土压平衡式矩形顶管顶进工法

摘要：土压平衡式矩形顶管顶进工法是利用土压平衡矩形顶管机完成矩形断面的隧道施工,其结构断面的合理性可减少土地征用量和掘进面积，降低工程造价。可用于建造地铁车站、地铁及水底隧道旁通道等。上海隧道股份有限公司通过完成断面尺寸为2.5m×2.5m、长为60米的矩形隧道试验,并于1999年4月在上海地铁2号线陆家嘴车站5号出入口地下人行通道工程中成功应用, 取得了显著的技术成果、经济效益和社会效益。该技术成果获2000年上海市科技进步二等奖。

关键词：顶管 道路桥梁

1．特点

　　1.1利用土压平衡矩形顶管机可对矩形断面进行全断面切削,保持土压平衡，对周围土体扰动小。

　　1.2在同等截面积下，矩形隧道比圆形隧道可更有效地利用空间，减少地下掘进土方。用于人行、车辆等的地下通道不需再进行地面铺平工序，不仅省时而且可降低工程造价20%左右。

　　1.3不影响原有的各类地下管线，不影响道路交通、水运以及地面的各类建筑。施工时无噪音、无环境污染。

　　1.4通过可编逻辑程序控制器及各类传感器等随时监测施工状况，确定施工参数，使整个施工过程处于受控状态，从而有效控制矩形隧道顶进轴线、转角偏差及地面沉降。

2．工作原理及适用范围：

2.1工作原理：

　　整个控制系统以土压平衡为工作原理，通过大刀盘及仿形刀对正面土体的全断面切削，改变螺旋机的旋转速度及顶进速度来控制排土量，使土压仓内的土压力值稳定并控制在所设定的压力值范围内，从而达到开挖切削面的土体稳定。

2.2适用范围：

　　本工法适用于在粘土、淤泥质粘土、粉质砂土及砂质粉土等地层中施工。特别适用于在不宜大开挖的错综复杂的各类地下管线下进行矩形断面的施工，保证地面建筑物不受损害。

3．施工工艺

3.1施工设备

　　3.1.1组合刀盘式土压平衡顶管机，由上海隧道工程股份有限公司研制，并已在工程中得到应用。

　　主要由顶管机机头、大刀盘及仿形刀装置、纠偏装置、螺旋机、主顶装置、动力装置、压浆系统、电气控制系统及监测系统等组成。

3.1.2配套设备：

　　行车，拌浆系统，注浆泵，电焊机、空压机等。

3.2施工顺序:

3.2.1工作井清理、测量及轴线放样。

3.2.2出洞口密封安装及检查，并进行出洞辅助技术措施如：井点降水或地基加固处理。

3.2.3井口行车、井上辅助设施的布置和安装。

3.2.4顶管机就位。

3.2.5后座顶进装置及井下辅助设施的布置和安装。

3.2.6顶管机下井、就位。

3.2.7顶管机井下安装、调试，作好开顶准备。

3.2.8顶管机开门出洞后开顶。

3.2.9砼管就位。

3.2.10顶管循环顶进。

4.施工要点

4.1出洞施工及密封

　　4.1.1对全套顶进设备作一次系统调试，应特别注意仿形刀在穿越加固层时的切削性能。在确定顶进设备运转情况良好后，把机头顶进洞圈内距加固层10cm左右。

　　4.1.2洞门密封圈的制作：为了防止泥浆从管节外壁和工作井之间的间隙中流出，而使水土流失造成地面沉降，同时影响触变泥浆套的形成而降低减摩效果，在洞圈上预设阻浆密封装置。

　　4.1.3机头穿墙顶进：在拔除钢封门后，应立即开始顶进机头，由于正面为全断面水泥土，为保护刀盘和仿形刀，顶进速度应适当减慢，使刀盘和仿形刀能对水泥土进行对矩形断面彻底切削;另外由于此段土体过硬，螺旋机出土时可加适量清水来软化和润滑土体。

4.2触变泥浆的应用

　　4.2.1为减少土体与管道间摩擦力，在管道外壁压注触变泥浆，在管道四周形成一圈泥浆套以达到减摩效果，在施工期间要求泥浆不失水，不沉淀，不固结。

　　4.2.2压浆量的计算(每节管节)

为了保证注浆效果，注浆量应取理论值的2～3倍。

V=（D2-d2）×2×300％

4.3顶管后靠及机座安装

　　为保证顶管工作井的后壁能均匀受力，加工一刚度较大的刚性后靠。整体吊装，放在顶进装置与井壁之间，进行定位固定。

4.4主要施工技术参数的控制

4.4.1正面土压力的控制

　　土压力根据Rankine土压力理论进行计算，计算值作为土压力的最初设定值，在实际顶进后,通过顶进参数、地面沉降监测，将设定土压力值调整到1.2kg/cm2左右,正面出土量、地面沉降情况较为理想。

