矩形钢筋混凝土管节在北方砂土及砂砾硬土层中顶进施工技术

张剑平

（上海市政交通设计研究院有限公司，上海市 200030）

矩形钢筋混凝土管节在北方砂土及砂砾硬土层中顶进施工技术

张剑平

（上海市政交通设计研究院有限公司，上海市 200030）

结合工程实例，介绍了钢筋混凝土管节在北方砂土及砂砾硬土层中顶进施工技术。其中详细介绍了顶管机的选择、顶进前的施工准备、矩形顶管测量、顶管出洞段顶进施工、正常段顶进施工、进洞段施工等施工过程，同时强调了顶管监测工作。

钢筋混凝土管节；硬土层；顶进施工

1 工程概况

1.1 工程简介

本工程是内蒙古呼和浩特市锡林郭勒路中山路交叉口地下人行连接通道，地处二条城市主干道路交叉口，周边商业设施发达，车辆交通压力大，人车混流现象严重，道路交通经常性堵塞。经呼市市政府、市建委及规划部门研究决定，委托上海市政工程设计研究总院进行方案设计，为保证此工程对当地交通影响降至最低，在该路口采用矩形顶管的地道施工方案。本地道工程由四条矩形主通道和六座地面出入口组成。人行地道平面呈平行四边形布置，从地下分别穿越上述道路。

地面出入口分别位于大天酒店、太古商城、海亮广场、维多利商场的地面广场上。总建筑面积约4 000 m2。顶管工作井设在大天酒店和海亮广场附近，井的内边尺寸9.0 m×11.8 m，接收井设在维多利购物中心和太古广场，井的内边尺寸为9.0 m×6.0 m，开挖深度均为12.0 m。

1.2 气象水文

本地区属于干旱、半干旱大陆性气候，主要特点是降雨量少而集中，蒸发强烈、干燥多风、温差变化大。根据呼市气象站观测资料：多年平均降雨量为400 mm，多集中于7～8月份，占全年降雨量的77%，多年月平均蒸发量1 781.8 mm，多年月平均最低气温-13℃，月平均最高气温为21.9℃。

1.3 工程地质

本工程场地现状地面较平坦，标高一般0.000 m。地下水位稳定在地面下10.5～15.5 m，有微腐蚀性，抗浮设防水位为埋深5.0 m。属中硬土，场地类别为Ⅱ类，为抗震一般地段，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.20 g，设计地震分组为第一组。地基自上而下依次为：①层杂填土，②1层褐黄色粉土，②2层黄褐色砂砾，②t层黄褐色粉质粘土，③1层黄褐-灰黑色粉质粘土，③2层黄褐色粉细砂，④灰绿-灰黑色粉质粘土。

顶管标高为 -5.65～-9.85 m，穿越③、③1、③2、③3层土层，根据现场基坑开挖情况分析，顶管穿越区域高度4.2 m范围内穿越砂砾层1.2 m、砂土层3 m。

1.4 地下公用管线

施工区域位于呼和浩特市最繁华的闹市区，路口地下公用管线密布，由于管线建成年代较久，物探和管线单位均未能提供准确的管线走向和分布图。现场进行样洞开挖和排摸工作，结合结果对顶管范围内的公用管线做重点保护，必要的进行管线沉降和位移监测，在顶进过程中确保公用管线的安全。

2 施工总体部署

采用两台机头分别从海亮广场和大天酒店工作井分别向维多利广场和太古广场接收井顶进。

本工程由于建设方负责搬迁地下管线的工作延迟，各工作井、接收井围护结构施工开工时间也相应延后，而该地区10月至来年4月气温降至0℃下，为冬季施工，极端最低至-26℃。施工期间，部分区间在顶进时遇到大量块石，影响了原计划，最后为了确保按期完工，在施工顺序及措施上作了相应调整。

至2014年9月20日全部完工，包括内部装修、设备电气安装、照明、标识标牌等及原合同外增补的广场铺装、景观、绿化、道路改造等，于2014年10月1日投入使用。

3 矩形管节顶进施工

工艺流程：测量放样→安装机架、后靠、主顶装置→设备调试→顶管出洞→顶管顶进→吊放顶铁或管节→顶进测量→顶管机进洞→顶管机分解、吊出接受井→浆液置换→拆除管内设备、嵌缝、清理、接头处理

