大断面矩形顶管隧道管节角部新型连接施工技术

周仲贺, 王俊澎

(中铁隧道局集团有限公司， 广东 广州 511458)

0 引言

随着社会经济的高速发展，城市地面空间日益紧张，地下空间的发展与运用越发受到青睐。文献[1-5]从城市地下空间施工的发展历程、地下空间探测、开发和利用、整体规划研究等角度循序渐进、由浅及深地阐述了地下空间施工领域的研究成果及对未来的展望。由此推断，目前现有科技条件下解决城市地面交通拥堵不堪的现状，首要途径是大力发展地下公路隧道、地下过街隧道、城市地铁隧道等地下空间基础设施。随着地下隧道施工技术的飞速发展，矩形盾构隧道作为一种新型的地下隧道施工方式被广泛地应用于地下公路隧道、地下人行通道等施工领域[6]。这种非开挖工程技术彻底解决了地下管道、通道埋设施工中对城市建筑物的破坏和道路交通的堵塞等难题，在稳定土层和环境保护方面优势明显[7]，对交通繁忙、人口密集、地面建筑物众多、地下管线复杂的城市来说是非常重要的[8]。随着隧道的长度越来越大，管节断面尺寸越来越大，加之地下空间施工环境日益复杂(周边道路、地下管线、构筑物影响)，对顶管施工工艺要求越来越高。文献[9-11]给出不同复杂环境情况下顶管管节接缝连接方式选择的建议。目前国内外隧道管节连接方式大致可分为连接钢板焊接、螺栓连接、预应力锚索连接和倒拔销连接。文献[12-16]中指出这几种连接方式分别存在着各自的不足之处： 1)连接钢板焊接，即在隧道内部管节接头处预埋钢板，管节拼装完成后，再采用钢板进行焊接连接相邻管节； 但焊接的连接方式会产生较高的温度，易使管节混凝土炸裂，大量的焊缝需在管节拼装完成及时进行焊接，造成管节施工循环时间较长。2)螺栓连接，常规盾构隧道普遍采用的一种连接方式，其优点在于连接快速，有一定刚性； 缺点是随着管节体积增大螺栓孔距间误差累计过大导致部分孔位无法穿入螺栓。3)预应力锚索连接，即在管节的上中下部预留孔洞，管节拼装完成后，在孔洞内穿锚索，施加预应力，使管节连接成整体； 但预应力锚索连接方式受预应力锚索长度的限制，同时管节之间的抗剪力较差。4)倒拔销连接，即通过管节首尾连接处预留的倒拔销卡扣，在管节推紧后，前一环管节尾部的倒拔销卡扣与后一环前段扣件锁死，从而实现2环无法分离后退的目的。倒拔销连接的优点是连接牢固可靠，且连接过程比上述3种连接方式节省施工时间； 但是由于倒拔销连接属于精密连接方式，管节在浇筑过程中预埋位置稍有不准确，将导致前后管节锁扣无法对准、连接失效，并且在管节安装过程中也存在一旦管节之间任意一个点锁死后无法进行管节位置微调的弊端。

为了解决以上几种管节连接方式的不足，开发一种施工简单易行且适合大断面矩形顶管隧道施工特点的管节连接方式显得尤为重要。本文对大断面矩形盾构隧道管节角部新型连接施工技术进行总结。该施工技术结合矩形盾构隧道管节连接的施工特点，使用新型张拉及注浆材料，并优化注浆压力控制工艺，通过受力分析及验算，确定采用管节顶部两侧角部各设置1条高强钢筋张拉的管节连接方式。

1 管节角部张拉施工技术

1.1 工程项目概况及管节设计

1.1.1 工程项目概况

本施工技术的研究及应用依托于新加坡T221矩形顶管隧道项目，该隧道为新加坡地铁汤申线Havelock车站的地下人行通道，下穿Zion Road和 Havelock Road，将车站出入口E、出入口D与出入口A相联通。隧道全长150 m，共由94环管节对接拼装而成。矩形顶管地下通道示意图如图1所示。

图1 T221矩形顶管地下通道示意图Fig. 1 Plan of layout of T221 rectangular pipe jacking underpass

