范新宇

摘要：在分析市政橋梁隧道施工研究成果的基礎(chǔ)上，闡述了在施工現(xiàn)場準(zhǔn)備、盾構(gòu)頂管受力值計(jì)算、隧道洞口處置、盾構(gòu)頂管體安裝、摩擦力降低措施、矩形管節(jié)施工作業(yè)等方面的市政橋梁隧道施工技術(shù)，通過市政橋梁隧道工程施工實(shí)例，驗(yàn)證上述施工技術(shù)滿足相應(yīng)規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞：市政橋梁隧道；盾構(gòu)頂管；施工技術(shù)

0? ?引言

盾構(gòu)頂管施工是市政橋梁隧道施工過程中的重要環(huán)節(jié)，當(dāng)前市政橋梁隧道項(xiàng)目已逐漸采用現(xiàn)代化建設(shè)模式，具有建設(shè)規(guī)模大、建設(shè)環(huán)境復(fù)雜、施工成本高等特點(diǎn)。隧道需要貫穿電信、電力等多種管線，這也給盾構(gòu)頂管施工增加了作業(yè)難度。

市政橋梁隧道施工在城市建設(shè)中具有戰(zhàn)略地位，許多專家耗費(fèi)了大量精力對(duì)其展開研究，取得了許多具有建設(shè)性的研究成果。劉智等人根據(jù)深圳某隧道項(xiàng)目特點(diǎn)，重點(diǎn)研究超大直徑泥水平衡盾構(gòu)穿越斷層破碎帶的施工技術(shù)，開創(chuàng)性地采取輔助氣壓掘進(jìn)模式完成斷層破碎帶穿越作業(yè)。鄧章鐵等人根據(jù)武漢市大東湖核心區(qū)污水傳輸項(xiàng)目特點(diǎn)，提出采用超深長距離頂管對(duì)接施工技術(shù)，解決了超深及復(fù)合地層條件下長距離曲線頂管無法繼續(xù)頂進(jìn)這一長期困擾業(yè)界的難題。

然而以上2種施工技術(shù)仍然依托傳統(tǒng)施工技術(shù)，很難切實(shí)提高隧道施工質(zhì)量，隧道內(nèi)地表易出現(xiàn)不同程度隆起及沉降變形情況，同時(shí)管節(jié)接頭處的沉降量很大，為隧道工程交付后的使用帶來安全隱患。本文重點(diǎn)研究盾構(gòu)頂管施工技術(shù)在市政橋梁隧道工程中的應(yīng)用，以期提升該類工程的施工質(zhì)量。

1? ?市政橋梁隧道施工技術(shù)要點(diǎn)

1.1? ?施工現(xiàn)場準(zhǔn)備

盾構(gòu)頂管施工作業(yè)現(xiàn)場準(zhǔn)備工作主要包括：將施工所用機(jī)械設(shè)備及材料放置現(xiàn)場指定位置，并完成清場；在隧道兩側(cè)出入口位置使用明挖法挖掘設(shè)備安裝井，用于安裝盾構(gòu)頂管體；對(duì)隧道出入口進(jìn)行加固和止水施工，以確保施工作業(yè)的正常進(jìn)行和盾構(gòu)頂管機(jī)的作業(yè)安全；在頂進(jìn)施工作業(yè)時(shí)，采用矩形管節(jié)支護(hù)隧道上方覆土，避免地表隆起和沉降變形的發(fā)生[1]；根據(jù)市政橋梁隧道設(shè)計(jì)圖紙和施工現(xiàn)場實(shí)際情況設(shè)置盾構(gòu)頂管技術(shù)參數(shù)，并開始盾構(gòu)頂進(jìn)施工作業(yè)。

1.2? ?計(jì)算盾構(gòu)頂管受力值

盾構(gòu)頂管體完成安裝后，按照項(xiàng)目特點(diǎn)設(shè)定盾構(gòu)頂管機(jī)主頂力、正方向土壓力等相關(guān)參數(shù)，在盾構(gòu)頂進(jìn)施工時(shí)，盾構(gòu)頂管機(jī)受到正方向土壓力，依據(jù)彈性土壓力理論，計(jì)算盾構(gòu)頂管機(jī)正方向土壓力理論值，其公式為：

U=Mεg? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：U為盾構(gòu)頂進(jìn)正方向土壓力；M為隧道盾構(gòu)頂管覆土的深度，一般情況管道上方4.25m，管道下方10.65m；ε為容重；g為隧道盾構(gòu)頂進(jìn)土體的側(cè)方向系數(shù)。

