三車道超大斷面矩形頂管工程
——嘉興市下穿南湖大道隧道

劉龍衛， 薛發亭， 劉常利

(中鐵隧道集團一處有限公司， 重慶 401120)

1 工程意義

頂管法施工技術無論是在理論研究、設備研發，還是在施工過程控制和工藝水準等方面，均已相對成熟。目前，已建成的最大頂管隧道均為2車道(寬度10 m左右)。隨著城市的發展，2車道已無法滿足城市快速路、主干道交通功能，需向更大、更高斷面發展。嘉興下穿南湖大道矩形頂管隧道寬度從10 m級別提升到15 m，開創了頂管法施工3車道隧道的先河。

超大斷面矩形頂管的成功應用，有效解決了城市主干道—南湖大道封閉施工問題，確保嘉興南大門暢通，施工不封路、不斷流、不影響路面交通，施工過程環保、低噪音。為超大斷面矩形頂管、盾構等設備制造及應用提供了經驗，為解決后續節點施工“斷頭路”、下穿道路等提供了新方案，也為地鐵車站、地下空間開發等提供了新的設計思路，有助于將頂管法施工技術推廣到地下工程的各個領域。

2 工程概況

2.1 工程概況

嘉興市市區快速路環線工程(一期)土建3標位于浙江省嘉興市南湖區，線路全長2 079 m。其中，下穿南湖大道區段采用矩形頂管法施工，頂管斷面尺寸為14.8 m×9.426 m，頂管段落長100.5 m，兩側布置工作井，始發井位于南湖大道西側，到達井位于南湖大道東側，南北線結構凈距1.2 m，埋深5.68～6.54 m，坡度5‰下坡，先頂進北線，到達到達井后拆運至始發井二次始發頂進南線。頂管工程平面位置見圖1，橫斷面見圖2，工作井工程和頂管工程設計參數見表1和表2。

表1 工作井工程設計參數

表2 頂管工程設計參數

圖1 頂管工程平面位置圖

圖2 頂管段標準橫斷面圖 (單位： mm)

2.2 地質水文情況

2.2.1 地質情況

本工程地處長江三角洲沖湖積區域，區內第四系為一套河流沖積及河湖相、濱海相松散沉積物，總厚度可達190 m左右。頂管工程穿越的土層自上而下主要特性描述如下： ①3路基填土，成分雜，工程性質較差; ③淤泥質粉質黏土，流塑，具高壓縮性、高靈敏度、易觸變等特點，主要軟土層之一; ④1粉質黏土，硬可塑，中等壓縮性，干強度高，韌性高，物理力學性質較好; ④2砂質粉土，中密，中等壓縮性，物理力學性質較好; ⑥2粉砂，中密，中壓縮性，物理力學性質較好。

頂管穿越的土層主要為④1粉質黏土、④2砂質粉土，其地質縱斷面見圖3，地基土物理力學性質見表3。

圖3 地質縱斷面圖

表3 地基土物理力學性質

2.2.2 水文條件

擬建場地地下水類型主要為賦存于淺部地層的孔隙潛水及賦存于深層砂土層中的弱承壓水。

1)潛水穩定水位埋深為0.5～1.0 m。

2)承壓水： ④2層承壓水水位埋深為3.52 m，相應的標高為-1.27 m; ⑥2層承壓水水位埋深為4.20 m，相應的標高為-0.81 m。

2.3 工程特點及重難點

2.3.1 工程特點

1)大。斷面尺寸為14.8 m×9.426 m，斷面面積為123 m2。

2)重。主機質量約為770 t,單節管節質量為140 t。

3)淺。頂管隧道頂部埋深5.68～6.54 m，是跨徑的40%，屬超淺覆土施工。

4)小。小凈距隧道，左右線凈距1.2 m。

5)3車道。首次采用超大斷面矩形頂管施工3車道隧道。

2.3.2 工程重難點

1)淺埋、軟土富水地層超大斷面矩形頂管及附屬設備研究、制造。針對本工程超大斷面、超淺覆土、富水軟土等特點，頂管機設計、制造需在盾體強度、超大頂力、多刀盤組合開挖、土艙土壓平衡、三螺機出土、姿態控制等方面進行改進、創新。因此研究、制造滿足本工程施工的超大頂管設備是本工程的重點。另外，超大尺寸、大跨度管節及吊裝孔設計,以及管節水平運輸、垂直下井、翻身是本工程重難點。

