矩形盾構頂管下穿市政設施施工技術

李尚輝

(深圳市地鐵集團有限公司,廣東 深圳 518000)

1 概述

隨著我國城鎮化速度的不斷加快,城市地下空間得到了有效的利用[1],在我國,頂管隧道主要應用于軟土地層條件小直徑隧道施工,由于沿海城市地層含水量豐富,淤泥質軟土層發育較好,因此頂管施工技術在沿海城市中得到廣泛應用。目前一線隧道施工主要以經驗法和施工規范為主[2-7],缺乏對頂管隧道行進狀態下施工參數的具體分析。為研究矩形截面頂管隧道建設過程中各項施工參數變化規律,為實際工程提供有效參考。本文依托深圳地鐵10號線某主干道下穿矩形盾構頂管隧道進行施工技術總結,對隧道頂進過程中各項施工參數進行理論分析,以期為同類工程提供有效借鑒。

2 工程概況

深圳地鐵10號線某車站位于深圳市主干道,交通量巨大,周邊分布有市政工程相關管線,橫跨出入口通道上方分布有電力管廊、電信等重要管線,上覆土層為淤泥質土及人工填土,土體性質軟弱,埋深約0.91 m～2.63 m。因遷改困難大,故出入口下穿道路采用頂管施工法進行施工,管線位置截面示意圖如圖1所示。

3 矩形盾構頂管機選型

該隧道開挖采用土壓平衡式矩形頂管機施工,其截面尺寸為6 900 mm×4 200 mm,頂管機機頭處含有1個大刀盤和4個小刀盤,大刀盤直徑4 220 mm、小刀盤直徑2 100 mm,刀盤前后錯開布置,大刀盤前置,小刀盤后置。大刀盤采用6臺30 kW電動機驅動,電機轉速1 470 r/min,刀盤轉速0 r/min～1 r/min,刀盤最大扭矩1 700 kN·m;小刀盤采用2臺30 kW電動機驅動,電機轉速1 470 r/min,刀盤轉速0 r/min～1.76 r/min,單個刀盤最大扭矩290 kN·m。

4 矩形盾構頂管機施工分析

4.1 初始段始發井施工

當隧道洞口位置處支護結構拆除后,即可開始操作頂管機掘進。受初始開挖段洞室結構影響,刀盤容易受損,此時應降低掘進速度保障施工安全。

因始發洞門預埋鋼環和機殼間存在15 cm的間隙,且簾布橡膠板等防水結構,隧道掘進過程中容易發生水土流失,山體滑坡等現象,為防止該類事件發生,應沿隧道外表面向土體內部打錨桿,灌注混凝土等措施增強地層穩定性。始發井處頂進施工時需注意的要點如下:頂進開門時,用鑿巖機破壞鋼筋混凝土墻,破壞時應保證洞周完整性,提高隧道圍巖穩定性;在洞內側,先施工鋼筋混凝土墻(結構側墻),預先埋設鋼桶、鋼法蘭等構件保證洞口止水功能良好。

對于出洞段有承壓水影響的情況,除了采取洞口加固措施以外,還要認真做好深井降水,頂管始發過程見圖2。

4.2 頂管受力分析

1)頂推力計算。

通道頂管段頂力計算,頂管段長64.5 m計算,管頂覆土取6.0 m,則有:

F=F0+f0L。

其中，F為隧道截面所受總推力，kN；F0為初始頂進時隧道截面所受頂推力，kN；f0為單位長度管節與土體之間的綜合摩擦阻力，kN/m。

初始推力計算公式:F0=S×(P0+Pw)。

其中，S為機頭截面積,m2；P0為機頭底部以上1/3高度處的靜止土壓力,kN/m2,P0=K0γ(H+2H1/3)，γ為土的容重,取20 kN/m3；H為管頂土層厚度,取6.0 m；H1為掘進機高度,取4.2 m；φ為土的內摩擦角,取28°；K0為砂性土中取0.25～0.33 之間,在黏土中可取0.33～0.7之間；Pw為地下水壓力。地下水壓力計算水頭高度起算點為地面。

F0=S×(P0+Pw)=6.9×4.2×[0.33×20×(6.0+2×4.2/3)+1×10×(6.0+2×4.2/3)]=4 233.4 kN。

管外摩阻系數:

f0=RS+Wf。

其中，R為綜合摩擦阻力，取8 kPa；S為管外周長,得S=(a+b)×2=(4.2+6.9)×2=22.2 m；W為每米管節的重力，239 kN/m；f為管節重力在土中的摩擦系數,調研相關文獻[8]發現,當管土摩擦為流體摩擦(含潤滑劑)時,摩擦系數取值范圍為0.1～0.3,且頂管施工時注漿作用可使阻力減少30%～50%?？紤]注漿影響,本案例中取中間值0.2。