3.1 顶管机的选择

3.1.1 土压平衡式DFY型矩形顶管机

根据本工程地质条件及工期要求，经充分研究，决定采用土压平衡式DFY型矩形顶管机。

（1）刀盘采用DFY型矩形顶管机七只大小刀盘组合，它具有间隙小和切削面积大的特点。小刀盘均布置加密先行刀和刮刀，均采用矿用合金刀头，满足在细砂、中砂和砾石中切削和寿命需要。每个小刀盘正面均分布四个单向注浆口，可以加注水、泡沫等用于改良土体。

（2）驱动装置具有独特的内置式箱型结构承受轴向力，承载能力强、变形小的特点。独特的前置式推力轴承，具有尺寸及承载力大、寿命长和整个驱动装置受力状态良好等优点。采用大模数硬化的齿轮副（m=18）完全能满足在本工程地质条件下长时间施工需要。充分考虑在复杂地层中顶管作业驱动扭矩大的特点，单个驱动单元扭矩系数α均为2.42，最大达2.94。每个驱动装置均由独立的变频控制，可实现0～2 r/min无级调速，也可任意调整旋向而控制顶管机姿态。

（3）壳体采用前后三节布置，有利于长距离运输，面板上分布十几个注浆口，用于改良土仓内土体，上部增设3mm注浆钢套板，有利于防止机头背土，增加机头在砂性土中的润滑性。后壳体分布注浆口，可以减小磨阻力。所有承插口均进行机械加工，能有效地减少机内渗漏现象增强密封效果。

（4）螺旋输送机采用大口径（φ=720 mm）轴向出土螺旋输送机，出土量大（60 m3/h）。变频调速（0～18 r/min），采用专业厂家生产的定制的推力轴承，具有寿命长、传动平稳等优点。采用齿形密封圈，具有密封效果好、寿命长等优点。针对复杂地层采用四个清障检修口。

（5）控制系统采用机内机外二种操作模式，机内切换，集中控制，全部由操作室操作（包括所有顶管施工用电）并实施监控，二级气压仓，用于清障。

3.1.2 顶管机吊装下井方案

矩形顶管下井以及吊出需要采用大型起重设备。为确保安全，施工前，需对起重设备停机位置进行地耐力检测。

（1）主要起重和运输设备

起重设备：500 t履带吊1台，180 t履带吊1台；

运输设备：100 t平板车 2 辆，30 t、20 t、10 t运输车若干。

（2）设备下井安装工作流程：发射架、后顶装置下井安装调试→刀盘及驱动段下井放置在发射架上→后部纠偏铰接段整体下井，放置在发射架后与刀盘及驱动段用螺栓连接、紧固→螺旋机下井并安装到位→环形顶铁和U型顶铁下井安装→电器柜安装。

（3）顶管机头的吊装：顶管机从平板车上被吊起后，要作片刻停顿，一是确定顶管机头实际重量是否在吊车的起重范围内；二是观察吊车对路面及工作井的影响。在确保安全的情况下，将顶管机头缓慢吊入井内，准确地停放在发射架上。

（4）主顶的定位及调试验收：主顶的定位将关系到顶进轴线控制的难易程度，故在定位时与管节中心轴线成对称分布，以保证管节的均匀受力。主顶定位后，进行调试验收，保证所有千斤顶的性能完好。

（5）顶管机就位、调试验收：为保证顶管出洞段的轴线控制，顶管机吊下井后，需对顶管机进行精确定位，尽量使顶管机轴线与设计轴线相符；在顶管机准确定位后，必须进行反复调试，在确定顶管机运转正常后，方可进行顶管出洞和正常顶进工作。

3.1.3 吊装施工

顶管设备分三次吊装，前壳体第一节的重量为91 t，其余重量分别为20 t、18 t，总重量一共为129 t。将500 t汽车吊车主机停放于井边工作区域开阔位置，根据本工程实际情况和吊车负荷，全部安排在硬地坪上进行吊装，吊车撑脚垫放层200 mm厚路基箱板，板宽2.2 m，长2.2 m。靠近基坑处的撑脚放置双层路基箱板，吊车选用臂长32.7 m，工作半径为16 m，撑脚中心离工作井外边最小距离3m。吊车展开后安装配重提升装置，逐步把180 t配重加完。拖运车辆把顶管机停到吊车尾部或侧部最佳位置。将吊环扣入顶管机吊点，慢慢起吊，吊装平衡后，运输车辆离开。吊车旋转，转到井的上部，顶管机慢慢下降至安装指定位置。后面重复前面所有动作。