2)超淺覆土、小凈距施工技術及地表、管線沉降控制技術。矩形頂管下穿城市主干道南湖大道，頂管頂部埋深5.68～6.54 m，屬超淺覆土掘進施工，頂管穿越地質條件差，地下水位穩定埋深0.5～1.0 m，施工安全風險高。隧道左右線凈距1.2 m，施工中減小左右線相互影響，特別是后頂進隧道對先行隧道的影響是本工程的重難點。

隧道頂部分布著6條市政管線，頂管斷面大，成拱效應差，土壓控制難度大，同時易產生背土效應，因此頂管施工如何控制下穿道路、管線沉降，確保掘進安全是本工程的重難點。

3)超大、超重、長距離頂進姿態控制及減阻技術。頂管主機質量為770 t，機頭重心靠前，且施工為5‰下坡頂進，在軟土地層易發生“栽頭”現象；矩形頂管偏載以及土壓不平衡等原因導致姿態控制難度大，影響隧道成型質量，姿態控制及糾偏難度大。另外，隨著頂進長度的增加，頂推力增大，施工中需做好減阻泥漿的配制及應用，以減小管節摩擦力、降低頂推力，確保在設備額定頂推力之內。

4)頂管安全始發、到達。頂管始發和到達段土體由上而下為含水豐富的①3雜填土、③淤泥質粉質黏土、④1粉質黏土、④2砂質粉土，地下水位高。頂管在始發、到達過程中可能發生漏滲水，甚至涌水、涌砂，造成水土流失，引起地面沉降變形過大，造成不良社會影響和經濟損失，因此頂管如何順利始發、安全到達是本工程的重難點。

3 頂管研究創新

本項目采用1臺多刀盤輻條式土壓平衡頂管，頂管尺寸14 820 mm×9 446 mm，總功率2 207.5 kW。刀盤轉矩2 005 kN·m(1組)+2 548 kN·m(1組)+1 238 kN·m(4組)+657 kN·m(2組)+486 kN·m(4組)+77 kN·m(2組)，前6后8多刀盤裝置，開挖率達到89%，攪拌率達到70%。刀盤最大轉速1.0～3.8 r/min，最大推進速度40 mm/min，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；配備良好的泡沫和膨潤土、觸變泥漿注入系統。頂管具體參數詳見表4，頂管實景見圖4。

表4 超大斷面類矩形土壓平衡頂管

(a) 正面圖 (b) 側面圖

3.1 多刀盤組合式開挖

采用前6后8多刀盤開挖系統，開挖率達到89%，攪拌率達到70%，渣土流動攪拌充分，同時能夠實現掌子面的穩定支撐，多刀盤能夠實現轉速轉向協調控制，實現姿態糾偏以及高效出渣。

在多刀盤及盾體切刀的基礎上，采用水切削及風鉆等處理方式，能達到盲區全斷面切削。刀盤開挖及攪拌示意圖見圖5。

(a) 開挖 (b) 攪拌

3.2 減阻泥漿自動補償系統

盾體采用自動減摩系統設計，在前盾及尾盾共設置56個注漿減摩孔，利用上位機及自動球閥控制，通過設置固定的間隔時間、停止壓力或不同的注入模式，來實現減摩泥漿的自動注入，實現同步注漿自動控制。 泥漿自動補償系統及實景圖見圖6。