1.1.2 管节设计概况

管节截面尺寸为7.6 m×5.625 m，管节单环长度为1.5 m，管壁厚度为500 mm，管节采用强度C50钢筋混凝土预制而成。管节内侧顶部两侧500 mm×500 mm的混凝土角部中心预埋直径100 mm的PVC管作为管节角部连接施工管道，张拉施工过程中将合金钢棒穿入预埋管中进行拉紧,然后用水泥浆填充管中剩余空隙。矩形隧道管节示意图如图2所示。

图2 矩形隧道管节示意图(单位： mm)Fig. 2 Sketch of rectangular pipe jacking segment (unit: mm)

1.2 管节连接技术必要性分析及施工原理介绍

顶管隧道需要单侧开口,为了加强顶管隧道在开口区域的隧道整体性，同时防止因局部管节沉降变形过大导致隧道结构破坏，必须寻找一种可以增强局部管节的整体性同时又适应本隧道特殊条件(隧道单侧开口，连接方式无法双侧对称布置)的管节连接方式。项目施工团队对隧道管节连接方式进行大量的研究比选，除引言部分所查阅的4种现有连接方式的不足之外，结合本隧道施工特点通过比对和分析得出以下结论： 1)螺栓连接和倒拔销连接适用普通管节连接，对多环管节整体性增强效果极为有限； 2)连接钢板焊接连接需要多点对称布置，不适用于单侧开口隧道，且对管节接缝处引流槽布置有阻碍，并有后期锈蚀失效的风险； 3)预应力锚索对多环管节张拉虽然可以实现增强隧道整体性的目的，但因张拉锚索对管节之间纵向沉降变形产生的剪力抵抗性差，同样无法达到预期效果。在现有连接方式无法满足要求的情况下，项目团队尝试开发一种新型的管节连接方式。这种连接方式需要满足具有锚索张拉连接的良好整体性特点，并具有一定刚性可以抵抗管节纵向变形的剪力，同时也必须适应管节单侧墙壁开口和具备良好的防腐耐久性特点，大断面矩形顶管隧道管节角部新型连接施工技术应运而生。该施工方法是通过在管节顶部两侧内角处预埋张拉管道(避开单侧墙壁破除区域及引流槽布置区)，隧道掘进完成后穿入高强钢筋张拉并进行管道内注浆填实的一种后张法施工技术，既达到了增强隧道整体性的功效，同时有效地抵抗了隧道沉降变形产生的剪力，并通过注浆保护提高了合金钢材的防腐和耐久性。通过新加坡专业设计公司的理论分析及受力验算验证，这种施工工艺适用于本隧道的隧道局部区域整体性增强施工，并取得了良好的施工效果。

1.3 张拉钢材对比分析

张拉钢材主要分为柔性材料(钢绞线)和刚性材料(合金钢棒)2种。柔性材料在张拉过程中变形量大、拉力大、操作复杂，本身不具有抗弯能力，需要通过对称布置才能实现整体抗弯效果，且不具备抗剪能力等，不适用于矩形顶管隧道的后期加固；刚性

材料本身具有一定的刚度和抗剪能力，张拉操作简单、变形量小，适用于矩形顶管隧道的后期加固施工。根据2种张拉钢材的特性并结合施工现场的实际情况，最终选用名为Macalloy S1030、直径为40 mm的合金螺纹钢棒作为张拉钢材。Macalloy S1030钢材照片如图3所示。张拉材料对比如表 1所示。

图3 Macalloy S1030钢材照片Fig. 3 Photo of Macalloy bar S1030

表1 张拉材料对比表Table 1 Comparison between two tensioning materials

1.4 管节张拉施工设计

1.4.1 管节张拉施工方式设计

T221顶管隧道共有3处需要单侧开口凿除管节侧壁与附属结构连接, 管节张拉区域示意图如图4所示。管节角部张拉区域A区是隧道与出入口D的连接处,张拉长度为19.5 m，并在张拉区域B区和C区预留开口位置,是为后续工程预留的接口,B区张拉长度为13.5 m，C区张拉长度为15 m。

图4 管节张拉区域示意图Fig. 4 Tensioning zones of segment

在管节浇筑施工时将φ100PVC管埋入管节角部指定位置，隧道管节拼装完毕后在隧道受力居中部位管节两侧上方构成2条张拉通道。将合金钢棒穿入预留张拉孔洞中，通过两端钢垫块、垫片及螺母紧固，将钢棒固定至预留孔洞中心位置。管节张拉设计平面示意图如图5所示。管节张拉设计剖面示意图如图6所示。

