矩形盾構頂管施工技術在城市隧道中的應用

周明

摘 要：結合鄭州市中州大道下穿隧道工程施工實例，對土壓平衡矩型盾構頂管機的實用性、超大斷面矩型盾構頂管施工始發到達的安全、沉降控制、姿態控制技術四方面進行了闡述。

關鍵詞：矩型盾構施工；隧道；應用

1 工程概況

中州大道是鄭州市貫通南北的交通大動脈，寬達100米，雙向14個車道，承載著鄭州交通繁重任務，為了保障施工期間最小程度的影響交通，施工采用矩形盾構施工，不僅對地上道路的正常通行、周邊環境的影響比較小，而且施工的安全性、施工效率也比較高。采用矩形盾構施工，還可使隧道的空間利用率提高近20%，與人工開挖相比，效率將提高4-5倍。

2 主要新技術研究及其應用

2.1 技術特點

本工程下穿中州大道段采用土壓平衡矩形盾構頂管法施工，頂管段具有以下主要特點：開挖斷面大、覆土埋深淺、隧道間距小、管線間距近、沉降要求高。

矩形盾構頂管段機動車道斷面為10.1m×7.25m，斷面72.2m2；非機動車道斷面為7.5×5.4m，而目前國內已經成功應用于施工的最大斷面頂管為6.9m×4.9m（斷面面積33.81m2）；此外因受場地條件限制，隧道上最小覆土僅為3.5m；隧道之間間距小，2條矩形盾構頂管隧道凈間距為1m，距離DN600mm的雨水管僅1m；最長推進長度達到105m；是目前世界上斷面最大的矩形盾構頂管，在設計技術上突破了六刀盤復合開挖聯合控制技術、盾體推進過程當中的減少摩擦的設計、超薄殼體和超大斷面的結構強度設計優化等關鍵技術難題，施工難度大。

2.2 矩形盾構頂管

采用的土壓平衡矩形盾構頂管機是由中國中鐵裝備自行研究、設計、制造的二臺多刀盤輻條式土壓平衡頂管機，大頂管尺寸：10120mm×7270mm，小頂管尺寸7520mm×5420mm。切刀和先行刀采用高耐磨的硬質碳鎢合金刀具，以適應各類土體和加固體，并配備良好的泡沫和膨潤土、觸變泥漿注入系統。

2.3 土壓平衡矩形盾構頂管機的適用性

本工程為鄭州市首次采用矩形土壓平衡頂管施工，如此超大斷面的矩形頂管機選型是否合理，設計是否安全、可靠、先進，能否適應工程所在的地層關鍵是工程的重點。

邀請國內外具有矩形土壓盾構頂管設計、制造、施工經驗的人員組成專家組，從設備的設計、制造階段開始深入的介入，將施工中可能存在的問題盡可能的在設計階段充分考慮。在設計階段充分借鑒、吸收、消化國內外成熟經驗，并結合項目的施工特點，考慮設備有足夠的安全及性能儲備，確保設計安全、可靠、先進。

制造過程中各關鍵部位零部件采用最優的產品，以確保質量；同時在工廠進行嚴格的組裝調式。

施工前，做好地址詳勘、管線及環境調查，為施工做好充分的準備；并做好施工方案比對優化及專家評審，編制切實可行的應急預案；在施工過程中，嚴格按照既定的技術方案實施，出現問題時按專項預案處理，并適時召開專家會議，確保工程順利實施。

2.4 頂管施工始發、到達的安全控制技術

頂管的始發與到達是頂管施工中最易出現問題的環節，常會因為頂管施工始發、到達過程中定位不準確、方向控制不好，或者端頭加固的質量問題，導致始發、到達時出現坍塌、突泥、涌水，嚴重影響施工安全。

同時，由于盾構頂管到達時容易造成掌子面土體破壞，頂管施工的觸變泥漿泄露，導致地層沉降超限，管節摩擦力超限，頂推無法實施。因此，如何確保頂管始發和到達的安全成為本工程的重點、難點，施工過程中采取如下措施：

嚴格按照設計要求的長度及寬度對端頭進行加固，做好過程控制；加固施工過程中嚴格按照相關要求，從材料進場、設備、施工工藝等幾個角度嚴格控制施工質量，確保加固質量。

做好洞口防水密封，頂管始發，預先安裝洞門圈預埋鋼環，始發時采用延長洞門+2道簾布橡膠板道作為洞口密封，并在延長洞門上預留注漿口，避免在始發過程中及整個推進過程中管節長時間摩擦洞門密封導致密封被破壞，確保工程安全。