(a) 泥漿自動補償界面 (b) 泥漿系統實景

3.3 三螺機出渣系統

優化單個螺機設計，采用三螺機出渣系統，能夠滿足大跨度斷面出渣，采用收渣設計能夠提高出渣效率，同時還能夠實現輔助糾偏的功能，通過3個螺機協調控制出土量，減小土艙壓力波動。三螺機實景及示意圖見圖7。

(a) 實景 (b) 示意圖

3.4 高效翻身及快速定位

翻身工序采用管節與垂直吊具整體吊裝翻轉的方式，采用重心偏心設計，保證翻轉過程中的高效與安全。下井利用龍門吊限位裝置及紅外感應確保快速、精準定位，管節翻身示意圖如圖8所示。

(a) 側面圖 (b) 正面圖

4 施工關鍵技術研究

4.1 淺覆土、小凈距及沉降控制施工技術

頂管隧道頂部埋深5.68～6.54 m，是跨徑的40%。軟土地層超淺覆土施工易發生地表、管線沉降，影響道路行車安全及地下管線安全。隧道左右線凈距1.2 m，施工中需減小相互影響，控制整體位移。

4.1.1 三螺機雙閘門出渣系統動態調整控制技術

1)采用三螺機設計，通過控制螺機出土量、出土部位，減小土艙壓力波動；同時通過控制各個刀盤轉速及轉向，動態調整土艙壓力；另外，加強渣土管理，嚴格控制出土量，形成正常的土壓平衡。螺旋輸送機采用雙閘門，控制噴涌。

2)根據地表沉降數據及時修正膨脹系數，控制出土量，同時根據類似地層的頂管施工經驗，利用泡沫、膨潤土等進行渣土改良，并試驗確定合適的配合比。

4.1.2 洞門止退及拱背打土輔助施工技術

1)止退裝置使用。根據現場實測，每次拼裝管節主頂油缸回縮后，管節回退20～30 cm。當頂管和管節往后退時，機頭和前方土體間的土壓平衡受到破壞，掌子面得不到穩定支撐，易引起土體坍塌、地表沉降。為了防止管節后退，在洞門兩側各安裝 1 套止退裝置，當拼裝管節時，將管節吊裝孔、止退立柱通過鐵銷連接，防止管節回退。同時，為減少管節的后退力，在止退前應將正面土壓力釋放到0.09 MPa左右(頂管中心埋深約10 m)。

2)拱背打土沉降控制措施。利用高壓打土泵在拱頂沉降區域補充打土，將超挖、塌陷等土層補充回填，使已沉降地表回升。打土量及打土泵壓力根據地表沉降數據、范圍及監控量測數據確定。

4.1.3 減小拱頂背土及糾偏影響

超大斷面矩形頂管因矩形斷面特點，隨著推進長度的加大，黏附土體增多，造成頂管推進困難，同時地層發生較大的壟沉，即“背土”效應，其影響范圍如圖9所示。

D0為隧道高度; H為隧道埋深; h1為背土影響高度; φ為土體內摩擦角; B為隧道寬度; 2a1為總影響寬度。

為防止拱頂背土現象造成地表沉降過大，在頂管周圍注入觸變泥漿，形成良好的泥漿套，以減小頂管與地層之間的摩阻力；同時，頂管設計制造時，在頂管切口環處增加帽檐結構，在帽檐結構內和鉸接處預留觸變泥漿孔。

頂進施工中針對實際情況采取“勤測勤糾”、“小角度糾偏”等糾偏措施，糾偏不能大起大落。產生較大偏差時，糾偏系統以適當的曲率半徑逐步調整到軸線上來，盡量避免猛糾造成相鄰2段形成大的夾角。

4.1.4 小凈距隧道施工措施

本頂管隧道左右線凈距1.2 m，為減小后行隧道對前行隧道的影響，先行隧道貫通后采用預留螺栓全部剛性連接，形成整體；其次，水泥漿液置換觸變泥漿，同時持續加壓注漿加固土體，使隧道整體與周邊土體固結密實。中間土體經加固后，抗剪強度增大。通過監測數據顯示，經上述處理后，后續頂管施工對先行隧道及中間土體基本無影響。

