大斷面矩形頂管穿越上軟下硬地層施工關(guān)鍵技術(shù)

張國(guó)林 吳禎 陳云強(qiáng)

摘?要：大斷面矩形頂管穿越上部為粉土、粉質(zhì)黏土、底部為中風(fēng)化泥巖的上軟下硬地層，使得頂管施工復(fù)雜性，且對(duì)設(shè)備要求極高;對(duì)此，要求廣大技術(shù)員務(wù)必要把握各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，確保大斷面的矩形頂管施工得以順利完成。大斷面矩形頂管穿越上軟下硬施工關(guān)鍵技術(shù)研究運(yùn)用各種學(xué)科方法、基礎(chǔ)理論及實(shí)踐成果，確保本次課題研究的客觀性及精準(zhǔn)性，同時(shí)，希望可以為后續(xù)更多技術(shù)專(zhuān)家和學(xué)者對(duì)此類(lèi)課題的實(shí)踐研究提供有價(jià)值的指導(dǎo)或者參考。

關(guān)鍵詞：矩形頂管;大斷面;上軟下硬地層;泥巖施工;關(guān)鍵技術(shù)

在粉土、粉質(zhì)黏土、中風(fēng)化泥巖上軟下硬地層中開(kāi)展大斷面陡坡度的矩形頂管施工作業(yè)，專(zhuān)業(yè)性很強(qiáng)，涉及的關(guān)鍵性技術(shù)多，復(fù)雜性較為突出。需在施工前對(duì)頂管機(jī)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，減小設(shè)備本身的缺陷，更加適應(yīng)上軟下硬地層的施工;同時(shí)，對(duì)中風(fēng)化泥巖進(jìn)行預(yù)處理，減小在頂管施工過(guò)程中的阻力。因而，綜合分析大斷面的矩形頂管處穿越上軟下硬的施工作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)，有著一定的現(xiàn)實(shí)意義和價(jià)值。

1?工況

韶光站位于長(zhǎng)沙市芙蓉區(qū)人民東路和規(guī)劃韶光路的十字交叉路口，車(chē)站沿者人民東路，并向著東西方向敷設(shè);3#、4#出入口位于韶光站的北側(cè)，人行通道頂管下穿人民東路。3#出入口處人行通道長(zhǎng)度為54.8m，坡度為2.5%，5.147m～8.219m覆土;4#出入口處人行通道長(zhǎng)度為49.95m，坡度為2.5%，4.513m～6.705m覆土。頂管管節(jié)寬度是7.5m、高是5.4m、壁厚是0.5m。3#、4#出入口的頂管地層由上向下依次為瀝青路面、素填土、粉質(zhì)黏土、粉土、圓礫、中風(fēng)化泥巖;隧道洞身穿越的地層主要是粉質(zhì)黏土、粉土、圓礫、中風(fēng)化泥巖。3#、4#出入口人行通道頂管地質(zhì)剖面圖，詳見(jiàn)下圖。

3#、4#出入口人行通道頂管地質(zhì)剖面圖

2?技術(shù)工藝

2.1?測(cè)量和測(cè)點(diǎn)埋設(shè)節(jié)點(diǎn)

結(jié)合施工圖，復(fù)測(cè)業(yè)主交樁點(diǎn)，實(shí)施平面布置放樣作業(yè)，建立測(cè)量控制望、埋設(shè)建筑物、各個(gè)管線監(jiān)測(cè)點(diǎn)等;完成前期測(cè)量工作，為頂管的始發(fā)奠定基礎(chǔ)。頂管調(diào)試、始發(fā)前，校核洞門(mén)環(huán)精度和始發(fā)導(dǎo)軌標(biāo)高、反力架安裝角度等;需依照著監(jiān)測(cè)方案各項(xiàng)表，將頂管段部位監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)好，實(shí)施初始值采集[1]。

2.2?井下準(zhǔn)備工作節(jié)點(diǎn)

一是，安裝始發(fā)導(dǎo)軌。結(jié)合隧道設(shè)計(jì)軸線、頂管掘進(jìn)軸線安裝始發(fā)導(dǎo)軌，將始發(fā)導(dǎo)軌所在具體高度、位置計(jì)算出來(lái)。始發(fā)導(dǎo)軌尺寸為6.25m×1.4m×1.1m（長(zhǎng)×寬×高），橫向鋼筋采用C25@185、縱向鋼筋采用C16@200、箍筋采用C16@200布置，混凝土采用C40、P8混凝土澆筑。控制始發(fā)導(dǎo)軌高程和頂進(jìn)軸線平行，導(dǎo)軌高程實(shí)際偏差應(yīng)當(dāng)在3mm范圍內(nèi)，導(dǎo)軌中心位置水平位移應(yīng)當(dāng)在3mm以上。

