超大断面矩形顶管的施工及管理要点

严 妍

（上海市宝山区政府重大工程建设项目管理中心，上海 201999）

0 引言

顶管施工技术可以有效地减少对交通、周围环境的干扰，具有施工周期短、综合成本低以及施工安全等特点。该文以上海市宝山区陆翔路-祁连山路贯通工程Ⅱ标段为例，对超大断面矩形顶管的施工管理要点进行探讨。

1 工程概况

上海市陆翔路-祁连山路贯通工程（Ⅱ标段）位于上海市宝山区顾村镇、大场镇，呈南北走向，全长约1.1 km，该工程内容主要包括道路工程、桥梁工程以及地道工程等，其中地道工程段需要穿越顾村公园区域及现状S20 外环高速线，为减少对公园环境及道路交通的影响，该工程采用顶管法与浅埋暗挖法共同施工，其中采用顶管法施工的地道段长度为445 m。顶管段施工选用9.90 m×8.15 m 的土压平衡矩形顶管机，单条顶管一次顶进长度为445 m，共有2 条平行顶管，间距约10 m。

2 技术原理

顶管施工前先在预施工管道两端设置好工作井和接收井，由工作井内驱动系统中的液压千斤顶进行推进，顶管机头后方布置有中继间进行分级顶进与纠偏，使管沿着预定的路线到达接收井内设计好的位置上，最后完成管道的铺设，顶进过程中切削下来的土体经由螺旋出土机与泥水转换系统排出后处理。

该工程采用土压平衡式顶管机，在顶进过程中，利用刀盘后泥土仓内的压力和螺旋出土机排土来平衡开挖面的水土压力，顶进时对顶进面的土体进行注浆改良，排出的土为含水量较多的泥浆。土压平衡顶管施工方法在中、大口径的管道施工中较为常见，能够在覆土比较浅的状态下正常工作，顶进时能保持开挖面的稳定，地面变形小，对于该工程的顶管施工尤为适用。

3 超大断面矩形顶管风险与对策

3.1 顶管超大断面、超长距离顶进

该工程顶管断面尺寸为9.90 m×8.15 m，单条顶进距离为445 m，在全国名列前茅，在世界范围内也属于大断面长距离顶管工程，缺乏可靠的理论指导和技术支持，施工风险与难度较大。为了保证顶管正常顶进和施工安全，该工程采取：1）在顶进过程中，采用自动压浆系统（同时备有手动压浆），保证浆液压注充分，形成减摩泥浆套，降低总顶力。2）设置中继间。3）匹配进尺及出土量，保证连续顶进。4）实时监控轴线及机头姿态。

3.2 超浅覆土顶进

顶管段上覆土埋深普遍较浅，最浅位置不足4.0 m，主要位于粉质黏土、黏土层，刀盘扰动下地表沉降较敏感，需要保护的构建筑物较多，顶管顶进较为困难，对于控制周围环境的位移与沉降要求严格。1）土体改良，同时增加顶进段上方覆土厚度或进行堆载压重。2）沿顶进方向布设监测点，重点保护区域加密监测点。3）严格控制顶进参数。4）匹配进尺及出土量，杜绝欠挖超挖。5）顶进中采用“稀浆”及“厚浆”相结合的方式。6）均匀压浆，充实土体，做到先压后顶、随顶随压、及时补浆。7）顶进完成后，及时浆液置换，固结周边土体减少后期沉降[1]。

3.3 下穿现状外环高速

顶管顶面距离现状S20 外环高速路面仅3.3 m～3.95 m，施工时要保证交通正常通行，对S20 的沉降控制，以及对道路两侧分布的雨水、给水、燃气、电信等管线进行保护。该工程采取：①对S20 下方的基础仔细摸排，对管线分布情况及其标高进行详细确认；②穿越时加强监测，采用自动测量系统结合人工测量复核保证沉降传递的及时性和准确性；③在S20 外环高速和顶管段之间施工钢管幕，以减小顶管施工对S20 的影响；④穿越前，设立试验段、控制段，具体摸索、检验所设定参数的可靠性，优化确定顶管顶力、顶进速度、出土量、注浆量及注浆压力等参数；⑤及时进行浆液固化，必要时进行二次补压浆；⑥做好充足的应急预案，有备无患[2]。