4.2 富水軟土地層長距離頂進減阻泥漿及自動補償技術

軟土地層受地質、頂管質量等影響，頂推阻力增加較大，在施工過程中，通過同步注減阻泥漿，在頂管和隧道周圍形成泥漿套是頂管隧道主要減阻技術措施。

4.2.1 減阻護壁泥漿材料比選

根據試驗，對目前常用3種膨潤土原材料進行比選： 復合型納基膨潤土、復合型鈣基膨潤土、復合型普通膨潤土，具體見圖10。通過對比3種膨潤土，初步判定復合型納基膨潤土呈黏稠狀，感官質量較好。

(a) 復合型納基膨潤土 (b) 復合型鈣基膨潤土 (c) 復合型普通膨潤土

4.2.2 減摩泥漿配合比試驗及性能指標研究

為了確定何種膨潤土最適合本項目頂管工程，對目前常用3種膨潤土進行配合比試驗，試驗摻量分別為：2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%、16%，測定不同摻量下的黏度值，以及各自的失水量和析水率，具體變化規律如圖11所示。

(a) 復合型納基膨潤土 (b) 復合型鈣基膨潤土 (c) 復合型普通膨潤土

結合類似工程的施工經驗，初步設定泥漿試驗標準： 泥漿黏度>60 s、析水率<0.3%、失水量<15 cm3/30 min。由圖11可以得出，復合型納基膨潤土摻量在10%時，可以滿足標準要求；復合型鈣基膨潤土摻量在12%時，可以滿足標準要求；復合型普通膨潤土摻量在15%時，可以滿足標準要求。綜合經濟、產量等多方面因素考慮，最終采用復合型納基膨潤土。

4.2.3 泥漿自動補償技術應用

人工壓注減阻漿液具有隨意性和盲目性，注漿壓力、注漿時間、間隔時間均不能得到準確控制，效果不甚理想。泥漿自動控制系統通過設置注漿壓力、注漿時間、注漿間隔等參數后，利用上位機及自動球閥控制系統，從而達到自動控制注入泥漿的目的，能有效確保減阻效果。

通過對頂管第14～17環泥漿注入和停止時間與頂推力進行數據統計，如圖12和圖13所示，得到變化曲線關系，并進一步分析注漿時間、間隔時間。

圖12 頂推力隨注漿時間變化規律

圖13 頂推力隨注漿停止時間變化規律

由圖12可以看出： 頂推力隨著注漿時間的增加而減小，第14環在注漿時間達到80 s時，第15環在注漿時間達到100 s時，第16、17環在注漿時間達到120 s時，頂推力下降緩慢、趨于穩定。故設定泥漿注漿時間取上述4環平均時間105 s。

由圖13可以看出: 當第14環停止注漿30 s后、第15環停止注漿35 s后、第16環停止注漿30 s后、第17環停止注漿35 s后，頂推力隨著停止時間快速上升，幅度較大，因此設定注漿間隔時間取上述4環平均間隔時間為33 s。

因底部土壓最大，根據土壓傳感器數據，設定注漿壓力停止值為0.3 MPa。

根據上述數據分析，最終得出減摩泥漿注入的時間、間隔時間及停止注入的壓力，將上述參數輸入自動注漿系統，得到自動注漿界面參數，如圖14所示。

圖14 自動注漿界面參數設定

4.3 超大、超重、長距離頂進姿態控制技術

4.3.1 頂管雙線姿態控制情況

1)頂管北線姿態控制情況。頂管段設計線路為5‰的直線下坡，北線頂進姿態如圖15所示，頂管管節掘進至第7環(進洞11 m，前盾出加固區1.5 m位置)，頂管“栽頭”現象逐漸明顯，垂直姿態由-30 mm，推進至24環時垂直姿態已達到-92.9 mm。通過措施糾偏，推進至第53環，頂管設計值與實際值保持統一，完成糾偏。