頂管到達時，由于頂管掌子面反力破壞、減小、喪失，觸變泥漿流失，同始發一樣，檢查洞門加固質量后，在洞門鋼環內焊接1道鋼絲刷，外側安裝簾布橡膠板和折頁壓板，到達加固體后、掌子面前，低推力，低轉速，盡可能的多出土，晚破壞掌子面；掌子面破壞后要快速的推出，以防止漏泥漏水。

加強頂管在始發、到達段的推進控制。控制好頂管姿態，在保證除渣量正常的前提下，盡量快速完成頂管的始發與到達。同時，充分考慮到由于對端頭地層進行了加固處理，地層性質所發生改變，推進時要密切灌注頂管突變情況，勤測量、勤糾偏，并在頂進最后3環管節時，在盾構頂管機后注入高稠度泥漿，防止到達時漏漿。

2.5 超大斷面矩形對鉤頂管施工沉降控制技術

在埋深相同的條件下，由于頂管和管節頂板面積巨大化，上覆土形成受力拱的作用大大減弱，在覆土發生沉降的敏感度較強。盡管存在泥漿套的減摩作用，但是隨著頂板面積作用于上覆土的推進摩擦力逐漸增大，“背土”作用也逐漸變得明顯。此外由于頂管機開挖橫斷面增大后，存在渣土改良不均勻性，超大斷面矩形土倉內各點的土壓可能會有差別，對開挖面的穩定帶來不利影響。同時由于螺旋輸送機數量增加到兩個，增加了各點出土量控制的難度，開挖面有可能出現局部超挖。或者密封不好，觸變泥漿泄漏，以及注漿質量控制不好導致沉降超限，嚴重影響管線、地面交通等，因此，如何確保矩形盾構頂管施工沉降成為本工程的重難點，在施工過程中采取如下措施：

嚴格按照要求對地層進行勘測，并在基坑開挖過程中對地層進行詳細統計、研究，充分了解地質性能和變化情況；為頂管推進提供詳實的依據，同時為觸變泥漿的制備提供真實地層力學和物理參數。

設計方面：在能夠確保隧道行車限界斷面的前提下，盡可能的優化斷面結構，減少盾構頂管的切削盲區，便于土壓控制。

有針對性對矩形盾構頂管機進行設計：

（1）泥漿套形成、保持及防泄漏設計：刀盤開挖直徑及前盾切口設置的輔助切刀高度不超過前切口外表面，在盾切口一定寬度范圍內設置一圈防漏帽檐，帽檐與徑向開挖面緊密接觸，防止觸變泥漿套前竄進入土倉。同時在泥漿套壓力控制上，降低前盾注入點壓力，提高泥漿注入的均勻性。

（2）頂管及管節密封設計：頂管鉸接密封及盾尾管節密封采用不同硬度的雙密封設計，在推進過程中，結構設計確保至少有一道密封可更換，防止密封損壞后泥漿套的缺失。

（3）盾體結構設計：頂管以剛度作為結構設計指標，確保矩形平面結構在外土壓力下變形或變形在允許范圍內，確保泥漿套的平滑和連續。

（4）壓力精確控制設計：壓力控制是基于傳感器能夠準確的采集真實的壓力，進而進行控制，如果采集的數據不真實，則控制系統會根據不真實的原始數據進行控制。頂管土倉內上下左右配置9個具有高靈敏度的壓力傳感器，能精確控制土倉壓力進行土壓管理，能滿足地表沉降控制在允許的范圍內。管節也采用性能可靠的傳感器進行全面的各點壓力控制。

（5）渣土改良設計：該項目地質以粉質粘土、粉細砂為主，結合這種地質特點設備配置了泡沫及膨潤土改良系統，可以在管路實現渣土改良方式的互換。泡沫系統一臺泵對應一個刀盤，每一路泡沫的流量和壓力都相對獨立，不會隨其他各路泡沫的流量和壓力的變化而變化，能夠較好的防止泡沫注入口的堵塞，最大限度的保證每個刀盤攪拌區域的渣土改良均勻，跑米系統能夠滿足手動、半自動、全自動的控制、施工過程：

