大截面矩形頂管施工在城市智慧管廊建設中的應用

曾冬勤

（中鐵二十局集團第三工程有限公司，重慶 400000）

0 引言

隨著城市化進程的加快，城市智能管廊的建設對推動新型城市化進程具有重大意義[1]。新建地下工程常會對現有各種地下管線、道路交通和周圍的建筑（構筑物）產生一定影響[2]。頂管施工方法對周圍土體的擾動小，工期推進速度快，自動化程度高，對道路交通和周圍建筑（構筑物）影響較小[3]。大截面矩形頂管施工技術是一種能保證大截面矩形頂管在復雜的地質環境中順利通過已有排水管涵，并對箱涵結構毫無影響的新技術，近幾年在國內逐步得以推廣[4]。該文根據工程概況，分析了大截面矩形頂管施工工藝及重難點，提出有效的高精度頂進姿態、頂管始發與接收以及大截面矩形頂管在粉質黏土中的掘進控制措施，并將該技術運用于城市管廊建設中。智能管廊是保障城市安全的關鍵，它能有效提高管線的安全管理水平，降低管線安全風險，減少管線安全隱患。大截面矩形頂管作為“綠色、安全、環保”的“非開挖工程”，其優點為不封閉交通，不拆除管線，對周邊環境的影響較小，施工快捷，安全可靠，必將被越來越多的工程所采用。

1 工程概況

該項目位于平原地區，基本地震裂度為6 度，從管廊開挖場地向下延至45m 的地層中，頂管土層共分5 個大層次，見表1。

表1 頂管土層分類

城市智慧管廊施工中，大截面矩形頂管施工于一個十字路口交會點，其交通量大，地下管線復雜[5]。綜合考慮后決定采用大截面矩形頂管法進行施工，其頂管截面尺寸為10.1m×6.3m，預制管節單環長2.0m，頂管總長2.0m×45.0m=90m。該項目采用b×h=8.78m×6.32m 的土壓平衡式長方管，預制廠房采用內襯式2.0m 的管節，生產并運輸到工地。頂管機設備包括65t 前殼體、50t 后殼體、15t 前殼體大刀盤驅動件和2 臺15t 螺旋式挖土機。采用5個組合刀片在頂管前端進行切割，整體切削率大于92.5%。頂管機后頂系統包括15 個3m 沖程的千斤頂，其工作壓力可達45MPa。頂入完畢后，使用水泥加水玻璃的雙液漿替代，頂升過程中在管件背面注入抗磨損的泥漿。

2 大截面矩形頂管施工工藝及重難點分析

2.1 施工工藝流程

大截面矩形頂管施工在城市智慧管廊建設中的工藝流程主要包括準備工作→設備安裝→始發施工→正常頂進→接收工作→收尾工作。其具體內容如圖1 所示。

圖1 施工工藝流程圖

該項目采用計算機引導法進行糾偏，輸入的原始資料經過電腦處理后，可根據管線的偏移、外力平衡狀態、刀具管端位置用電腦進行校正。在頂進過程中，始終貫徹“勤頂、勤測、勤糾”的方針，使頂進中的誤差不超過20mm。在城市智慧管廊施工過程中，施工沉箱在下沉過程中出現了扭轉，在安裝軌道時將軌道和后座調整好，當施工開始時，應時刻關注兩側千斤頂的柱塞長度，并根據頂板的情況進行調整，直到達到55m 才能進行后部的頂置。利用Wild2 經緯儀進行測量，保證其校正誤差不大于15mm，如果發現誤差，可以使用S3 水準儀進行測量矯正。

