软土地区地铁出入口矩形顶管法施工技术探讨

崔艳涛

摘 要：天津地铁红旗南路站新建 B 号出入口采用矩形顶管法施工，以验证在天津地区富含地下水的软土地质条件下，采用大断面矩形顶管设备穿越复杂市政管线及交通主干道路的可行性。文章就该工程的重难点问题，以及施工过程中出现的风险问题进行阐述并提出相应的技术措施，以期为后续地铁新线建设提供借鉴。

关键词：地铁;出入口;软土;矩形顶管;施工技术

中图分类号：U231+.3

1 工程简介

天津地铁红旗南路站新建B号出入口位于红旗南路，为满足地铁站出入口功能要求，通道净空设计为高3.3m、宽6m。顶管顶进空间土体为地面以下4.4～9m范围，顶进土体主要为：③1粉质黏土、④1粉质黏土、④2粉土。场地内表层地下水为第四系孔隙潜水，勘测期间水位埋深1.2～3.0m，施工范围内土质较软且水位埋深较浅。经技术调研后，选定土压平衡式矩形顶管机实施本工程，顶管机外径尺寸为高4.3m、宽7m、长5.4m，配备的6个刀盘上下错开（图1），切削效率为90%，配套管节每节长1.5m。顶管需穿越多条市政管线，其中雨、污水管距顶管分别为1.29m、0.45m。

2 工程重难点及技术措施

2.1 地面交通

工程所在地红旗南路为市中环线，道路交通繁忙，车流量巨大，而接收井位于道路路中区域，工程施工期间必然干扰到交通的正常通行，采取技术措施如下。

（1）将红旗南路交通中线向西平移，借用部分出市方向车道。

（2）结合顶管施工工艺特点，尽最大可能缩小接收井结构尺寸及围挡面积。

（3）始发井、接收井加固区交替施工，先施作始发井加固区，再施作接收井加固区，完成后立即退回围挡，最后仅围闭接收井结构施工区域。

2.2 市政管线

顶管机穿越的市政管线较多且覆土较深，周边无切改路由，是本次确定采用顶管法施行出入口通道的主要原因，也是顶管施工期间重点关注的内容，采取技术措施如下。

（1）详细调查各市政管线资料并现场复核，包括管径、材质、埋深、压力、井位、使用情况，对覆土较深、距顶管距离最近雨、污水管道，采取潜水员下井实地探查的方式，修正资料数据偏差。

（2）在待穿越的各管线正上方布设多排监测点，提取初始值，在顶管穿越期间安排施工方加密监测，并聘用第三方监测单位独立测量，比对数据，保证监测数据的准确性，实时反馈并调整顶管推进各项参数。

2.3 施工场地

本工程顶管始发井设置于道路东侧便道与宾馆建筑物之间，接收井位于道路路中，为减小对交通、建筑的影响，需要尽可能缩小始发井、接收井的结构尺寸及围挡面积。为保证工程的开展，采取以下技术措施。

（1）缩小始发井结构尺寸后，吊装孔延顶管方向仅剩6.8m空间，不能满足顶管机及相应设备一次安装到位的要求。为此，先安装基座、后靠钢板、顶管机、刀盘、螺旋输送机，待围护结构洞门破除后，用临时千斤顶空推顶管机至刀盘，抵近加固土体，再顺序安装环形顶铁、千斤顶组，最后完成顶管机相应设备的组装调试。

（2）缩小接收井结构尺寸后，吊装孔延顶管方向仅剩3.7m空间，不能满足顶管机一次进洞后再分解吊出的要求。为此，在刀盘抵近围护结构后，拆除螺旋输送机，并从始发井吊出;破除围护结构洞门，让刀盘、顶管机前壳体先进洞，之后拆除分解并吊出，再顺序让顶管机后壳体进洞、吊出，最后完成顶管机组的进洞与吊出。

（3）受现场条件限制，始发井、接收井围挡场地狭小，需合理布置施工场地。为此，除顶管施工必需的设备、材料、物资外，其余设备、材料、渣土等及时清场，减小周转材料存放量;顶管管节仅存放1天的用量，根据使用情况提前安排厂家发货;渣土及时外运，同时保证现场安全文明施工。