4.4.2出土量的控制

　　应尽量精确统计出每节管节的出土量，力争使之与理论出土量保持一致，以保证正面土体的相对稳定。

4.4.3顶进速度的控制

　　在顶进时应对顶进速度作不断调整，找出顶进速度、正面土压力、出土量的最佳匹配值，以保证顶管的顶进质量。

4.5顶进轴线的控制

4.5.1高程控制

　　在顶进过程中一旦顶管出现上抛现象，不宜采取降低地面土压力、增大出土量、过量向下纠偏等动作。应在顶进时将机头高程始终控制在负值，这样即使在机头下沉较大时，所采取的纠偏措施也和地面沉降控制相统一。

4.5.2平面控制

　　由于受第一条顶管顶进时挤压、压浆等影响，在已成管道周边土体强度较原状土大，在第二条顶管顶进时，机头平面可能有偏离已成管道的现象，顶进时应把机头平面始终控制在靠已成管道方向。

4.5.3转角控制

　　矩形管道的横向水平要求较高，在顶进过程中对机头的转角需密切注意，机头一旦出现微小转角，应及时纠转。

a) 纠转装置纠转

　　安装于壳体两侧的纠转装置根据需要旋转角度，将翼板伸出壳体插入土体内，在机头向前推进时，土体在翼板上产生一侧向分力，形成一力偶使机头按所需的方向旋转，以达到纠转目的。

b) 压浆纠转

　　压浆纠转是利用壳体上压浆管注浆，翅板将浆液分隔成四个区域，根据纠转方向的要求，选择适当的压浆点，使压出的浆液在机头形成一力偶，使机头按所需的方向旋转，以达到纠转目的。

c) 利用变角切口纠转

　　安装于机头切口环二恻的左右各二个变角切口，其千斤顶的伸缩可控制翻板的角度，顶进时产生一定的超挖，使壳体二侧土体产生一条槽形空间，并同时在机头一侧配合注浆，使机头产生一力偶，以控制机头的姿态，达到纠转的目的。

4.5.4机头纠偏控制

　　顶管在正常顶进施工过程中，必须密切注意顶进轴线的控制。在每节管节顶进结束后，必须进行机头的姿态测量，并做到随偏随纠，且纠偏量不宜过大，以避免土体出现较大的扰动及管节间出现张角。

4.6地面沉降控制

　　4.6.1利用土压平衡矩形顶管机对矩形断面进行全断面切削。严格控制施工参数,防止超、欠挖。

　　4.6.2解决矩形顶管机机头顶部背土问题

　　在矩形顶管机的机头壳体顶部安装压浆管，并开有压浆槽，使浆液均匀分布于整个上顶面，在土体和壳体平面之间形成一泥浆膜，以减少土体同壳体的摩擦力，防止背土现象的发生。

　　4.6.3在顶进时,每隔一段时间应对顶管机后部已成管道高程作一次复测,一旦出现管道下沉情况严重时,应对下沉部位进行底部注浆,防止由此引起的地面沉降。

4.7测量

　　4.7.1矩形顶管机出洞前必须认真测定顶管机切口的轴线和标高，并将数据及时反馈进行调整，顶进中原始数据、表格必须连续真实填写清楚。

　　4.7.2交接班时应交清测量记录，将仪器对中，并交清管道轨迹和纠偏趋向。

　　4.7.3顶程结束后必须全线复测、绘制管道顶进轨迹图（含高程、方向、顶力曲线），并由施工质监人员检查复核。

　　4.7.4在过道路时，应按建设单位的要求在指定地段进行施工监测布置，观测顶进过程中地表变形和土体位移情况，以便采取预防措施，避免影响道路正常运行的事故发生。顶进结束后应绘制施工过程和竣工后的地面变形图。

4.8矩形管节和接口

　　4.8.1矩形管节混凝土采用C40，抗渗指标为S6。并采用F型钢套接口、齿形氯丁橡胶止水带。 4.8.2衬垫板的厚度，应按设计顶力大小确定，粘贴时，凹凸口对中，环向间隙符合要求。

　　4.8.3插入安装前滑动部位可均匀涂薄层硅油等润滑材料，减少摩阻。

　　4.8.4承插时外力必须均匀，橡胶圈不移位、不反转、不露出管外.