图5 管节张拉设计平面示意图Fig. 5 Plan of designed segment tensioning

图6 管节张拉设计剖面示意图(单位： mm)Fig. 6 Longitudinal profile of segment tensioning (unit: mm)

1.4.2 管节张拉施工参数设计

根据设计验算得知： 每增加1环管节长度(1.5 m)需要增加的拉力为2.308 kN,以最长张拉段A区为例，A区共有13环管节，张拉长度为19.5 m，计算可得设计张力为30 kN，现场实际施工过程中使用转矩扳手对高强合金钢棒进行张拉。

设计转矩=p×D/K=30 kN×40 mm/4.5=

266.7 N·m。

式中：p为设计张力，30 kN；D为合金钢棒直径，40 mm；K为张拉系数(根据合金钢棒生产厂家提供的材料张拉系数表查得)，Macalloy S1030、φ40 mm合金钢棒张拉系数为4.5。

考虑到预加一定富余系数抵抗注浆凝结期间的转矩衰减，设计要求附加25%的转矩。

实际施加转矩= 设计转矩×安全系数=266.7 N·m×

1.25=333.4 N·m。

通过上述计算可知，A区张拉施工时转矩扳手所需要施加的转矩为333.4 N·m。

每环管节(张拉长度为1.5 m)所需实际施加转矩=333.4 N·m/13=25.65 N·m。

B区共计9环管节(张拉长度为13.5 m)，施工实际施加转矩=25.65 N·m×9=230.85 N·m。

C区共计10环管节(张拉长度为15 m)，施工实际施加转矩=25.65 N·m×10=256.5 N·m。

1.5 管节张拉施工准备工作

合金螺纹钢棒张拉在施工操作上具有操作简单、速度快、安全度高、节能环保等优点，一定程度上符合发达国家施工安全、节能环保的施工理念。

1.5.1 管节角部张拉施工人力需求

现场施工过程中主要需要工程技术人员1人、工班长1人、普工2人，所需施工人员需根据实际情况进行调整。

1.5.2 管节角部张拉施工主要材料及设备需求

如表2所示。

表2 材料及设备需求表Table 2 Equipments and materials

螺旋式注浆机是一种新型的注浆设备，在注浆口处设有压力传感器实时监测注浆压力，并将数据传输到设备的压力控制芯片，该芯片会根据预先设定的注浆压力值及注浆口反馈的压力数据，调节注浆电机的马力带动螺旋注浆管内叶片旋转匀速注入浆液。螺旋式注浆机如图7所示。注浆设备参数如表3所示。

图7 螺旋式注浆机Fig. 7 Screw-type grouting machine

表3 注浆设备参数表Table 3 Grouting equipments and materials

1.6 张拉操作流程

1)使用高压水枪冲洗预埋张拉孔洞内部，并用压缩空气吹干残留水体。

2)张拉孔接缝处进行密封处理，并对密封处理进行质量验收。

3)穿入合金钢棒并将钢棒调整到中心位置，两端依次安装垫块、垫片、紧固螺母，固定钢棒位置。

4)张拉施工前再次确认张拉区域，检测张拉段，根据设计计算书确认本次张拉施工实际施加转矩。

5)使用转矩扳手旋紧螺母，并施加至实际施加转矩(允许±1%误差)，并等待5 min。

6)检查转矩值是否达到实际施加转矩(允许±5%误差)，如果转矩衰减超过5%，再次施加转矩至实际施加转矩(允许±1%误差)，并等待5 min再次检查转矩衰减情况。如仍不满足要求，重复此步骤，直至转矩衰减满足误差要求。管节角部张拉施加转矩如图8所示。

2 张拉管道压浆施工技术

钢筋张拉施工完成后，张拉孔道依然存在剩余空

间。为了避免张拉钢筋受到腐蚀，同时提高张拉钢筋与隧道管节间的结构整体性，需要进行张拉孔道压浆施工。其施工原理是： 通过注浆机将水泥浆液从张拉孔道一侧压入，并由对侧排除管道内的残余空气，从而达到填满压浆孔道的施工要求。