圖15 頂管北線垂直姿態設計與實際對比圖

2)頂管南線姿態控制情況。根據頂管北線施工經驗，為確保頂管姿態，頂管在出加固區前進行提前調向，確保頂管姿態始終比設計線路高出10～20 mm。由于地層較軟，第28～45環也發生頂管整體下沉現象，通過“勤糾微糾”以及其他糾偏措施，姿態偏差始終保持在30 mm之內，南線頂管垂直姿態設計與實際對比如圖16所示。

圖16 頂管南線垂直姿態設計與實際對比圖

4.3.2 姿態偏差原因分析

1)頂管隧道斷面為矩形，頂管長度較短(7.2 m)且質量較大(770 t)，頂管前盾(含刀盤)質量約440 t,盾體重心靠前，且與管節為軟連接，頂管掘進施工過程中，極易出現頂管“載頭”。

2)頂管隧道斷面大，掌子面地層上下地質及水壓力差異大，施工過程中易出現土艙各點壓力不均且不連續，導致土艙左、右側或上、下側壓力不平衡，造成頂管隧道軸線偏差。

3)頂管隧道一次性頂進距離長，隨著頂進距離增加，頂管隧道柔性也增加，在掘進過程中極易出現擺動。

4.3.3 姿態偏差的解決措施

1)鉸接糾偏。在超大斷面類矩形頂管施工過程中，鉸接糾偏是最直接、最有效的姿態控制方法之一。鉸接油缸位置的放置需考慮調向的靈敏性和盾體穩定的導向作用方面要求。超大矩形頂管前盾的長度較短，使鉸接力能夠有效地傳遞到刀盤，便于轉向。正常掘進時，鉸接油缸全部收回，以防頂管姿態發生偏差。當頂管姿態發生偏差時，將發生偏差側的鉸接油缸進行伸長，以調整頂管姿態。同時，將相應側的用于與頂管和管片連接的拉桿松動，以利于頂管姿態的調整。

頂管南線和北線鉸接油缸偏差與機頭垂直姿態關系如圖17和圖18所示。機頭在發生“栽頭”后，立即調整糾偏油缸，下部油缸伸出長，上部伸出短，上下偏差按2 cm/節速率遞增，最終在鉸接底部油缸比頂部油缸伸長量大15 cm時，姿態調整為向上的趨勢。因軟土地層，正常段鉸接偏差控制在6 cm，可以保證頂管按設計縱坡推進。

圖17 頂管北線鉸接油缸偏差與機頭垂直姿態關系對比圖

圖18 頂管南線鉸接油缸偏差與機頭垂直姿態關系對比圖

2)打泥糾偏。當頂管發生中線偏差或滾轉、鉸接糾偏能力不足時，可借助于盾體及管節上預留的打泥注入系統，在需要的位置向地層注入黏土，調整頂管周圍的地層壓力，依靠地層壓力的偏差和地層的微量壓縮性進行糾偏。如圖19所示，當頂管出現“栽頭”現象時，通過在底部注入黏土緩慢對頂管進行抬升。黏土一般采用地層改良后的黏土攪拌膨潤土使之剛好具備流動性和一定黏度，注入后不易壓實，過程中不間斷注入，緩慢抬升頂管。由于頂管為類矩形頂管，當發生扭轉，通過旋轉刀盤、出渣調整效果不明顯時，采用打泥糾偏較為有效。當頂管發生順時針扭轉時，通過向頂管盾殼對應位置打泥，且保證注入一定量的泥土，可達到糾偏目的。

圖19 打泥糾偏

4.4 頂管安全始發、到達關鍵技術

4.4.1 坑內外輔助降水措施

始發井內布置3口混合井，坑外布置4口混合井；到達井內布置3口混合井，坑外布置4口混合井；混合井兼觀察井，具有降水和觀測功能，井深均為36 m，井直徑550 mm，井管直徑273 mm。工作井四邊各布置1個水位觀測孔，孔深26 m。坑內降水井基坑開挖前15 d開始降水，底板施工時封閉；坑外降水井在頂管機掘進前15 d開始降水，保證頂進安全。始發到達降水井平面布置如圖20所示。