5.施工人员及施工管理

5.1施工人员:每班12人，具体分工如下：

序号 人员 数量 职责分工

1 组长 1 指挥、调度、质量控制

2 技术人员 1 技术管理、质量管理、施工记录、施工分析

3 操作员 1 顶管机操作

4 机、电维修员 2 设备检修并兼职其它工作

5 起重工 1 行车驾驶

6 测量员 1 顶进轴线测量、控制

7 泥浆工 1 拌浆、压浆

8 辅助工 4 运土2、挂吊钩等

5.2．施工管理

5.2.1技术管理

　　由施工技术员负责，具体职责为：监督施工参数的实施及处理施工时发生的临时变更情况，及时与设计单位联系。

5.2.2质量管理

　　由操作班长与操作员建立TQC小组，操作班长负责监督实施设计施工参数，严格按照操作规程操作，并作好当班记录，发现问题，及时与技术员联系解决，定期进行TQC活动，保证施工质量。

序号 人员 数量 职责分工

1 组长 1 指挥、调度、质量控制

2 技术人员 1 技术管理、质量管理、施工记录、施工分析

3 操作员 1 顶管机操作

4 机、电维修员 2 制备检修并兼职其它工作

5 起重工 1 行车驾驶

6 测量员 1 顶进轴线测量、控制

7 泥浆工 1 拌浆、压浆

8 辅助工 4 运土2、挂号钩等

5.2.3安全管理

a．严格遵照国家颁发的《建筑安装工程安全技术规程》和上海市市政工程管理局对施工现场安全的有关规定。

b．顶管机及管道内照明用电应使用安全电压。

c．动力电缆转换接插前，要先切断电源，后拔出插头。

d．混凝土管吊运时，管下严禁站人。

e．管道内的电力电缆、控制电缆应悬挂固定，严禁随地铺设。

f．外部照明要充足，安放高度不得低于3米。

g．在吊车行走路线上不得有任何电源线。

h．及时检查各操作员的操作程序，严防违章操作。

i． 及时检查各压力管接头的可靠性，防止压力管爆裂伤人。

6．质量标准

　　除应遵照国家标准《地基与基础施工及验收规范》、《钢筋混凝土工程施工及验收规范》和上海市的建委颁发的《市政工程质量检验评定标准》、顶管标准的有关规定外，施工中还应做到：

　　6.1 矩形管节的边长误差<±2mm, 高度误差<1mm, 上下平面矩形外框对角线误差<4mm, 侧向平面与上下平面的垂直度误差<2mm。

　　6.2 当管顶与隧道底距离小于管径时，隧道段地面最大隆起值为10mm，最大沉降值为30 mm。

　　6.3 顶进时，转角必须控制在±1°之内。

7．效益分析

　　7.1与圆形顶管相比, 没有浪费的掘进面积，充分利用了结构断面，从而使地下空间得到有效利用。而用于人行、车辆等的地下通道不需再进行地面铺平工序，亦可节约大量的时间和资金。

　　7.2与箱涵顶进相比，由于土压平衡的控制，对土体的扰动小，能有效地控制地表的沉降和隆起，可在闹市区或建筑密集场合下的管道施工，大大减少了地上地下构筑物破坏而带来的损失。

　　7.3在穿越道路、铁路、隧道、河流的管道施工时，不可能采用开槽埋管，利用矩形顶管机施工则可保证交通通行，大大减少了因施工所引起的道路中断，具有明显的社会效益和经济效益。

8．工程实例

　　上海地铁2号线陆家嘴车站5号出入口人行通道位于陆家嘴金融贸易区，分布在延安东路隧道引道段的南北两侧。通道由两条长度各为62.25m、断面尺寸为3。8m×3.8m的平行矩形管道组成，两条管道净间距为2.2m，管道坡度均为0.2%。

　　工程沿线穿越延安东路浦东引道段及上水管、煤气管、雨水管、污水管市话线、电力线等管线。其中管道顶与ф450污水管、ф1000雨水管、ф800雨水管底净间距均为1米，与延安东路隧道引道段结构底净距为1.37米。土层为灰色砂质粉土与灰色淤泥质粉质粘土层，覆土厚度为5.3米左右

　　1999年4月26日，由上海隧道股份公司研制的3.8×3.8米组合刀盘式土压平衡矩形顶管机正式应用与地铁2号线陆家嘴车站5号行人出入通道，以日顶进速度5米，最高速度9米/日，于6月5日便圆满完成了两条62.25米矩形隧道，顺利地穿越了离隧道顶部仅为1.37米的延安东路引导段，四周密布的重要管线丝毫未损，并将延安东路隧道引道段的沉降控制在10mm以内，转角控制在±0.5°之内。