二是，后靠墻的澆筑。頂管機(jī)主頂油缸反力架與附屬結(jié)構(gòu)墻之間存在空隙，需要在頂管機(jī)下井前，澆筑后靠墻。后靠墻尺寸約為9m×5.8m（長(zhǎng)×寬），厚度為1m。橫向鋼筋采用C16@300、縱向鋼筋采用C25@200布置，混凝土采用C40、P8混凝土澆筑。提供頂管機(jī)頂進(jìn)時(shí)所需的反力，因此后靠墻須具有足夠的剛度和強(qiáng)度。

三是，洞門(mén)簾布安裝。為了防止始發(fā)頂進(jìn)時(shí)泥土、地下水從矩形頂管機(jī)殼體和洞門(mén)的間隙處流失，以及頂管掘進(jìn)機(jī)尾部通過(guò)洞門(mén)后觸變泥漿漿液的流失，在始發(fā)時(shí)需安裝洞門(mén)密封裝置，洞口密封采用折葉式密封壓板+簾布橡膠板。

2.3?大斷面頂管機(jī)安裝調(diào)試節(jié)點(diǎn)

頂管機(jī)下井組裝順序：（始發(fā)臺(tái)定位安裝）→前盾（下）→尾盾（下）→螺旋輸送機(jī)→前盾（上）→尾盾（上）→刀盤(pán)→反力架→頂進(jìn)油缸→連接各種管路→準(zhǔn)備調(diào)試→試頂進(jìn)。頂管機(jī)下井吊裝期間，需保證緩慢、平穩(wěn)，防止受碰撞與沖擊。

在調(diào)試前組裝頂管機(jī)，連接油管。組裝和連接完畢后，即可進(jìn)行液壓系統(tǒng)，潤(rùn)滑系統(tǒng)，配電系統(tǒng)，注漿系統(tǒng)，以及各種儀表的空載調(diào)試，空載調(diào)試的目的主要是檢查設(shè)備是否能正常運(yùn)轉(zhuǎn)[3]。

2.4?大斷面矩形頂管施工節(jié)點(diǎn)

一是，頂管始發(fā)。在頂管始發(fā)過(guò)程中應(yīng)考慮到它的安全性和可靠性，保證始發(fā)安全，止水效果很好，沉降量可控，頂管機(jī)姿態(tài)正常。頂進(jìn)機(jī)頭進(jìn)入加固區(qū)初始頂進(jìn)速度應(yīng)放慢。頂管機(jī)進(jìn)入原狀土后，為防止機(jī)頭“磕頭”，宜適當(dāng)提高頂進(jìn)速度，使正面土壓力稍大于理論計(jì)算值，以減少對(duì)正面土體的擾動(dòng)及出現(xiàn)地面沉降。頂管機(jī)徹底進(jìn)入洞門(mén)后，需檢查洞口止水裝置是否有損壞，如有損壞應(yīng)立即整修，確保泥水、漿液的不外漏。

二是，大斷面矩形頂管參數(shù)的設(shè)置。本工程采用土壓平衡式頂管機(jī)，利用壓力倉(cāng)內(nèi)的土壓力來(lái)平衡開(kāi)挖面的土體，達(dá)到對(duì)頂管正前方開(kāi)挖面土體支護(hù)的目的，并控制好地面沉降。因此平衡土壓力的設(shè)定是頂進(jìn)施工的關(guān)鍵，土壓力采用Rankine壓力理論進(jìn)行計(jì)算。

大斷面矩形頂管施工土壓力為理論計(jì)算值，只能作為頂進(jìn)土壓力的最初設(shè)定值，隨著頂進(jìn)的不斷進(jìn)行，土壓力值應(yīng)根據(jù)其他實(shí)際頂進(jìn)參數(shù)、地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作相應(yīng)的調(diào)整。

三是，頂進(jìn)速度控制。為保持土倉(cāng)壓力的穩(wěn)定，頂進(jìn)速度必須與螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速相符合，同時(shí)必須兼顧注漿，確保觸變泥漿能均勻填實(shí)管節(jié)與地層的空隙，起到潤(rùn)滑作用，根據(jù)施工的實(shí)際情況確定并調(diào)整頂進(jìn)速度控制頂進(jìn)油缸的推力。初始階段不宜過(guò)快，一般控制在5～10mm/min左右，正常施工階段可控制在10～20mm/min左右。

