超长大截面城市综合管廊“盾构式”顶推施工工艺

超长大截面城市综合管廊“盾构式”顶推施工工艺虽然我国在盾构地下管廊和隧道施工技术上有了一定的成就，但对于超长大截面矩形“盾构式”顶推施工的案例却相对较少，其施工过程中遇到的技术问题仍需进行不懈地研究和积累。而盾构技术问题主要包括隧道管片设计问题、开挖面的稳定问题、盾构姿态控制问题以及盾构施工对周围环境的影响问题。在此，本文针对项目中的超长大截面“盾构式”顶推施工特点进行论述，以解决施工中遇到的以上几个问题。1项目综述某地下综合管廊工程全长2561.38m。本次非开挖矩形顶管工程共两段，一段为下穿杭甬高速，全长154.6m；另一段为下穿三污干管段，全长106.5m。矩形管廊管节外轮廓尺寸为7.5m×5.4m，顶板和底板厚度为0.55m,中隔墙厚度为0.30m,标准管节长度1.50m。矩形顶管机型号：CTE7520×5420,主机总长5668mm，总重约250t。1.1工程概况1.1.1工作井概况1、2号工作井基坑围护采用800mm厚地下连续墙；下穿三污干管段3、4号工作井基坑围护采用1000mm厚地下连续墙。地下连续墙实施前先进行围护结构壁的坑内外三轴水泥搅拌桩槽壁加固，地下连续墙完成后对坑内土体进行满堂三轴水泥搅拌桩地基加固，加固深度为坑底至坑底以下3m。1.1.2顶管结构概况顶管采用土压平衡式矩形盾构顶管法施工，分南北两幅。矩形顶管结构下穿杭甬高速，结构顶距离高速路面约8.6m,结构边距离德胜出口匝道桥桩基础最近约3.05m,顶管工作井距离高速道路边线最近距离约为19.8m。矩形顶管结构下穿三污干管，结构顶距离三污干管底面约4.25m。顶管完成后与构筑物相交处进行结构外侧侧边、顶面二次注浆加固。1.2技术概况1.2.1顶管主要施工流程施工流程如下：1）顶管机设备吊装；2）顶管顶进施工；3）顶管出渣；4）顶管管节吊装；5）顶管管节拼装。1.2.2顶进施工过程控制采用理论计算与数值拟合相结合的方法，计算土仓和掘进面的等效压力，从而推导出隧道开挖所需的顶进推力。1）顶进推力控制顶管机顶进推力由设置于始发工作井的顶推系统提供（图1），顶推力随顶管顶进不断增加，顶推系统中的液压千斤顶使用数量也逐渐增加，保证顶进过程中千斤顶所能提供顶推力的70%大于所需顶推力。顶推油缸最大工作压力可达到35MPa，最大顶推力可达到60610kN。图1顶推系统示意图2）土仓压力控制顶管机正面设置有隔膜压力计，施工前根据地质情况及埋深，初步设定土仓压力控制值，顶进过程中通过沉降观测及时调整土仓压力的实际控制值。施工中利用顶管机的顶推速度和螺旋输送机的出土速度共同来控制土仓内土压力。3）顶进速度控制本工程顶管断面大、覆土浅，必须缓慢、匀速向前推进。初始阶段一般控制在5～10mm/min，正常施工阶段可控制在10~15mm/min。按平均10mm/min计算，顶管每分钟出土量0.4m³,土斗设计容积为9m³,土体按照1.16倍的松散系数计算，土斗实际容纳土方约7.8m³,每斗土顶进出土时间约为19.5min，顶进约0.2m。4）出土量控制顶进施工中出土量采用容积控制法，每环出土量约58m³,每环顶进、出土需7.5个循环。根据每次统计出土量，核算1环顶进完成后出土总量是否符合要求。顶进速度控制流程见图2。图2顶进速度控制流程图1.2.3注浆系统控制1）渣土改良根据设计图纸及施工现场实际情况，顶管掘进区段为①1层黏质粉土、①2层砂质粉土、②2粉砂夹粉土，且含水量丰富。顶管机配置膨润土和泡沫两套改良系统，可单独使用，也可同时使用。6个刀盘的每根辐条上均布置渣土改良孔，掘进过程中，通过管路将渣土改良剂送至土仓，改良土体，使渣土具有较好的塑性、流动性和止水性。2）触变泥浆顶管管节设置16(14）个触变泥浆注浆孔，压注触变泥浆填充管道的外周空隙以减少地层损失，控制地面沉降和减少顶进阻力。顶进时及时压浆，注浆压力控制在0.5～0.9MPa，确保形成完整、有效的泥浆套，并遵循“先压后顶、随顶随压、及时补浆”的原则。触变泥浆配比见表1。表1触变泥浆配比1.2.4顶管姿态控制1）机头旋转控制矩形顶管由6个刀盘组成，两侧刀盘转动为对向启动，保证机头平衡（图3）。黄健4论证了不同结构的刀盘适应于不同的工程环境。本项目据此针对异型盾构技术的难点开展了相关的研究和工程实践活动：当顶进过程中出现机头旋转角度过大后，采取旋转超高侧增加配重，泥土泵打土，调节左右两个螺旋机出土速度等措施逐步纠偏。2）轴线偏移控制顶管机掘进过程中偏离设计轴线不大于±30mm，推进过程中密切关注导向系统测量情况，适时启动纠偏系统油缸，确保顶管姿态偏差在允许范围内。同时，每2天进行一次人工测量，修正导向系统测量数据。