大断面矩形隧道顶管顶进施工技术要点

摘    要：随着城市轨道交通和城市地下综合管廊的大量发展，使得在下穿城市主干道及地下综合管线的施工工艺应用日益剧增。而传统的明挖顺作法施工已越来越不适应当前城市的交通通行。今结合郑州市轨道交通4号线工程会展中心站附属结构4号出入口顶管过街通道项目，分析了大截面矩形顶管的施工特点，并从施工流程、运作方式、施工过程中如何应对难点及风险对策等方面进行论述，同时介绍了施工过程中的關键技术，可供类似工程借鉴。

关键词：大断面;顶管;沉降;调坡

1  前言

目前矩形顶管施工工艺主要集中用于地铁出入口人行通道和地下人行通道的施工。根据文献调研，矩形顶管的技术还不完善，目前没有针对矩形顶管的设计标准和规范，对于矩形顶管施工背土、姿态控制、管节受力计算分析、顶管事故预防与处理等方面的问题还没有完全解决，需要进一步研究。

2  工程概况

2.1  工程简介

郑州会展中心站顶管过街通道顶管管节尺寸为9100mm×5500mm的矩形，内部净空尺寸为7800mm×4200mm，壁厚650mm，管节为整环结构，单节管长为1.5m，重约66.8t。采用强度C50混凝土预制，抗渗等级为P10，长度91.6m。管节纵向连接采用承插式F型接头，管节接缝处设置承插口接口钢套环与防水橡胶圈形成管节外侧防水体系，双组分聚硫密封膏嵌缝形成管片内侧防水体系，管节采用整体式预制。

2.2  工程水文地质情况

2.2.1  工程地质概况

会展中心车站4号出入口过街通道地质从上至下依次为杂填土①1、粘质粉土②31B、粘质粉土②32、粘质粉土②21、粘质粉土②22。会展中心车站4号出入口过街通道主要穿越地层有粘质粉土②32、粘质粉土②21。通道顶最小埋深约4.879m、最大埋深约6.298m。

2.2.2  工程水文概况

（1）潜水。潜水主要赋存于第②32、②33、②34黏质粉土层等弱透水土层中。本区间稳定地下水位埋深介于9.1m～11.3m，地下水位高程介于80.52m～81.02m之间。（2）微承压水。承压水主要赋存于第②41粉砂、②51细砂层含水土层中，承压水静止水位埋深14.0m左右，承压水头5.0m。

3  顶管隧道特点及沉降、姿态控制重难点

3.1  顶管隧道特点

（1）断面大。顶管隧道断面为9.1m×5.5m，为国内大断面矩形土压平衡直拱顶管隧道。（2）覆土浅。隧道覆土厚度在4.8m～6.2m，覆跨比仅1.89。（3）坡度变化大，坡度分别为-3%、-2%、-1%、平坡，-3%坡度长27m，-2%坡度长9m，-1%坡度长9m，剩余46.5m为平坡。

3.2  顶管隧道沉降制重难点

（1）顶管隧道断面为矩形，上覆土形成的受力拱拱面与顶管盾壳面间的面积较大，较大土体靠盾壳支撑，对地层扰动较大，地层变形大。（2）道路车辆较多，动荷载大，且不稳定，地层沉降控制难度大大增加。（3）在埋深相同的条件下，随着顶管盾壳面积的增大，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大大增强。同时尽管存在泥浆套的减摩作用，盾壳与上覆土间的摩擦力也逐渐增大，“背土效应”也逐渐明显。

3.3  顶管隧道姿态制重难点

（1）顶管隧道断面为矩形，由于地层的不均匀性和注浆压力的偏差，极易造成顶管隧道左右侧压力不等，致使顶管隧道轴线偏差。（2）顶管隧道断面极大，施工过程中易出现土舱各点压力不均且不连续，导致土舱左、右侧或上、下侧压力不平衡，造成顶管隧道轴线偏差。（3）由于顶管机长度较短且质量较大，隧道覆土浅，同时，施工过程中注入大量的触变泥浆;所以，顶管掘进施工过程中，极易出现顶管机“载头”和管节上浮现象。

