大断面小间距矩形顶管施工关键技术

大断面小间距矩形顶管施工关键技术顶管技术是一种类似于盾构法的地下工程非开挖管道铺设技术，采用顶管掘进机成孔，再将预制成型的管道从顶进工作井顶入形成连续衬砌的管道非开挖技术。此次交流会参观的星汇云锦地下商场C地块，在开挖中即采用了矩形顶管技术，参观中，与会代表对此项新技术表现出浓厚兴趣。根据交流会上中铁二局股份有限公司城通公司总工程师王家祥的报告，本刊做了整理，以飨更多读者。中国中铁二局股份有限公司城通公司总工程师王家祥做主题报告 广东省佛山市南海区桂城街道19、20街区地段C地块地下空间项目顶管工程，为越秀地产在南海修建的地标建筑星汇云锦A、B楼盘的地下连接商场，该地下商场为C地块，横穿南海大道北，为地下空间开发项目（见图1）。本工程顶管通道位于佛山市交通主干道南海大道北正下方，地面交通繁忙，通道线路与南海大道北呈“正交”关系，南海大道北作为交通通行的主干道,若采用明挖法施工,交通疏解非常困难,且地下管线众多、迁改周期较长，因此采用顶管法施工。 图1 顶管工程平面位置示意 本工程设计为4条并行顶管通道,通道内净空尺寸为6m4m，管节壁厚0.45m，管节混凝土为C50P10,标准管节宽1.5m，共120节，7.5m异形管节2节，5.45m异形管节10节。每个通道各长60.5m，间距0.5m（见图2，3）。 图2顶管通道平面位置示意图3顶管通道横断面顶管施工区域自上而下地层分别为杂填土，淤泥、淤泥质土，粉砂层，粉土层，粉砂，中砂、局部粗砂。地下水埋深为1.201.50m，水位高程0.701.14m，其中粉砂层、粉砂为容易液化的砂性土，砂土液化将导致涌水、涌砂及地面坍塌，施工风险大。 工程重难点 大断面顶进。本工程顶管掘进机开挖断面尺寸为6.9m4.9m，为目前全国最大断面矩形顶管，施工时易产生四大问题。1）矩形掘进机壳体顶部宽度约7m，与土层的接触面积大，易引起机头背土，加剧对土体扰动和流失，严重时会造成地面塌陷和管线破坏。2）矩形顶管掘进机正面与土层的接触面积大，当拼装管节或加垫块时，主顶油缸一回缩，在掘进机正面承受的土层轴向推力作用下，掘进机连同管节易发生整体后退。3）机头顶进时顶力及扭矩大，顶管机姿态难以控制。4）顶管机的刀盘切削面积约35m2，对土层的扰动范围大，易造成地面及管线沉降，控制难度大。因此大断面顶进条件下控制地面及管线沉降、控制顶管机姿态、防止顶管机整体后退是本工程重难点之一。小间距顶进。地下空间连接工程由4条并行顶管通道组成，通道之间净距仅为0.5m（见图4），施工时易出现两大问题。图4相邻平行顶管通道 1）顶进过程中产生的侧压力易对邻近已成型通道产生影响，引起相邻管节发生变形和位移，甚至造成破坏。2）已成型通道四周土体受相邻顶管顶进施工时再次扰动，易引起地面及管线沉降叠加，造成周边环境破坏。因此小间距顶进条件下控制地面及管线沉降，确保相邻管节结构安全是本工程的又一重难点。环境保护要求高。本工程顶管通道位于佛山交通主干道南海大道下方，呈“正交”关系，顶部埋深5.6m，且上部管线纵多，相距较近。其中距离4.1m 3.1m雨水渠箱底仅0.5m，浅覆土条件下顶进施工过程中如何对周边环境进行保护，是本工程重难点之三。 顶管施工及进展 根据本工程四条大断面矩形顶管近距离并行的特点，如采用1-2-3-4的顶进顺序施工（见图5），会造成1号通道施工完成后，施工2号通道时，2号通道一侧为已成型的1号顶管通道管节，另一侧为地下原状土体，易形成2号顶管通道偏压，不利于控制顶管姿态及地面沉降。