4 施工管理要点

4.1 设备选型

针对该工程9.9 m×8.15 m 超大断面的特点，以及地质条件、施工环境等，确定采用土压平衡式6 刀盘矩形顶管机设计方案：1 只直径4 700 mm 的刀盘和5 只直径4 200 mm刀盘。通过最大限度地加大顶管机刀盘切削和搅拌的范围，力求切削、搅拌面积最大化，以尽量减小地面沉降，同时大刀盘能够平衡顶管机顶进时产生的偏转扭矩，当顶管机受偏转扭矩时，可以通过各个大刀盘的正转或反转来提供相反力矩，控制顶管机不会侧向翻转。

4.2 工作井设置

根据施工红线与需要，将顶管始发工作井设置在交通运输条件便利的顶管段北侧，以便于顶管机头及管节等材料的运输，主要设施也布置在此侧，包括泥浆池、拌浆间、管节材料堆场及一部120 t 的行车等[3]。

4.3 主顶力设定

4.3.1 正面土压力设定

土压平衡式顶管机是利用土压力平衡开挖面土体，达到支护开挖面土体和控制地表沉降的目的，平衡土压力的设定是顶进施工的关键。

土压力采用Rankine 压力理论进行计算：

式中：p上为管道顶部的侧向土压力；p下为管道下部的侧向土压力；K0为软黏土的侧向系数（参考《基坑开挖手册》及该工程详勘资料），取0.5；γ为土的容重，取加权平均值，取18.0 kN/m3；Z上为上覆土深度。

上述公式所得为理论计算值，只能作为不同覆土情况下的土压力最初设定值，随着顶进施工，土压力值需根据实际顶进参数、地面沉降监测数据作相应的调整。

4.3.2 主顶力的设定

封闭式顶管机的顶力F0估算由顶管机前端的迎面阻力NF和注入触变泥浆后的管壁外周摩阻力F组成，公式如下：

式中：F0为总顶力标准值，kN；D1为管道的外径，m；fk为采用注浆工艺的摩阻系数，可通过实际试验确定，一般取4 kN/m2～7 kN/m2；L为顶进长度，m；NF为顶管机的迎面阻力，kN。

根据理论计算得出，顶管迎面阻力平均值为12 278.21 kN；

周边摩阻力值为101 549 kN，则平均总顶力

由上述计算可知，顶管理论计算最大顶力约为11 383 t。该工程后顶力系统顶进液压千斤顶每根顶力为400 t，行程2 500 mm，共40 根，总顶进力为16 000 t，满足顶进要求，顶力系统剖面图如图1 所示。

在正常顶进时，主顶力应随着顶进距离的增加而缓慢增大。顶管机机头出洞，在进入原状土且正面土压力没有建立之前，要控制主顶力不能过大。

4.4 中继间设置

该工程设置的中继间有纠偏中继间与顶进中继间。纠偏中继间紧靠后壳体，用于对顶管机的姿态进行纠偏及调整顶管机顶进方向；顶进中继间是在顶管机顶进至一定里程后使用，其前后都是普通管节，通过将中继间前的管节和顶管机一起向前顶进来达到分段接力顶进、减小摩阻力的作用[4]。

4.5 土体改良设置

该工程所处地层主要为粉质黏土及黏土复合地层，通过在粉质黏土层的顶进中，分别向刀盘面和土仓内注入膨润土或泡沫；如果正面地下水过于丰富，就会增加对螺旋输送机内注入的膨润土；涌水较大时，注入高分子聚合物防止喷涌。土体改良可以优化正面平衡压力，降低透水性，维持机器顶进或者停止期间的土仓压力；减少土体的压力变化；对于多孔性土质，防止地下水侵入过多；减少因为磨损、堵塞、黏附而对顶进工作产生的影响，降低刀盘扭矩，提高顶进速度。另外，机头切削下来的土体也具有更好的流塑性和稠度。