2.4 地面沉降控制

2.4.1 土仓压力控制

本工程采用的土压平衡式顶管机通过顶管机的土仓压力平衡开挖面的土体压力，顶管机土仓压力及开挖面的稳定情况能够直接反映到刀盘上方及前方地面沉降数据的变化中。本文采用Rankine土压力理论公式（1）计算土压理论值P土：

初始设置土仓压力值P仓可略高于土压理论值P土，定为0.11～0.12 MPa，随着顶进的不断进行，土压力值P土应根据地面沉降监测数据情况进行相应调整。在施工控制土仓压力P仓方面，采取以下措施。

（1）控制推进速度以及调节螺旋输送机的转速或闸门开度。提高推进速度、减小螺旋机转速或者减小闸门开度均能达到增大土仓压力的效果，反之则可减小土仓压力。

（2）在土仓内注入渣土改良材料膨润土和聚丙烯酰胺，使顶管切削下来的渣土具有良好的流塑性、合适的稠度、较低的透水性和较小的摩阻力，保持开挖面稳定及土仓压力分布均匀。

（3）控制出土量，每管节理论出土量为45.15m3，在顶进过程中，尽量精确统计每节的出土量，力争使之与理论出土量保持一致，正常情况下出土量控制在理论出土量的98%～100%，严禁大于理论出土量。

（4）在始发井内洞门两側各设置1道止退装置，牢固焊接在始发基座上，所用型钢应有足够的刚度;控制好管节预留吊装孔与止退装置的位置关系，在管节顶进到位撤回千斤顶前，一定要确保止退装置安装牢固，必要时加装钢垫块;安装好管节、接通各种管路后，要先启动千斤顶，给管节及顶管机一定的压力并稳定后，才能撤下止退装置，然后正常顶进。

2.4.2 姿态控制

（1）始发姿态控制。①始发井、接收井结构完成后，精准测量始发井与接收井洞门轴线数据，修正结构工程偏差，指导始发基座定位安装，顶管机组装到位后，复测轴线数据，明确顶管机自身始发姿态;②由于顶管机机头较重，顶管机出洞后易发生“磕头”现象，为此，将始发架延伸至洞口，预先在洞圈底部安装2 道铁枕，并将底部空隙回填密实，使顶管机在出洞阶段不会产生“磕头”现象;③始发阶段顶管机刀盘切削的是全断面的水泥加固土体，顶进速度应尽量放慢，此时可加入适量清水软化和润滑加固土体，此阶段土仓压力很难达到理论土压值，进入原状土后，宜适当提高顶进速度，把正面土压力提升到稍大于理论土压值，以避免发生“磕头”现象。

（2）正常顶进姿态控制。①顶进过程中通过管节预留孔向四周注入由膨润土、水和化学处理剂混合而成的触变泥浆，填充顶进时形成的建筑空隙，遵循“先压后顶、随顶随压、及时补浆”的原则，在管节四周形成泥浆套，减少顶进阻力和土体扰动;②纠偏，矩形顶管对横向水平要求较高，要密切注意顶进轴线和机头的转角，机头一旦出现微小转角，应立即纠正，可以调动矩形顶管机内前后节间的多个千斤顶实现纠偏，也可采取刀盘反转、反侧注浆、加压铁等措施纠偏。

（3）接收姿态控制。①当顶管机头逐渐靠近接收井时，应适当加强测量的频率和精度，采取纠偏措施，减小轴线偏差，以确保顶管能顺利进洞;②顶进至接收井加固土体后，应减慢推进速度，逐渐降低土仓压力;③顶进至接收井围护结构时，采用8号槽钢对通道内部管节进行连接，使得多个管节形成一个整体，使其具有较好的稳定性。