圖20 始發到達輔助降水井平面布置 (單位： m)

4.4.2 短套箱+雙層簾布洞門密封技術

洞門密封采用30 cm長短套箱及雙層橡膠簾布+雙層壓板，為防止泥漿從洞門雙層壓板間空隙流出，在短套箱上預埋注漿管，通過注盾尾油脂或濃泥漿，起到洞門密封作用。洞門密封如圖21所示。

(a) 大樣圖 (b) 實景圖

4.4.3 洞門分層鑿除措施

整個洞門分成12個區域，洞門鑿除采用人工手持風鎬分區、分層、分塊逐步鑿除，鑿除順序為①—②—③—④—⑤—⑥，具體見圖22(a)。洞門鋼環支撐及腳手架平臺，見圖22(b)。鑿除施工順序為： 破除始發井洞門地連墻內側混凝土保護層—割除地連墻井內側鋼筋—破除地連墻800 mm厚水下C30混凝土(先上后下)—割除地連墻井外側鋼筋(刀盤推至洞口)—拆除腳手架，清理場地。

(a) 鑿除順序 (b) 洞門鋼環支撐及腳手架平臺

在類矩形頂管確定始發推進前(刀盤推至距洞門密封裝置約600 mm左右)，檢查洞門凈空尺寸，確保不得有殘留的鋼筋侵入洞門凈空。在確保頂管能正常推進后，及時將頂管刀盤頂上掌子面，防止掌子面垮塌。

5 工程主要技術創新

1)軟弱沉積層淺埋3車道超大斷面矩形頂管施工工法。通過本項目成功實施，針對3車道15 m級斷面矩形頂管，形成一整套完善的施工技術及施工工法，填補國內外在該方面施工技術和理論計算的空白。

2)超大斷面矩形頂管及附屬設備的設計、制造。針對本工程超大斷面、超淺覆土、富水軟土等特點，頂管在盾體強度、超大頂力、多刀盤組合開挖、土倉土壓平衡、三螺機出土、姿態控制、管節翻身定位等方面進行改進、創新。

3)通過三螺機雙閘門出渣系統順利應用，洞門止退及拱背打土輔助措施，防止拱頂背土及勤測勤糾，以及小凈距隧道順利實施，總結出超淺覆土、小凈距施工技術及地表、管線沉降控制施工技術。

4)富水軟土地層長距離頂進減阻泥漿及自動補償技術。采用自動減摩系統設計，在前盾及尾盾設置56個注漿減摩孔，每節管節設置16或18個注漿減摩孔，利用上位機及自動球閥控制，通過設置固定的間隔時間或不同的注入模式，實現同步注漿自動控制，確保注漿質量。

5)富水軟土地層超大、超重、長距離頂進姿態控制技術。頂管主機質量為770 t，機頭重心靠前，且施工為5‰下坡頂進，在軟土地層易發生“栽頭”現象，在北線隧道頂進中，最大“栽頭”達-92.9 mm。通過鉸接糾偏、打泥糾偏、出渣糾偏、頂進油缸糾偏等組合控制技術達到姿態糾偏目的，特別對鉸接糾偏時鉸接油缸行程差大小與姿態偏差的關系進行研究和總結。

6 工期及獲得榮譽

6.1 工程工期

北線隧道于2020年6月28日始發，2020年8月18日到達。

南線隧道于2020年9月20日始發，2020年10月21日到達。

6.2 獲得榮譽

發明專利1項，實用新型專利5項。

7 工程參建單位

建設單位： 嘉興市快速路建設發展有限公司

勘察、設計單位： 上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司

施工單位： 中鐵隧道局集團有限公司

監理單位： 上海同濟市政公路工程咨詢有限公司