图8 管节角部张拉施加转矩Fig. 8 Torque adding on Macalloy bar at segment corner

2.1 压浆材料比选

张拉孔道压浆施工中，由于其注浆空间通常为细长、截面狭小的孔道空隙，所以对注入浆液的流动性要求极高。在注浆材料选择上，国内多用硅酸盐或普通硅酸盐水泥加外加剂(减水剂、膨胀剂等)通过多组试验确定压浆材料及配合比，试验周期长，不同厂家甚至同一厂家不同批次的水泥及外加剂配制出的水泥浆液强度偏差不易掌控。为保证压浆材料强度的稳定性，现场选用特殊的复合配方水泥(Emcekrete HP)及添加剂制品(Muraplast 120)，此种注浆材料具有凝结强度稳定、拌合物流动性好、泌水率低、硬化体积微膨胀等特点，非常适合张拉注浆施工。张拉注浆材料28 d抗压强度汇总如表4所示。浆液泌水率试验如图9所示。扩散度试验如图10所示。

表4 张拉注浆材料28 d抗压强度汇总表Table 4 Statistics of 28 d compressive strength of tensioning grouting materials

2.2 张拉管道压浆施工参数设计

2.2.1 压浆配合比设计

张拉管道压浆浆液由Emcekrete HP、Muraplast 120和水配制而成。材料配合比如表5所示。

2.2.2 压浆压力要求

通过设计验算注浆管道长度在20 m以内(A区长度19.5 m，B区长度13.5 m，C区长度15 m)，张拉管道注浆压力选用0.5～0.7 MPa，闭浆条件为总注浆量不小于理论注浆量的105%，且排气口浆液压力达到0.5 MPa，闭浆5 min压力不低于0.5 MPa。

2.2.3 压浆试验参数要求及试件检验结果

张拉管道压浆浆液拌合完毕后需要进行浆液体积质量、浆液扩散度、浆液泌水率试验。浆液试验参数要求如表6所示。

图9 浆液泌水率试验(试验结果1%)Fig. 9 Bleeding test of grouting cement (1%)

图10 扩散度试验(实测扩散度900 mm)Fig. 10 Flowing test of grouting cement (slump of 900 mm)

表5 压浆材料配合比表Table 5 Mixing ratios of grouting cement

2.3 管道接缝处密封处理

由于注浆管道长度均为10 m以上，管道注浆压力很大，现场施工过程中在管道接缝处设置橡胶止水圈(内径120 mm，外径140 mm，厚度25 mm)，止水圈与管节混凝土表面通过防水胶水粘贴，并且在张拉过程中管节拉紧会使止水圈与两侧混凝土面更紧密贴合，达到良好的防水防漏效果。注浆管道密封圈如图11所示。

2.4 管道注浆施工控制

在张拉完成后，应保证尽早压浆，且应在48 h内完成压浆全部操作。

2.4.1 压浆前的准备工作

1)用清水冲洗管道，冲洗后，应使用压缩空气将孔道内的所有积水吹出。

2)检查压浆设备并对设备进行清洗，清洗后的设备内不应有残渣和积水。

3)现场根据浆液配合比要求配制压浆材料，用量应精确到±1%。

4)对配制完毕的浆液现场进行浆液体积质量、浆液扩散度、浆液泌水率试验，试验结果满足设计参数要求后留置抗压试块进行注浆施工。

2.4.2 压浆施工

管节角部张拉孔道注浆施工如图12所示。

1)开启注浆口和排气口的阀门，从注浆口一侧开始压浆，调节螺旋注浆机，将管道注浆口处的注浆压力控制为0.5～0.7 MPa(注浆孔道空间狭小且水平距离10 m以上，水泥浆液黏度较大压力过小不利于浆液填满孔道)。