2.4.3 及时补注浆液

（1）顶进过程中，通过管节预留孔向四周及时注入触变泥浆填充建筑空隙，通过计算设定每环管节泥浆注入量为2～3.4 m3。

（2）顶进过程中，根据地面沉降监测数据，采用少量多次的方式，通过顶管机及管节预留孔向管节四周及时注入高黏稠度的黄泥，以控制地面沉降，保证市政管线安全。

2.5 渗漏水控制

2.5.1 顶管机及管节

（1）顶进施工前需检查顶管机自身预留孔洞封堵狀况、铰接位置、螺旋机安装密封、后壳体与管节间止水胶条，以及螺旋机闸门关闭的密封性。

（2）本工程管节厚500mm，采用“F”型承插式接头，接头处设3道防水，第1道为管片与钢套环间形成的嵌缝槽，安装聚氨脂密封胶，第2道为管片预留槽安装橡胶止水条，第3道在工程结束后，管节间的缝隙采用聚硫密封胶嵌缝，每道止水措施务必检查合格。

2.5.2 顶管始发

（1）首先进行洞门探水，确保水泥加固土体止水效果良好。在加固区两侧各设1口水位观察井，预备好水泵，在必要时及时抽水减压。

（2）在洞门安装止水装置，止水装置采用2道橡胶帘布板+钢翻板组成止水钢箱，钢箱中间位置预留注浆孔，顶进过程中及时压注惰性浆液，保证钢箱内惰性浆液始终处于充盈状态。

（3）刀盘切削加固土体通常会加入膨润土或水，土仓渣土含水量大，此时土仓压力不宜过大，以免渣土从螺旋机喷出。

（4）刀盘抵近原状土前，需通过管节预留孔向四周及时注入高黏稠度的黄泥，以阻隔水系前后贯通。

2.5.3 顶管机接收

（1）同始发阶段一样，首先进行洞门探水，确保水泥加固土体止水效果良好。在加固区两侧各设1口水位观察井，预备好水泵，在必要时及时抽水减压。

（2）刀盘抵近接收井围护结构后，需通过管节预留孔向四周及时注入高黏稠度的黄泥，形成多环密封效果，以阻隔水系前后贯通，防止土壤中的水沿着顶管机外壁进入接收井。

（3）拆除螺旋机前，应先通过观察孔查看土仓内情况，螺旋机拆除后及时封闭。

（4）在接收井洞门钢圈内安装2道止水钢板，内道止水钢板高度应略高于管节外壁10mm，在对应每个三角撑的位置割开10mm高的切口，2道止水钢板间用海绵条填充并固定，防止泥浆或水从洞门间隙中流失。

（5）管节顶进到位后，清理洞口杂物，采用10mm钢板沿环向满焊封堵洞门，并在钢板上预留注浆管。

3 施工风险及对策

3.1 吊装风险

（1）吊装风险贯穿顶管施工整个过程，顶管机前壳体重约80t、后壳体重约40t，结合现场实际情况经过多次论证后，为保险起见，选用650t汽车吊吊装顶管设备，但在顶管机前壳体吊装翻身时，钢丝绳出现严重磨损，使用备用钢丝绳完成后续吊装。

（2）吊车站位地基承载力。吊车站位平台采用间距300mm的单层钢筋网片、厚300mm的C30混凝土浇筑而成，平台下方土基是未处理的原状土，地基承载力不足，造成施工过程中混凝土平台出现裂缝及不均匀沉降，临近的800mm灌注桩存在剪切破坏风险。为此，加铺厚40mm钢板，并在吊装过程中尽量远离围护结构。

3.2 雨、污水管道漏水风险

本工程施工期间正值雨季，1000mm雨水、500mm污水管道内水量大，管道年代久远，管道承插口周围土体可能存在水泡现象，极易造成顶管姿态难以控制及涌水。为此，采取提前封堵雨水管道，不间断抽空雨水管内积水、降低污水管内水位，并在顶管穿越管道时保持土仓压力稳定，并持续注入浆液。

4 结论

天津地铁红旗南路站新建B号出入口矩形顶管法施工的顺利实施表明，本文针对矩形顶管法施工地铁出入口工程中的重难点问题，以及施工过程中出现的风险问题所提出的相应技术措施可行有效;在富含地下水软土地区，采用大断面矩形顶管设备穿越复杂市政管线及交通主干道路技术可行。

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收稿日期 2019-09-10

责任编辑 朱开明