2.2 重難點分析

在城市智慧管廊工程中，大截面矩形頂管施工首先要進行高精度的頂進姿態控制，接收井門架與頂管機之間的距離為3.5cm，頂管起始井和接收井之間的高度差為18cm，而頂管的下坡坡度為0.32%。如果想準確地出井，必須對頂管的頂向和斜率進行嚴格控制。其次，在大截面矩形頂管的施工中應重視頂管的起始和接收。頂管開始出洞和接受進洞時，因頂管機械與洞口之間存在一定的施工間隙，容易產生土壤侵蝕，進而引起工作面塌陷，會導致巖體失穩、地面塌陷等安全問題。因此，控制高精度頂進姿態、頂管始發與接收以及大截面矩形頂管在粉質黏土中的掘進，是該技術應用在城市智慧管廊建設中需要著重注意的技術要點，須制定詳細的控制措施以方便工程的開展。

3 大截面矩形頂管施工過程控制措施

3.1 高精度頂進姿態控制

3.1.1 控制點引測及靶臺安裝

該項目的矩形頂管機施工控制點由基坑外地表引測到基坑內部，在后斜井和結構內壁上設置了測控控制點。頂管機內靶臺糾偏端的安裝分為前、后兩部分。三個靶臺安裝在前糾偏區，兩個在頂管機胸面板的左側和右側，一個在前校正部分的尾部。后校正段配有兩個靶臺，在修正段前后位置上進行安裝。為了避免工地對靶臺的影響，將頂管機械的中段設置為整體靶臺安裝區域。

3.1.2 測量姿態

采用全站儀對頂管機頂進姿態進行定位誤差的測量，采用人工測量獲得機頭靶標座標位置，并計算出頂管機的頂進軸線，與設計軸線進行比較，以此來得出頂管機的頂進姿態，頂進測量詳見圖2。

圖2 頂管機姿態測量

每30cm 測一次高程及軸線，采用土壓平衡式矩形頂管進行推進，以實測資料實時觀察頂管機的姿態偏差，為頂管機施工提供參考。因此，該工程利用卡西歐5800 軟件程序，對頂管機的位姿誤差進行快速求解。測量員利用手機App 進行姿態運算，并將位移信息發送到操控室，由操作者根據實時上傳的資料，對頂管機進行實時糾偏控制，以驗證測量系統的數據，并對其高程、位置、姿態進行校驗，以保證土壓平衡的矩形頂管在正確的方向上運行。

3.1.3 打泥糾偏

根據“實時監控，勤測勤改”的原則，盡量減少頂進過程中的偏移，確保機頭的順利接收。該工程運用注漿糾偏技術，以保證大截面矩形頂管的順利進行，具體打泥糾偏孔的位置如圖3 所示。

圖3 打泥糾偏孔位

當頂管機出現中線偏移或滾動時，由于其自身的鉸接糾偏能力不夠，可以通過在井口和管節上預留的觸變打泥糾偏孔和鉆進系統，在必要部位對管廊進行注水，調節頂管周邊的地層壓力，并通過地層壓力的變化和巖體的微小壓縮來進行偏差糾正。

3.2 控制頂管始發與接收

3.2.1 頂管機及發射架安裝

安裝后的基座必須穩固、正確，保證在頂入過程中經受多種載荷后不會發生位移、變形和沉降。發射架由3 個部分組成，使用高強度螺栓進行固定，2 個軌道必須平行等高，達到設計高度和軸線要求后才能進行下一步工作。在下井組裝過程中，必須準確定位頂管設備，以保證出孔軸線與設計軸線一致。頂管機正確安裝后必須反復調試，確保其工作狀態良好后才能進行頂管出孔和正常頂進。

3.2.2 開鑿破除洞門

為保證安全地建造洞門及頂管安全洞，在洞口施工完畢后，需要將固體物質加入洞口的抽芯探測區域之內。測試添加固體完整性后，先開挖洞口，將混凝土破壞至迎土側主筋的位置，然后再切割外側的鋼筋，以徹底破壞圍護結構的混凝土層。混凝土破除時，需要將每個平面被分成9 個部分，從中間到兩側、由上而下進行破除，具體的分割序號如圖4 所示。

圖4 洞門破除分割

在頂入之前，洞口采用人工風鎬，將潤滑油均勻地涂于簾布的止水板外側，以確保頂入時不會損壞。進行開挖之前，必須在機頭的土倉中填入不少于全倉2/3 的泥漿，以防止倉內壓力過低造成的洞口塌陷。