图1 后顶进系统剖面示意图

4.6 注浆设置

4.6.1 浆液配置

在顶进施工中，通过从管节内部的注浆孔向外压注减摩泥浆，减少土体与管节间摩阻力，使管节四周形成一圈泥浆套，一定程度充实受扰动土体。要求施工时泥浆不失水，不沉淀，不固结，作为顶管施工用的膨润土选用钠基膨润土，由其拌制成的浆液，触变以后的流动性和静止下来的胶凝性、固化性都比钙基膨润土拌制的浆液要好，对土层的支承和润滑效果好，同时针对上述特点，顶管施工中采用厚浆和稀浆相结合的注入方式：厚浆起支撑作用，稀浆起润滑作用。

减摩泥浆（稀浆）配比（按公斤每立方米计）见表1。

表1 减摩泥浆配比

厚浆初步配比为复合膨润土∶水=1 ∶1，塌落度为14～16。实际施工时，根据现场土层情况，试验后确定配比。

4.6.2 注浆设置

4.6.2.1 稀浆

采用自动注浆系统+手动控制相结合的注浆方式。自动注浆系统分为2 个独立的子系统：一路为了改良土体的流塑性，对机头正前方及土仓内的土体进行注浆；另一路则是为了形成减摩泥浆套，而对管节外进行注浆。机头环及前5节管节每侧各设置一套自动控制压浆系统，后续管节则采用补浆措施，浆液由地面上的储浆箱直接注入管节相应注浆孔内。

4.6.2.2 厚浆

厚浆压注采用单点控制，单边分别由13.333 cm 总管接入，由手动球阀控制。

4.6.3 浆液置换

顶管施工完成，将顶管机头吊出接收井后，立即用预加工钢板将特殊管节上预留的钢环与洞门钢洞圈进行焊接，采用最新的浆液固化技术，替代传统的浆液置换。注入新型可硬性浆液，与管节外壁的触壁泥浆融合，实现浆液固化，从而提高通道整体性及稳定性。

4.7 连续出土设置

提高连续顶进效率，该工程采用泥水转换系统出土，该系统可以实现连续出土，减小顶进间歇时间，能有效降低顶进阻力。顶管机内布置两台螺旋机，每台螺旋机后方配备泥水搅拌器，将螺旋机排出来的土与注入的水进行搅拌混合成泥浆，再用泵抽出排入泥浆池[5]。

5 施工监测与控制措施

5.1 顶管监测与纠偏

5.1.1 顶管监测

采用自动导向系统和人工复核两种方法进行监测，自动导向系统在顶进过程中实时更新顶管姿态精确指导顶进，而人工复核是用传统的前后标的方式测得顶管姿态对自动导线系统的进行检核，保证自动导线系统姿态的准确性。

5.1.2 顶管纠偏

顶管施工姿态控制原则为监测指导纠偏，勤纠勤测，微纠勤纠，始终将姿态控制在高精度状态下。顶管顶进过程纠偏措施有：1）注土纠偏。管节和机头预留注土孔中注入塑性土，利用反作用力达到纠偏，调整姿态。2）掏土纠偏。底部注浆孔位置采用高压水冲法取土，必要时配合注土纠偏，达到纠偏。如图2 所示。3）压重纠偏。根据顶管顶进过程中，管节旋转或上浮情况，采取管节内分级压配重措施，缓解管节偏转或上浮。分级压配重时，每次压配重10 t，然后根据顶进中监测情况再决定配重增减。4）中继间纠偏。利用放置于顶管机头后方的纠偏中继间，控制各区域纠偏油缸的伸缩量，调整前后部分间的夹角，因前半部与顶管机后壳体相固定，从而达到对顶管机姿态纠偏的目的。

图2 注土掏土旋转纠偏示意图

5.2 周边环境监测与保护

监测范围一般取顶管深度0～2 h 的地下管线、建筑物等。监测的主要内容及项目4 个部分：1）地表位移沉降监测。2）始发井、接收井围护体系监测。3）建（构）筑物、路面位移沉降与管线监测。4）巡视监测。

在顶管穿越过程中派专人负责监测信息的即时收集、整理和分析，及时发现问题并采取相应措施保证安全。

6 结语

顶管工程结构形式日益多样化，断面尺寸与顶进长度不断增加，未来将出现更多超大断面长距离异型顶管，施工要求也会随之提升。该文对超大断面矩形顶管施工过程中的管理要点进行探讨，为以后大断面长距离的顶管施工提供参考。