得:f0=8×22.2+239×0.2=225.4 kN/m。

總推力：F=4 233.4+225.4×64.5=18 771.7 kN。

由以上結論可知:該工況下頂管隧道初始頂進時隧道截面所受頂推力為4 233.4 kN,總推力為18 771.7 kN,該結論可為同類型工程提供相應指導。

2)管材受力分析。

a.管節壁厚450 mm,管節外圍尺寸6 900 mm×4 200 mm,根據施工組織設計,管節軸向推力安全系數設置為0.391。

b.C50鋼筋混凝土抗壓強度設計值23.1 N/mm2。

c.管節受力面積為:

受力面積S=6.9×4.2-6.0×3.3=9.18 m2。

d.管節軸向允許推力:

23.1 N/mm2×9.18×106mm2×0.391=82 915 kN。

3)后座反力計算。

參考相關文獻[9]可知,隧道始發井位置處后座支反力R采用下式計算:

R=α·B·

其中，R為總推力之反力,kN;α為系數,取α=2.5;B為后座墻的寬度,8 m;γ為土的容重,20 kN/m3;H為后座墻的高度,4.7 m;Kp為被動土壓系數,Kp=tan2(45°+φ/2);c為土的內聚力,取0 kPa;h為地面到后座墻頂部土體的高度,平均取6.7 m；φ為填土內摩擦角,取28°。

將以上數據代入公式:

Kp=tan2(45°+φ/2)=tan2(45°+28°/2)=2.78，

由上式可知,初始段后座支反力R值低于管節軸向允許推力,隧道結構安全。

4.3 地面沉降控制

頂管頂進施工中產生的地層損失對地層穩定性產生重要影響,并由此易產生塌方,山體滑坡等工程災害。由此需對頂管截面布置測量監測點保證施工安全,頂管橫斷面測點布置要求如下:

1)頂管通道位于既有建筑物、地下管線的正下方,因此頂管施工需對既有結構物、地面沉降、地下管線變形及頂管通道水平位移和沉降進行監測。2)頂管施工前,施工監測應建立完善的監測網,測定其穩定的初始值,且應該不小于3次。3)量測過程中必須采取有效措施,保證量測數據的及時性、準確性和連續性。4)施工監測隨頂進施工的進程連續進行,當出現掘進參數異常、地面及管線沉降變形變化較快時應加大量測頻率。5)施工前應做好既有結構物、路面和地下管線的調查和記錄工作,必要時進行現場拍攝。

4.4 注漿漿液安全控制

頂管隧道行進過程中,管壁注漿是不可或缺的一部分,其對隧道能否正常施工產生重要影響,本文從漿液質量控制、注漿壓力的調整與控制、注漿泵的工作情況、壓水量調控進行歸納總結,控制要點具體如下:1)漿液質量控制。a.在隧道 注漿前應仔細檢驗注漿用漿液有無質量問題,以免影響注漿效果。b.為保障漿液與管壁黏結充分,漿液需進行充分攪拌。c.為防止雨水等自然因素對注漿漿液質量影響,貯存漿液用水池應安裝遮陽棚,并鋪設防雨層。2)注漿壓力的調整與控制。a.注漿時應實時監測漿液壓力變化,保障注漿過程平穩有序進行。b.實際操作中發現注漿壓力大于設定值時,需及時調整漿液濃度及配合比。3)觀察注漿泵的工作情況。實際操作過程中需重點觀察注漿用增壓泵運營狀況,當注漿泵發生異響或運作緩慢時需及時停止施工,找出問題原因并及時解決。

5 結語

本文通過現場數據監測、理論分析計算等方面對頂進施工中施工重難點進行了技術總結,對矩形盾構頂管機施工過程進行了詳細分析,總結了初始段始發井處頂管施工要點,并對頂管頂力計算、管材受力分析、后座反力計算等展開了研究。此外,本文對地面沉降控制、注漿漿液控制提出了有效控制措施。在施工過程中嚴把質量關,根據現場情況及時調整控制參數,嚴密監測,將地表沉降值控制在安全范圍之內。結果表明:矩形頂管施工避免了明挖施工造成的交通中斷、管線遷改等,節省了工程造價,加快了進度,該結論可為工程實際提供有效參考。