4  顶管顶进施工技术

4.1  顶推力控制

采用理论计算与数值拟合相结合的方法，根据开挖面土压力及摩擦阻力压力，计算出隧道开挖所需的顶进推力。

4.2  开挖面土压力的设定

土压平衡式顶管机，利用压力仓内的土压力来平衡开挖面的土体，达到对顶管正前方开挖面土体支护的目的，并控制好地面沉降。因此平衡土压力的设定是顶进施工的关键。

4.3  顶进速度控制

初始阶段不宜过快，一般控制在5mm/min～10mm/min左右，正常施工阶段可控制在10mm/min～20mm/min左右。

4.4  出土量控制

根据盾构施工经验可知，顶管推进过程中的出渣量控制是地表沉降和顶管推进施工安全的有效措施，在施工过程中必须严格控制出渣量。

4.5  姿态控制

（1）姿态测量。顶管姿态测量采用自动导向系统和人工辅助测量相结合的方式，以确保顶管姿态的精确控制。施工过程中，根据线路条件所做的分段轴线拟合控制计划、导向系统反映的姿态信息来控制顶管机的推进姿态。（2）铰接油缸纠偏。超大断面矩形顶管施工过程中，铰接纠偏是最直接、最有效的姿态控制方法之一。超大矩形顶管前盾的长度较短，使铰接力能够有效地传递到刀盘，便于转向;并通过拉杆与后3～5环管节相连接，避免出现过度纠偏。正常掘进时，铰接油缸全部收回，以防顶管姿态发生偏差。当顶管姿态发生偏差时，将发生偏差侧的铰接油缸进行伸长，以调整顶管姿态。铰接伸长的距离根据地层情况、姿态偏差的大小、拟合掘进线路等综合确定。（3）注浆纠偏。当顶管机发生中线偏差或滚转、铰接纠偏能力不足时，可借助于盾体及管节上预留的触变泥浆孔及纠偏泥浆注入系统，在需要的位置向地层注入纠偏泥浆，调整顶管周围的地层压力，依靠地层压力的偏差和地层的微量压缩性进行纠偏。（4）双螺旋机出土纠偏。为保证土舱各点压力的连续性和均匀性，顶管机设计为双螺旋机出土。正常掘进过程中，要保持双螺旋机出土的一致，防止土仓压力出现不平衡，造成顶管隧道轴线偏差。当顶管出现姿态偏差时，可以通过调整双螺旋机的转速，控制双螺旋机出土量和土仓压力差，进行姿态调整。（5）调整胶合板厚度纠偏。通过调整管节承口位置胶合板的厚度来进行纠偏。

4.6  沉降控制

4.6.1  同步注浆

顶管施工与盾构施工存在一定差异性，顶管隧道在始发井内进行管节拼装，隧道掘进过程中整条隧道在地层中移动。为减小隧道和地层间的摩擦力，在顶管隧道贯通前，顶管同步注浆及二次注浆均不能采用水泥浆，注浆浆液为触变泥浆。触变泥浆在顶管施工过程中起到润滑减阻、支撑地层等作用。同步注浆。顶进时压浆要及时，确保形成完整、有效的泥浆套，必须遵循“先压后顶、随顶随压、及时补浆”的原则。

4.6.2  二次注浆

进行二次注浆的作用主要有两种，根据二次注浆不同的作用，其注浆位置、注浆浆液也不同。（1）保证触变泥浆套的完整。弥补同步注浆的不足，防止触变泥浆失水、固结造成泥浆套破坏，进而造成顶管推力增大，地表后期沉降加大。（2）补充地层的损失。由于顶管推进过程中整条隧道一直移动，管节通过地层时，会带走部分土体，造成掘进完成的地层渣土持续流失，必须进行地层补充，防止地表沉降持续增加。

4.7  止退装置

顶管掘进机为矩形，所以其断面面积相对较大，也增加了前端阻力。当出现后退情况时会影响机头与前方土体间的平衡，土体支撑会出现失稳情况，容易出现土体坍塌的事故。可以在前端安装合理的止退装置，以此来保证管节的稳定性。

作者简介：

朱英会（1971—）男，本科，工程管理专业，高级工程师，从事中铁隧道集团二处有限公司安全质量稽查队工作。