然而在現(xiàn)實(shí)作業(yè)中，盾構(gòu)頂管機(jī)自隧道洞口區(qū)域頂進(jìn)原狀土?xí)r，需加大盾構(gòu)頂管機(jī)正方向土壓力數(shù)值，并超過理論數(shù)值。為了保持盾構(gòu)頂管作業(yè)效率，由盾構(gòu)頂管機(jī)初始拉力和正面阻力，計(jì)算盾構(gòu)頂管作業(yè)主頂力數(shù)據(jù)，盾構(gòu)頂管機(jī)正面阻力的計(jì)算公式為：

F1=2（z+k）wq? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：F1為盾構(gòu)頂管正面阻力；z為盾構(gòu)頂管機(jī)的寬度；k為盾構(gòu)頂管機(jī)的高度；w為盾構(gòu)頂管頂進(jìn)深度；q為盾構(gòu)頂管外表面與巖體的摩擦力平均值。其中盾構(gòu)頂管機(jī)外表面與巖體的摩擦力平均值q的計(jì)算公式為：

q=sα+ηδ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中：s為盾構(gòu)頂管外表面摩擦系數(shù)；α為盾構(gòu)頂管的外周長；η為盾構(gòu)管節(jié)1m所受重力；δ為管節(jié)重力與巖體間摩擦系數(shù)，該摩擦系數(shù)一般介于0.25～0.55之間。

通過公式（3）計(jì)算出盾構(gòu)頂管機(jī)外表面與巖體的摩擦力平均值q，進(jìn)而計(jì)算出盾構(gòu)頂管正面阻力F1。然后按照公式（4）由計(jì)算出盾構(gòu)頂管主頂力，其公式為：

F=F1+F2? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式中：F為盾構(gòu)頂管主頂力，F(xiàn)2 為盾構(gòu)頂管初始力。按照上述公式計(jì)算完畢后，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，設(shè)置盾構(gòu)頂管正方向土壓力及主頂力參數(shù)值。參數(shù)值設(shè)置后，即可開始盾構(gòu)頂進(jìn)施工作業(yè)。

1.3? ?隧道洞口的處置

為了確保盾構(gòu)頂管施工作業(yè)的正常進(jìn)行，需要使用明挖法在隧道兩側(cè)設(shè)備井內(nèi)挖掘隧道洞口，挖掘深度為3.5m，以便盾構(gòu)頂管體完成安裝。

為了保障盾構(gòu)頂管作業(yè)過程中施工安全，需要使用三軸攪拌樁加固處理洞口區(qū)域，避免隧道洞口發(fā)生坍塌。攪拌樁直徑為750mm，樁體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土，配筋率高于50%。如果作業(yè)現(xiàn)場地下水較多，需在洞口區(qū)域布置簾布橡膠板密封洞圈，同時(shí)在洞口區(qū)域安裝3～4口降水井，在盾構(gòu)頂管作業(yè)過程中將涌出的地下水引入降水井，以達(dá)到止水效果[2]。

1.4? ?安裝盾構(gòu)頂管體

盾構(gòu)頂管體由盾構(gòu)機(jī)和頂管機(jī)2個(gè)主要部分構(gòu)成，頂管機(jī)負(fù)責(zé)頂進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)負(fù)責(zé)挖出管內(nèi)巖土。根據(jù)項(xiàng)目具體狀況，針對(duì)性完成盾構(gòu)頂管體安裝工作。

使用專業(yè)運(yùn)載機(jī)具將盾構(gòu)機(jī)和頂管機(jī)運(yùn)送至隧道洞口指定區(qū)域，在隧道距離底板前方0.5m處安設(shè)下托板，把盾構(gòu)主體和頂管主體固定在下托板上，頂管主體結(jié)構(gòu)安設(shè)在前部，盾構(gòu)主體結(jié)構(gòu)安設(shè)在后部，將頂管和盾構(gòu)主體結(jié)構(gòu)焊接在一起，并與下托板進(jìn)行焊接[3]。

順著隧道軸線方向開鑿邊線，使用鋼筋混凝土硬化處理溝槽基底，將預(yù)埋托板與盾構(gòu)頂管墩柱精細(xì)焊接。在隧道洞口處搭建臨時(shí)平臺(tái)，在臨時(shí)平臺(tái)上建造盾構(gòu)頂進(jìn)體主梁。在盾構(gòu)頂進(jìn)主體上安裝外殼，材料采用厚度為18.55mm的鋼板，其寬度比隧道寬度大約26.55mm。將盾構(gòu)頂管體外殼、頂板底部及主梁焊接在一起，完成盾構(gòu)頂管體安裝作業(yè)。

1.5? ?降低摩擦力的措施

為了減輕巖土對(duì)頂管機(jī)配套刀具的破壞，降低在盾構(gòu)頂進(jìn)時(shí)頂管機(jī)與接觸巖土之間的摩擦力，使用混合注漿減摩方式開展頂進(jìn)施工作業(yè)。