3.2.3 進行洞口止水

由于簾布與出洞口之間有15cm 的空隙，為避免出現土體失穩、地面塌陷等問題，因此在出洞之前，鋼洞圈上需要安裝簾布橡膠板，并將簾布橡膠板安裝在洞口預埋法蘭套管與錨固板之間。使用M20 螺栓緊固，在緊固板的外側焊接鋼翻板，鋼翻板上設有可移動銷，用以保證簾布橡膠板頂入時的位置可以進行調節，防止個別區域滲水、漏水。當頂管抵達入洞時，如果頂管掌子面出現損壞及其他原因，需要對洞口進行檢驗，可以在洞門鋼環上焊2 塊防水鋼板，中間填滿棉花，達到加固體后，可以采用低推力、低轉速的方法來減緩工作面的損壞。當掌子面臺破碎之后，要立即把它推出來，避免滲水。

3.3 大截面矩形頂管在粉質黏土中的掘進控制

3.3.1 頂管推進

大截面矩形頂管隧道主要穿越粉質黏性土層，該土層塑流性較差，局部振動響應較快，因此為避免開挖時土體壓力不穩定，產生較大的推動力，需要采用如下方法進行施工：采用泡沫及添加劑注入體系，在刀盤上設置5~8個添加劑注入孔，避免“塑性及流動性不良”情況的發生。通過在基坑表面加入泡沫、膨潤土和高分子材料等，提高壓載土的流動性和水密性。采用切板旋桿和攪拌器對壓載土進行充分攪拌，使其具有較好的可塑性，有利于開挖。根據管廊建設的經驗公式，頂管推進頂力如公式（1）所示。

式中：F為頂力；L為管道的頂部長度；W為管節的質量；S為橫梁的外圓周，是頂桿的阻力；R為土層與管道之間的摩擦力；C為管道的外周長；f為管道的摩擦力因數。

添加劑、聚合物、泡沫噴淋系統的功能和特點是可以通過加入泥漿系統將添加劑或泡發劑注入挖掘表面，進而提高砂層的塑流和止水率。添加起泡劑可以有效提高沙層和地層中的砂巖黏性，進而提高砂層塑性和不透水性。在實際應用中，必須根據地質條件及影響因素選擇合適的材料。

3.3.2 注漿整流

為克服頂管機的轉動，該文采用的控制措施為注漿整流法，即采用兩臺獨立的刀片傳動系統，使兩臺刀片進行相對或反向工作，實現整體扭矩均衡。該系統可由壓漿機將其壓到筒體和管壁外側，并將其分成兩個單獨的子系統，一種是在套管外側形成減磨泥漿套；另一種方法是改善土的流塑性，在鉆頭和鉆機內部進行灌漿。綜合分析表明，螺桿機的出土孔和進料孔都在增加，但是觸變泥漿的黏性較低，無法有效地將一些姜石和卵石包裹起來，因此必須調整觸變泥漿的配合比，見表2。

表2 觸變泥漿配合比（kg·m-3）

經過對上述技術措施和設備的調整，每日的頂管施工可以達到2.5 延米的頂進，大大縮短了工程進度，保證了大截面矩形頂管在復雜地質條件下的安全施工。

4 結語

城市智慧管廊的建設已被納入“十三五”規劃中，當管廊工程遇到管線復雜的復雜地段時，應用大截斷矩形頂管施工技術可以有效解決工程建設中存在的問題。該文根據工程概況，分析了大截面矩形頂管施工工藝及重難點，并提出將高精度頂進姿態、頂管始發與接收以及大截面矩形頂管在粉質黏土中的掘進控制措施有效運用于城市管廊建設中。大截面矩形頂管施工作為一種“綠色、環保、安全”的新型非開挖技術，必將在今后的發展中得到越來越多的應用，綜合開發與利用城市智慧管廊是今后發展的必然趨勢。