表6 浆液现场试验参数Table 6 Parameters of fresh grouting cement

图11 注浆管道密封圈Fig. 11 Sealing ring for grouting pipe

图12 管节角部张拉孔道注浆施工Fig. 12 Grouting at pipe sleeve of Macalloy bar

2)当排气孔排净空气且流出连续的水泥浆时，关闭管道排气口。

3)关闭排气口后，降低注浆机流速继续缓慢注浆直至排气口处压力达到0.6 MPa。关闭注浆口停止注浆，观察排气口处压力变化。

4)统计总注浆量应不小于理论注浆量的105%，且闭浆5 min后排气口压力不小于 0.5 MPa。

5)在停止注浆之后5 min内，如排气口处压力迅速降低且小于0.5 MPa，则需检查管节接缝处是否有浆液渗漏，确认无渗漏或渗漏修补完毕后打开注浆口缓慢注浆，将排气口压力增加到0.6 MPa，停止注浆，5 min后检查压力变化情况。如注浆压力依然低于0.5 MPa，则需重复此步骤直至注浆压力满足要求。

3 管节角部张拉施工注意事项及优缺点分析

3.1 管节角部张拉施工注意事项

1)管节角部张拉孔道与普通张拉施工不同，是由每环管节1.5 m长预埋管道连接而成，这对管节浇筑施工预埋管件位置精度提出了极高的要求。在预埋管固定与混凝土振捣过程中要注意对预埋管的保护，防止其偏移。

2)管节安装时预埋管接缝处的密封处理是张拉施工的重难点之一，必须确保接缝处密封良好，防止压浆时出现漏浆液导致无法达到预设闭浆条件的返工事件发生。

3)压浆前必须确保管内尘土及杂物清理干净，并且注浆前再次用清水清理并用高压空气吹出多余积水。经过湿润的管壁有助于与水泥浆液紧密结合，减少气泡残留。

4)注浆机器的选择是管节角部张拉施工的重要环节。传统的活塞式压浆机注浆压力波动较大，容易冲破压浆管道接缝处密封导致爆管注浆失败。施工过程中选用螺旋式压浆机代替活塞式压浆机，其浆液输送压力均匀平稳无大幅波动，特别适合管节张拉压浆施工。

3.2 管节角部施工技术优点

1)张拉施工操作方法简单，可在隧道整体完成后进行，有效地缩短了隧道掘进工期，节约了施工成本。

2)施工空间需求小，施工人员需求少，施工工艺安全环保，且对其他工序影响小。

3)有效增强隧道整体稳定性，并加强隧道接缝处抗剪能力。

4)采用了新型注浆材料，提高了水泥浆液的流动性，并且浆液凝固强度也有所提高。

5)改良的张拉注浆设备使注浆压力平稳均匀，降低了漏浆的风险。

3.3 管节角部施工工艺不足

1)高强钢筋和新型注浆材料的价格比传统连接方式材料价格要高。

2)张拉极限长度受限(整个隧道不能全部成整体张拉，只能分段张拉)。

3)张拉段管节外形与非张拉段管节顶部内腋角部结构不同，需要更换预制管节模具的内角模。

4)材料进口手续繁琐，备料周期较长。

5)对管节预制和拼装施工提出的精度要求较高。

4 结论与讨论

1)本文所提出的大断面矩形隧道管节角部高强钢筋张拉施工技术通过实际施工项目应用得到验证，该施工技术作为一种新的管节连接方式有效地增强了隧道局部区域的整体性(将管节错台控制在5 mm以内)，且同时满足了本隧道侧面开口和耐久性的要求，适用于矩形顶管隧道的管节连接施工。

2)本管节连接施工技术与该研究领域现有常用的连接方式(焊接连接、管片螺栓连接、预应力锚索连接、精密倒拔销连接)相比，具有操作简单、施工速度快、安全环保等诸多优势。

3)管节角部张拉施工技术应用了新的施工材料(高强合金钢棒、新型注浆材料)，降低了张拉施工的技术难度，增强了注浆浆液的流动性和终期强度，增强了隧道的整体稳定性，提高了管节接缝处的抗剪能力。在施工过程中改进了注浆压力控制技术，选用了新的注浆设备，使注浆压力更加平稳可控。

4)管节角部张拉施工技术作为一种新的顶管管节接缝连接方式，为类似隧道工程提供了参考依据。如何进一步加强和改进管节接缝处预埋注浆的密封连接方式，提高预埋注浆管接缝处抗压能力并降低漏浆风险,以及如何优化中间段出浆口布局，确保更好地排出注浆孔道内的空气提高注浆质量等问题，仍是一个值得进一步研究和考量的课题。