將一個(gè)泥漿套安設(shè)在盾構(gòu)頂管體上，泥漿套和管材間的縫隙填滿滲透塊。膨潤土泥漿的潤滑效果好，在水泥砂漿中添加膨潤土形成膨潤土泥漿，通過注漿泵打入滲透塊里，注漿壓力值為3.25～5.25MPa。

在盾構(gòu)頂管機(jī)的頂進(jìn)作業(yè)中，膨潤土泥漿滲透進(jìn)四周巖土體并進(jìn)行擴(kuò)散，填滿土體顆粒的間隙。一段時(shí)間后，土體顆粒間滲透的泥漿形成凝膠體，達(dá)到降低在盾構(gòu)頂進(jìn)時(shí)頂管機(jī)與接觸巖土之間摩擦力的作用[4]。

1.6? ?矩形管節(jié)施工作業(yè)

1.6.1? ?計(jì)算矩形管節(jié)受力值

盾構(gòu)頂進(jìn)施工作業(yè)在一定程度上，會(huì)破壞巖土的主體結(jié)構(gòu)，引起地表沉降、隆起變形等。因此在盾構(gòu)機(jī)頂進(jìn)作業(yè)的同時(shí)，須采用矩形管節(jié)進(jìn)行支護(hù)。矩形管節(jié)的壁厚很重要，直接影響其支護(hù)效果。經(jīng)過精確計(jì)算矩形管節(jié)荷載，可得出其壁厚尺寸。支護(hù)矩形管節(jié)，需滿足其軸向推力的最低值，其公式為：

V=WSp? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

式（5）中：V為矩形管節(jié)軸向推力最低值；W為矩形管節(jié)的受力面積；S為管材抗壓強(qiáng)度，矩形管材通常采用C50規(guī)格鋼筋混凝土；p為矩形管節(jié)后座反作用力。使用此公式計(jì)算矩形管節(jié)荷載，直至矩形管節(jié)推力最低值大于其最大承受力為止，以此確定管節(jié)的壁厚值。

1.6.2? ?注漿作業(yè)

在頂進(jìn)作業(yè)的同時(shí)進(jìn)行注漿。為確保注漿均勻，需使用并聯(lián)式注漿管路。在注入漿液之前進(jìn)行配筋作業(yè)，采用5.5mm直徑的鋼筋，其間距介于25～45mm之間。每頂進(jìn)15m進(jìn)行二次注漿，注漿量為同步注漿量的50%。盾構(gòu)機(jī)頂入隧道洞口之后，開始增加二次注漿量，調(diào)整其為同步注漿的75%，確保隧道洞口結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

矩形管節(jié)同步支護(hù)作業(yè)，可有效提升橋梁隧道覆土層穩(wěn)固性。當(dāng)矩形管節(jié)初凝后，需實(shí)時(shí)檢驗(yàn)其抗壓度，如發(fā)現(xiàn)低于抗壓度要求值，需進(jìn)行補(bǔ)漿作業(yè)，達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)為止。

1.6.3? ?管節(jié)頂進(jìn)

頂管機(jī)頂進(jìn)過程中，使用盾構(gòu)機(jī)對(duì)土體進(jìn)行挖掘。1個(gè)作業(yè)周期為1個(gè)管節(jié)的頂進(jìn)時(shí)長，一個(gè)管節(jié)頂進(jìn)后，重復(fù)相同方式操作下一個(gè)管節(jié)頂進(jìn)，直至完成市政橋梁隧道工程的盾構(gòu)頂管施工作業(yè)任務(wù)[5]。盾構(gòu)頂管施工作業(yè)現(xiàn)場如圖1所示。

2? ?實(shí)例分析

2.1? ?工程概況

某市政橋梁隧道工程的施工地點(diǎn)位于市中心，隧道為東西方向，中間貫穿多條管線和市政道路，隧道附近存在多條市政管線。施工地點(diǎn)的地質(zhì)情況比較復(fù)雜，覆土層主要由人工填土構(gòu)成，并摻有部分淤泥，覆土層厚度約為11m，為此施工過程易對(duì)周圍交通和環(huán)境造成影響，施工難度較大。

該隧道挖深為13.25m，隧道底部土質(zhì)多為砂卵石，其厚度接近6m，且硬度較高。隧道設(shè)計(jì)長度為146.25m，隧道的主通道寬度為8.555m，高度為5.35m。隧道兩側(cè)出入口采用明挖法進(jìn)行施工，主通道采用盾構(gòu)頂管技術(shù)進(jìn)行施工。根據(jù)本工程特點(diǎn)，將盾構(gòu)頂管機(jī)正方向土壓力值設(shè)定為136.35MPa，將主頂力值設(shè)定為149.42MPa，矩形管節(jié)壁厚為650mm。