四是，頂進(jìn)姿態(tài)控制。頂管機(jī)采用直線型導(dǎo)向系統(tǒng)。在始發(fā)井處設(shè)置激光經(jīng)緯儀，在設(shè)備側(cè)設(shè)置導(dǎo)向靶，利用激光經(jīng)緯儀在導(dǎo)向靶上的光斑位置判斷當(dāng)前土壓平衡頂管機(jī)的姿態(tài)。同時(shí)在機(jī)內(nèi)設(shè)置雙軸傾角傳感器，可以精確監(jiān)控土壓平衡頂管機(jī)的俯仰和滾動(dòng)變化。兩種措施相輔相成為頂管頂進(jìn)姿態(tài)提供依據(jù)。

2.5?觸變泥漿式減阻節(jié)點(diǎn)和泥漿置換作業(yè)

一是，觸變泥漿式減阻節(jié)點(diǎn)。因施工現(xiàn)場(chǎng)處于復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境中，為將頂進(jìn)的阻力減少，管節(jié)在頂進(jìn)操作期間，需運(yùn)用觸變泥漿來(lái)實(shí)現(xiàn)減阻，所壓入泥漿于管壁外部形成相應(yīng)泥漿套，形成潤(rùn)滑狀態(tài)，可減少管節(jié)外壁周邊的摩阻力，起到潤(rùn)滑作用;同時(shí)也能填充管節(jié)外壁與土體之間的間隙，防止地面出現(xiàn)沉降。

二是，泥漿置換作業(yè)節(jié)點(diǎn)。一個(gè)頂段完成后，為防止后期地面出現(xiàn)沉降，需要對(duì)管節(jié)外壁進(jìn)行注水泥漿液，把原注入的膨潤(rùn)土泥漿置換出來(lái)。漿液壓注從管節(jié)底部入手，依照著管節(jié)順序依次奇數(shù)節(jié)壓注，之后從頂管通道尾部數(shù)節(jié)往前壓注。底部壓注完成后，按如上順序壓注管節(jié)中部，最后是管節(jié)頂部，循環(huán)直到完成。

2.6?頂管在上軟下硬地層中作業(yè)

一是在頂進(jìn)前，對(duì)中風(fēng)化泥砂巖層進(jìn)行預(yù)處理，提前采用履帶式鉆機(jī)鉆孔的方式對(duì)侵入頂管通道的中風(fēng)化泥砂巖全部進(jìn)行預(yù)處理，鉆孔直徑120mm。履帶式鉆機(jī)把中風(fēng)化泥巖的巖層面打透，然后往水平鉆孔里面填充膨潤(rùn)土，浸泡中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，減小頂管頂進(jìn)時(shí)的頂力。

二是從刀盤(pán)主軸孔壓注泥漿和增稠劑，以增加土體和易性和平衡土體的壓力，保持砂層開(kāi)挖面穩(wěn)定;減慢頂進(jìn)速度，使中風(fēng)化泥巖與泥漿充分?jǐn)嚢杈鶆?在頂進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)該隨時(shí)注意開(kāi)挖面前端的土壓力情況，保證使開(kāi)挖面前端不發(fā)生坍塌。

3?結(jié)語(yǔ)

從總體上來(lái)說(shuō)，大斷面的矩形頂管穿越上軟下硬的施工關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，主要是以測(cè)量和測(cè)點(diǎn)埋設(shè)、井下準(zhǔn)備工作、大斷面矩形頂管機(jī)安裝調(diào)試、大斷面矩形頂管施工、觸變泥漿式減阻節(jié)點(diǎn)和泥漿置換作業(yè)、頂管在上軟下硬地層中作業(yè)等為主，需廣大施工技術(shù)人員能夠有效把握這些技術(shù)，注重各項(xiàng)技術(shù)的有效應(yīng)用，以確保項(xiàng)目的順利完工。

參考文獻(xiàn)：

[1]魏慶溫.盾構(gòu)穿越上軟下硬地層施工關(guān)鍵技術(shù)研究[J].中文科技期刊數(shù)據(jù)庫(kù)（全文版）工程技術(shù)，2016，08（26）：00253.

[2]趙先鵬.穿越上軟下硬地層盾構(gòu)隧道施工控制技術(shù)研究[D].西南交通大學(xué)，2012.

[3]楊寶.盾構(gòu)穿越上軟下硬及硬巖段施工技術(shù)分析[J].城市道橋與防洪，2018（4）：157158.

作者簡(jiǎn)介：張國(guó)林（1990—?），男，漢族，河南鄭州人，本科，工程師，研究方向：機(jī)械工程及自動(dòng)化。