为尽可能减小偏压对后续顶进施工的影响，最终采用“跳隔”顶进的施工顺序，即按照1-3-2-4的顺序进行施工。图5顶管通道编号示意 本工程14号通道全长均为60.5m，其中1号通道施工历时34天，2号、3号、4号历时21天、21天、25天，其中最快掘进速度达到了7.5m/d。根据设计要求，轴线允许偏差50mm，顶管通道实测轴线最大高程偏差为+25mm，最大水平偏差为+32mm；管节接头无明显渗水，工程实体各项指标符合设计及相关规范要求（见图6）。 图6成型通道 通过顶管技术，解决了本工程的两大关键问题，并取得良好的实施效果。 大断面顶进施工。为解决掘进机壳体顶部与土层的接触面积大、引起机头背土、摩擦力大、顶力大的问题，项目部制备良好的减摩泥浆，随顶随注，使管周外壁形成泥浆润滑套，从而降低了顶进时的摩阻力；勤注浆、勤检查，根据顶力的变化情况和地面变形的实际监测数据及时调整注浆量和注浆压力，控制沉降。为解决顶管机停机时掘进机正面承受的土层轴向推力作用下掘进机连同管节发生整体后退的现象，在前基座两侧各安装1套止退装置（见图7），当油缸行程推完，需要加垫块或管节时，将销子插入管节的吊装孔，在销座和基座的后支柱间再放进钢垫块和钢板，使管节的后退力通过销子、销座、垫块传递到止退装置的后支柱上。 图7止退装置 小间距顶进施工。为减小近距离施工对已成型通道及地面沉降的影响，项目部首先对顶进施工参数进行了调整。对1、3号顶管顶进参数进行总结分析，将2号通道顶进速度控制在2030mm/min范围内，并保持匀速顶进，结合监测数据，2号通道顶进时土压力设置较1、3号通道降低 0.010.02MPa，以便能更好的控制地面沉降（见图8）。其次，对已成型通道采取保护措施。对先施工已成型的1、3号通道通过管节的注浆孔进行先行注浆固定管节，以注双液浆为宜。通过纵向贯通的钢绞线并进行张拉将已成型的管节固定形成一个整体。 图8顶管施工监测控制 实施效果。地面沉降得到控制。4条顶管先后施工，引起土体多次扰动，造成地面沉降叠加，采取上述措施，2号通道上方D3监测点在1、2、3、4号通道顶进期间沉降曲线如图9所示，最大累计隆起及沉降分别为+4.15mm、-26.58mm，均在规范及设计要求范围以内。 图9 结构位移得到控制。2号通道顶进时，在1号通道每节管节上布置位移监测点，通过对监测结果进行分析指导现场施工。1号通道最大水平位移+1.66mm、-1.06mm （“+”为远离2号通道、“-”为靠近2号通道），均符合相关技术要求。2号通道顶进时，在3号通道每节管节上布置位移监测点，通过对监测结果进行分析指导现场施工。3号通道最大水平位移为+0.97mm、 -0.94mm （“+”为远离2号通道、“-”为靠近2号通道），均符合相关技术要求（见图10，11）。 图10 图11顶管成品 总结星汇云锦地下商场C地块工程的施工过程，有几大收获。1）该工程对地下空间的概念实现了进一步拓展，采用7个联络通道，将4个顶管通道连接成一个既相互联系又相对独立的有机整体，具有极强的商业价值，使工程成果由原本的“隧道”概念拓展为“地下空间”概念，极大拓展了市场领域（见图12）。 图12顶管形成地下空间 2）行星齿轮传动顶管机作为一种新型的全断面切削、全方位搅拌的正方形顶管机，安装在行星齿轮上的刀盘在沿内齿圈作公转的同时又作自转，其形成的运动轨迹如图13所示。在顶进地层中遇到岩层时刀盘可改为滚刀，能有效对岩石进行切削，实现顶管施工技术在岩层内掘进。该顶管机还可以通过各种组合，变成各种规格的矩形顶管机。图13行星齿轮传动正方形顶管机刀盘轮廓线设计 3）验证了更大断面矩形顶管、更小间距顶进施工的可行性和优势