合地层施工技术

孙本华

南京同力建设集团股份有限公司

摘要：大截面矩形顶管在城市地下人行通道、地铁出入口及综合管廊中的应用逐渐普及。本文以南京南站过街通道为背景从渣土改良、顶管机设备设计及预处理等方面论述大截面矩形顶管法在复合地层中的施工中的技术，其经验可为类似工程提供借鉴。

关键词: 大截面  矩形顶管  复合地层  设备改造

顶管法是隧道或者地下管线在穿越道路、河流或者地下管线等各种障碍物时采用的一种非开挖的施工工法。矩形顶管法是在圆形顶管的基础上发展起来的，因其具有施工周期短、对周边环境影响小、能避免道路、管线等既有设施迁移、空间利用率高、建设投资适中等特点，在城市建设中应用日趋广泛。矩形顶管机广泛应用的是以多个旋转刀盘组合的形式切削土体，相较于圆形顶管机的全断面切削而言存在一定的切削盲区，而切削盲区位置的土体依靠机壳的挤压切削，故而矩形顶管法大多用于软土地层中，在复合地层中的应用非常少。

一、工程概况

南京南站北广场地下行人过街通道矩形顶管工程，位于南京南站北广场东西两侧六朝路与毓秀街、江南路与锦绣街交叉口处。人行通道工程设计共分三段，分别是：下穿江南路段，、下穿锦绣街段、下穿六朝路段，长度分别为 24.9m、44.3m、62.7m，共计 131.9m。

图 1.1-1 通道平面示意图

由于工程地处南京南高铁站且穿越六朝路、江南路、锦绣街，且穿越段有雨水管、污水管、热力管、给水管等多种重要市政管线。为减少道路翻交和管线迁，降低工程造价，确保既有建（构）筑物以及地下管线的安全，通道段采用大截面矩形顶管法施工。

其中江南路段通道根据地质剖面图顶管施工穿越地层从上至下依次为粉质粘土、强风化泥质粉砂岩，同时在Z8、G7、G8及G11孔内上部涉及一段中风化泥质粉砂岩，但进入中风化的厚度不大，一般小于0.5m。但根据已施工江南路主通道顶管井施工段开挖情况，该段顶管底标高以上有约 1 米厚中风化泥质粉砂岩，且岩层的强度较高。

二、工程施工的难点

由于矩形顶管机切削断面由多个圆形刀盘组合叠加而成。刀盘除具备切削功能还需兼顾渣土改良搅拌功能，刀盘间叠加面积大意味着搅拌面积的减小，影响渣土改良效果。而为减少超挖带来的风险，刀盘叠加切削的外廓均不超出机壳的外廓。因此切削断面不可避免地会产生盲区。在非岩层断面顶进时，切削断面盲区的土体可以通过设置壳体边缘铲齿和导向锥体解决。中风化岩层强度较大，常用措施无法解决盲区内岩层的有效破碎问题。矩形顶管施工在中风化泥质粉砂岩断面顶进施工，主要出现如下情况：

1、矩形顶管机在复合地层掘进时，顶进姿态无法进行有效控制，断面内地层强度差异较大，导致顶管机头产生向强度较小的地层偏转的趋势，容易造成顶管机头不断上扬，顶进轴线偏移超限。严重时可能造成地面隆起严重超限、顶力急剧增大，导致顶进失败。

2、矩形顶管机刀盘开口率较大，无法对大量岩石块进行有效碾压磨碎，易造成大量岩石块在顶管机土仓内堆积，造成刀盘扭矩急剧增大、螺旋出土器出土困难，顶进过程中需频繁清理顶管机土仓石块，严重影响顶管效率且存在一定的安全风险。

3、矩形顶管机切削盲区范围内中风化岩层无法有效破碎，随着顶进形成强度较高的岩柱，对顶管机胸板形成局部反力，造成顶力增大而无法推进，盲目增加顶力会造成顶管设备损坏和管节结构开裂，从而导致顶进失败。

三、施工技术措施

针对顶管施工中将要出现的问题，解决的思路是合理扩大切削面积，减小顶进断面内岩层的区域强度和整体性，对此采用了下面几种改进措施。

1、矩形顶管机设备改造以增强盲区切削能力减小阻力

矩形顶管机切削断面由多个圆形刀盘组合叠加而成，一般断面存在三个盲区：矩形断面的四角、圆形刀盘与矩形断面边的不重合部分以及断面中部圆形刀盘的不重合部分。

1）刀盘布置的改造

本次设计的矩形顶管机采用中央1个大刀盘加 4 个小刀盘相结合的 5刀盘组合形式。通过增大小刀盘的直径来增强矩形断面四角的切削能力，同时在不影响刀盘旋转及搅拌的情况下通过调整刀盘中心距以达到减小圆形刀盘与矩形断面边的盲区面积和断面中部圆形刀盘不重合部分的盲区面积。

图2-1  顶管机刀盘布置图

2）、盲区辅助处理措施   

圆形刀盘与矩形断面边的不重合部分的盲区采用被动锥形结合边缘铲齿辅助掘进措施，刀盘切削盲区的土体挤压破坏是由壳体前端的铲齿刀与泥土仓锥板来完成，本顶管机对铲齿进行镶合金粒处理，增加铲齿的结构强度，满足其对预处理过的中风化岩层的铲切要求。

图2-13  盲区辅助处理措施结构图

图2-14  铲齿进行镶合金粒处理对比图

2、顶进施工前对岩层进行预破碎处理减小顶进阻力

采用Φ100水平钻机对中风化岩层提前进行钻孔进行预处理破碎，在钻孔中填充膨润土浸润中风化泥质砂岩，减小地层中岩层的整体性和区域强度，保证顶进时刀盘切削顺利和螺旋出土器出土顺畅，降低顶管施工的顶力，使得顶管机掘进姿态可控，确保顶管安全高效的施工及顺利贯通。

钻孔点位示意图                      锚杆钻机成孔施工示意图

3、渣土改良保证开挖面的稳定性

渣土改良的目的是为了增加土体的和易性、平衡土压力以达到保证开挖面的稳定性。在复合地层中顶进容易造成刀盘结饼及螺旋机出土不畅，针对性地在刀盘上设置注浆孔，可根据需要通过注浆孔向机头前方注入泡沫或者分解液，通过刀盘的运动将前方土体搅拌均匀，从而减少刀盘结饼风险，保证出土顺畅。同时时刻关注土仓内压力情况随时调整，保证开挖面不得出现超挖或欠挖的情况。

四、结束语

大断面矩形顶管在复合性地层中顶进的技术研究较少，本文主要通过设备改造、施工前岩层处理以及渣土改良等方面简要论述了在复合性地层中掘进的一些技术方法，为矩形顶管法今后的应用中提供借鉴，为城市地下空间建设和发展提供参考。

参考文献：

1.余彬泉，陈传灿. 顶管施工技术[M].北京：人民交通出版社，1998

2.王小涛，贾连辉，贺开伟.矩形顶管机刀盘的设计探讨[J].城市建设理论研究，2013，（13）：1-4.

3.张国林，吴祯，陈云强.大断面矩形顶管穿越上软下硬地层施工关键技术.科技风[J]，2021,(13):127-128