图3机头旋转控制示意图2顶管施工过程中的重点控制2.1顶管始发或到达的安全控制顶管的始发与到达是顶管施工中最易出现问题的环节，常会因为顶管施工始发或到达过程中定位不准确，方向控制不好，或者端头加固的质量问题，导致始发、到达时出现坍塌、突泥、涌水，严重影响施工安全。同时，由于盾构顶管到达时容易造成掌子面土体破坏，顶管施工的触变泥浆泄漏，导致地层沉降超限，管节摩擦力超限，顶推无法实施。2.2顶管施工的沉降控制由于顶管和管节顶板面积巨大，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较强。同时，由于顶管机开挖横断面增大后，存在渣土改良的不均匀性，超大断面矩形土仓内各点的土压力可能会有差别，对开挖面的稳定带来不利影响。而螺旋输送机数量的增加，又增加了各点出土量控制的难度，开挖面有可能出现局部超挖。2.3顶管施工的姿态控制由于矩形盾构顶管横断面尺寸增大，同时可能存在开挖面各点压力差别，调向纠偏的难度增大，或者超大断面矩形盾构顶管在推进的过程中可能由于侧向受力不均，或者地层不均匀导致矩形盾构顶管扭转或者姿态难以控制；特别是由于横断面尺寸大，顶管或管节发生滚转偏差对管廊净空位置的影响明显，滚转的纠偏也因此变得困难。3施工风险对策3.1顶管始发、到达的安全风险对策加强顶管在始发、到达段的推进控制。控制好顶管姿态，在保证出碴量正常的前提下，尽量快速完成顶管的始发与到达。3.1.1顶管始发按照要求完成端头加固，对加固区域进行垂直取芯，检查其加固的完整性和强度。控制始发台安装和调试后，对地下水应该严格控制，设置端头降水井，降低地下水水位。动态防水、洞圈保压功能采用双层橡胶帘布板+双层折页板装置。顶管始发期间，控制顶进速度5～10mm/min匀速推进。在洞门凿除前，对要凿除的洞门范围内边角及中心位置分别进行水平和倾斜探孔，孔深以不打穿加固体为好，一旦发现存在问题即进行二次补充加固，确保加固体的整体、连续，无加固盲区。预先安装洞门圈预埋钢环，始发时采用延长洞门加2道帘布橡胶板道作为洞门密封，并在延长洞门上预留注浆口，避免在始发过程中及整个推进过程中管节长时间摩擦洞门密封导致密封被破坏，以确保工程安全。3.1.2顶管接收顶管机达到接收范围前，安排测量组对顶管机姿态进行复测、纠偏。在顶进最后三环管节时，在盾构顶管机后注入高稠度泥浆，防止到达时漏浆。顶管顶进至设计位置后，对顶管机尾部管节采用水泥浆进行固结施工，固结完成后方可采用脱管油缸进行机管分离，防止浆液流失。到达加固体后、掌子面前，低推力，低转速，尽可能地多出土，晚破坏掌子面；掌子面破坏后要快速地推出，以防止漏泥漏水。顶管机脱离管节后，距洞门环梁混凝土浇筑存在较长时间，且该部位管节周边空隙较大，顶管机脱离后须立即对空隙进行封堵，防止渗漏水的形成。空隙封堵采用砖砌墙+钢板进行，封堵完成后进行洞门环梁施工。3.2沉降风险对策顶管以刚度作为结构设计指标，确保矩形平面结构在外土压力下不变形或变形在允许范围内，确保泥浆套的平滑和连续。顶管土仓内上下左右配置9个具有高灵敏度的压力传感器，能精确控制土仓压力并进行土压管理，以满足地表沉降控制在允许的范围内。管节也采用性能可靠的传感器进行全面的各点压力控制。在顶进过程中密切关注压力表数值，严控土仓压力值，压力上下波动值控制在0.2bar以内。以防止施工过程中土压控制出现“拉风箱”，破坏原状地层。在保证土仓压力的情况下严格控制出渣量和推进速度，顶进施工应匀速连续，顶进速度不超过10mm/min。根据顶进距离严格控制出碴量，出碴量以98%～102%为好，在遇到富水砂层等不良地层时，改用膨润土、聚合物等进行针对性渣土改良。当顶进过程中出现出土量超多，导致地面沉降的情况，可采用泥土泵进行打土回填，填充密实后再继续向前掘进施工。管节制作过程中确保外壁光滑，能够有效地减少推进阻力和“背土”现象，有效控制沉降。3.3姿态纠偏对策1）在盾体设计上将顶管前盾的长度设计得稍短，以便减少铰接点到刀盘的距离，使铰接力能够有有效的传递到刀盘便于转向。2）当发生滚转偏差和尾盾中线偏差时，说明前盾的纠偏力已经不足，此时借助在盾体上的预留孔和纠偏泥浆注入系统，在需要的位置向地层注入纠偏泥浆，依靠泥浆对地层的压力和地层微量的压缩性进行纠偏。3）对于导向系统，采用激光导向系统，控制顶管推进5个方向自由度，保证顶管顶进方向的正确。4）通过6个刀盘的同向转动使顶管获得某个方向的反扭矩，达到辅助滚转纠偏目的。截至2018年11月7日，本工程全线顺利贯通。建设期间，高速路网不封闭、不降速、不限流，完全不受施工影响。下穿三污干管矩形顶管段是本次工程中施工难度最大的一段，通过科研攻关，最终将每天的沉降量控制在1mm以内