2.2? ?隧道施工質(zhì)量檢測(cè)

2.2.1? ?檢測(cè)管節(jié)接頭處沉降值

管節(jié)接頭處變形沉降和地表沉降是盾構(gòu)頂管施工的重點(diǎn)管控對(duì)象，也是市政橋梁隧道竣工驗(yàn)收的關(guān)鍵項(xiàng)目。隧洞施工完成后，須對(duì)管節(jié)接頭處沉降值和地表沉降值進(jìn)行嚴(yán)格檢測(cè)。檢測(cè)方法如下：隨機(jī)抽取7個(gè)管節(jié)接頭處，使用全站儀測(cè)量其沉降值；隨機(jī)抽取7個(gè)管節(jié)接頭施工區(qū)域，使用全站儀測(cè)量其地表沉降值，并記錄測(cè)量數(shù)據(jù)。

根據(jù)相關(guān)工程管理規(guī)范要求，市政橋梁隧道項(xiàng)目中涉及盾構(gòu)頂管施工作業(yè)的管節(jié)接頭處沉降值不得大于15.25mm，地表沉降量不得大于20.25mm。

該隧道完成施工，使用全站儀對(duì)隨機(jī)抽取的7個(gè)管節(jié)接頭處和7個(gè)管節(jié)接頭施工區(qū)域地表的測(cè)量結(jié)果表明，管節(jié)接頭處的最大沉降值為4.31mm，施工區(qū)域地表的最大沉降值為7.25mm，均大幅低于規(guī)定值，這說明此項(xiàng)目盾構(gòu)頂管作業(yè)沉降指標(biāo)符合技術(shù)要求。

2.2.2? ?檢測(cè)地表隆起值

在盾構(gòu)頂管作業(yè)過程中，如果發(fā)生注漿量不準(zhǔn)確、頂推參數(shù)設(shè)置不科學(xué)等情況，會(huì)引起地表隆起變形。為更科學(xué)驗(yàn)證該盾構(gòu)頂管施工技術(shù)的可行性，在施工區(qū)域隨機(jī)抽取8個(gè)測(cè)量點(diǎn)，在施工完成后使用全站儀測(cè)量地表隆起值，并記錄了測(cè)量數(shù)據(jù)，如表1所示。

從表1可知，相關(guān)工程管理規(guī)范要求市政橋梁隧道項(xiàng)目中涉及盾構(gòu)頂管施工作業(yè)的地表隆起值不得高于48.55mm。該隧道項(xiàng)目完成施工后測(cè)量的地表隆起量最值為20.32mm，大幅度低于規(guī)定值。測(cè)量結(jié)果表明，本隧道項(xiàng)目采用的盾構(gòu)頂管施工技術(shù)可以有效控制施工區(qū)域沉降和變形程度，切實(shí)提高了施工質(zhì)量。

3? ?結(jié)語

該項(xiàng)盾構(gòu)頂管工程施工參考了相關(guān)方面研究成果和同類項(xiàng)目建設(shè)情況，在傳統(tǒng)施工技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算盾構(gòu)頂管受力值以及矩形管節(jié)受力值，科學(xué)合理地安排市政盾構(gòu)頂管施工工藝，通過工程實(shí)例，驗(yàn)證了該市政橋梁隧道施工技術(shù)具有很好的應(yīng)用效果，可有效降低管節(jié)接頭沉降值和地表沉降值，避免地表隆起變形，提高施工質(zhì)量，對(duì)提升我國市政橋梁隧道項(xiàng)目的建設(shè)水平，具有一定應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳亦軒，李筱艷，陳松.基于Peck公式的隧道盾構(gòu)施工引

起的地表沉降預(yù)測(cè)研究[J].安全與環(huán)境工程，2023，30（2）：

79-83+91.

[2] 劉智，鐘長平.超大直徑泥水平衡盾構(gòu)斷層破碎帶掘進(jìn)關(guān)

鍵技術(shù)研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2023，60（1）：225-232.

[3] 鄧章鐵，楊圣虎，吏細(xì)歌，等.超深長距離頂管對(duì)接施工關(guān)

鍵技術(shù)研究與應(yīng)用[J].中國給水排水，2023，39（2）：125-132.

[4] 管紅兵，朱永祥.雙線隧道盾構(gòu)推進(jìn)過程引發(fā)地表沉降變

化規(guī)律的數(shù)值模擬[J].廣東石油化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2023，33（1）：

57-61.

[5] 馮益文，張忠祥，鄭選榮，等.富水砂卵石地層隧道盾構(gòu)施

工管片上浮規(guī)律及控制措施分析[J].工程技術(shù)研究，2023，

8（3）：114-116.