（1）施工前通過地質、水文情況詳細計算好土壓，施工過程中嚴格控制土壓，防止施工過程中土壓控制出現“拉風箱”，破壞原狀地層，并根據地層檢測情況適時調整。

（2）在保證土倉壓力的情況下嚴格控制出渣量和推進速度，使兩者高度匹配，并及時的做好出渣量和推進距離的控制分析、總結，根據頂進距離嚴格控制出渣量，出渣量以90%-102%。

（3）觸變泥漿施工控制：按照設定的參數進行嚴格控制觸變泥漿的質量；根據注入的位置以及量的不同，分別計量核算觸變泥漿的注入量；確保觸變泥漿的壓力，并根據檢測情況調整注漿壓力。

（4）在遇到富水砂層等不良地層時，改用膨潤土、聚合物等進行針對性渣土改良，能有效的控制地層沉降。

（5）管節制作過程中確保外壁的光滑，能夠有效的減少推進阻力和“背土”現象，有效控制沉降。

（6）嚴格管線控制，避免蛇形糾偏。

在頂管施工過程中，如果隧道上部有管線，由于在頂管推進的過程中，地層中沒有穩定，處于泥漿下的平衡性長期受到擾動，因此在頂管推進的時候予以特別注意，在確保地面沉降的同時，還要做好一下注意事項：

（1）前期做好管線跳查，詳細了解管線的性質（雨水、污水、燃氣、電力、熱力、光纜、自來水、通訊等）是否帶壓（有壓、無壓區分對待）、埋深、材質（鋼、鑄鐵、混凝土、塑料凳）、接口形式（焊接、承插口、栓接等）、施工方法、施工時間、管道內流體的波動時間、周圍有無替換管線等。

（2）嚴格檢測管線的沉降，做好對應管線的沉降超現時應急預案。

2.6 超大矩形斷面盾構頂管施工姿態控制技術

由于矩形盾構頂管橫斷面尺寸增大，在同時可能存在開挖面各點壓力差別，調向糾偏的難度增大，或者超大斷面矩形盾構頂管在推進的過程中可能由于側向受力不均，或者地層不均勻導致矩形盾構頂管居轉或者姿態難以控制；特別是由于橫斷面尺寸大，頂管或管節發生滾轉偏差對隧道凈空位置的影響明顯，滾轉的糾偏也因橫斷面尺寸增大而變得困難，如何控制矩形盾構頂管姿態成為本工程重點、難點，施工過程采用如下措施：

嚴格按照要求對地層進行勘測，并在基坑開挖過程中對地層進行詳細統計、研究充分了解地質性能和變化情況。

頂管設計和管節設計開始就緊密結合，確保土木設計、設備設計初期就都充分考慮了矩形盾構頂管的方向控制問題。

矩形盾構頂管設計、制造方面針對性設計。

（1）盾構設計：對盾體設計的要求包括2個方面：調向的靈敏性和盾體穩定的向導作用。超大矩形盾構頂管前盾的長度設計得比較短，以便減少鉸點到刀盤的距離，使鉸接力能有效的傳遞到刀盤便于轉向。

（2）輔助調節糾偏系統設計：當發生滾轉偏差和尾盾中線偏差時，前盾的糾偏力已經不足，此時借助于盾體上的預留孔和糾偏泥漿注入系統，在需要的位置向地層注入糾偏泥漿，依靠泥漿對地層的壓力和地層微量的壓縮性進行糾偏。

（3）向導系統設計：采用激光向導系統，控制頂管推進5個方向自由度保證頂管的線路和位置關系進行精確的測量和顯示。

（4）刀盤轉動方向的調向糾偏輔助作用設計：頂管共設有6個刀盤，每個刀盤的轉動方向均可獨立控制，在需要時通過6個刀盤的同向轉動使頂管獲得某方向的反扭矩，大道輔助滾轉糾偏目的。

（5）提高設備的加工精度，并在設備設計制造中烤爐設備的幾何中心與重心盡可能重合，以方便矩形盾構頂管姿態控制和方向調節。

施工過程中勤糾偏、緩糾偏，糾偏控制在0.4%以內，頂管隧道中誤差控制在±30mm。

做好方向偏轉或者扭轉過大應急預案。

3 結束語

矩形盾構在城市下穿隧道應用在全國尚屬首次，將會對國內大城市主干道下穿隧道建設產生積極的示范效應和深遠影響，并將我國矩形盾構頂管施工的水平提升到國際領先水平。

參考文獻

[1]鄭州市下穿隧道工程實施性施工組織設計.