3.2 顶进前的施工准备

3.2.1 地面准备工作

在顶进前，按常规进行施工用电、用水、通道、排水及照明等设备的安装。备齐施工材料、设备及机具，以满足本工程的施工要求。井上、井下建立测量控制网，并经复核。

3.2.2 井下准备工作

（1）洞门安装：由于洞圈与管节间存在着15 cm的建筑空隙，在顶管出洞及正常顶进过程中极易出现外部土体及触壁泥浆涌入始发井内的严重质量安全事故。因此施工前在洞圈上安装帘布橡胶板密封洞圈。

（2）基座及顶进后靠、机架的安装：始发井结构施工时在底板预埋30 cm×30 cm钢板，基座下井后与其焊接，确保基座在顶进过程中承受各种负载不位移、不变形、不沉降。洞门段的延伸导轨在工作井导轨铺设完成以后跟进铺设等安装。规格采用43 kg/m的重轨长度大约在1.5 m。导轨安装完成后，机头部分导轨可以稍微抬高，抬高高度为5 mm,通过钢垫片控制导轨抬高高度，做到控制准确，防止顶管机出洞后会出现磕头现象。

后靠自身的垂直度、与轴线的垂直度对今后的顶进也至关重要。为保证力的均匀传递，钢后靠根据实际顶进轴线放样安装时，在钢后靠与始发井内衬墙间预留一定的空隙（空隙大小为10 cm），现浇素混凝土填充此空隙。钢后靠的安装高程偏差不超过5 mm，水平偏差不超过7 mm。

（3）顶进系统安装：工作井基架安装焊接→顶管机限位装置焊接→后靠拼装→前后壳体拼装→首节管下井→止退装置焊接→动力系统安装→操作台安装→联机调试

3.3 矩形顶管测量

3.3.1 测量流程

进场控制点的桩位交接与复测→现场踏勘、选点、地面控制点布网→控制点竖井传递、布设井下控制点→出洞口洞门测量及顶管机发射架定位→布设顶管机同步控制点→顶管机（管节）姿态测量→顶管进洞测量→顶管机进洞、隧道贯通测量。

3.3.2 平面控制测量

（1）空导点和洞门复测：先对业主提供的空导点进行复测并上报监理,再对出、进洞口进行复测。

（2）发射架定位：因设计线路较短且为直线,所以我们把两洞门中心连线作为矩形顶管掘进的轴线。放出该轴线后通过全站仪投到井下作为发射架的定位的中心轴线。

（3）施工导线点的控制：根据复测后的空导点施工现场布设控制网，然后利用全站仪传递到施工导线点，所有导线按一级导线的要求进行测量并不断对控制点进行检查。

3.3.3 高程控制测量

根据业主提供的高程控制点实测两洞门的实际高程，并在出洞口的井上和井下各布置两个高程控制点，并定期对其进行复测。

3.3.4 顶管机和管节的跟踪测量

顶管机进洞前开始对机头进行跟踪测量，在顶管机背面仪表盘处及后靠背上装置激光经纬仪，随着机头的顶进，随时跟踪测量，根据测量的成果，对顶管机的左右上下位移进行随偏随纠。测量时每天做好测量原始记录，并观察已顶进完成的管节沉降情况。

3.4 顶管出洞段顶进施工

3.4.1 洞口凿除

出洞之前对全套顶进设备做一次系统调试，在确认顶进设备正常后，开始采用切割设备凿除井壁洞口钢筋混凝土，安装洞门止水装置。

3.4.2 顶进施工

在洞圈内的墙壁结构全部破除后，应立即开始顶进机头。另外，可能会出现螺旋机出土困难，必要时可加入适量清水来软化或润滑水泥土。

3.4.3 出洞段的各类施工参数

顶管机从始发井出洞后，应尽量减少水土流失，控制好地面沉降。顶管机出洞进入正常土体后3m范围内的顶进作为本工程顶管的试验段，应不断根据地面沉降数据的反馈进行参数调整，及时摸索出正面土压力、出土量、顶进速度、注浆量和压力等各种施工参数最佳值，为正常段施工服务。

3.5 顶管正常段顶进施工

3.5.1 各类施工参数的计算与控制

（1）本顶管推进顶力计算：

式中：F为总顶力，kN；F1为管道与土层的摩阻力，kN，F1=（a+b）×2L’f；L’为管道顶进长度，m；f为管道外壁与土的平均摩阻力，kN/m2,宜取7～12；F2为顶管机的迎面阻力，kN,F2=a×bR1；R1为顶管机下部1/3处的被动土压力。

F1=（6.93+4.23）×2×48×（7～12）=7450～12856（kN）（按最长顶距48 m计算）；F2=6.93×4.23×（0.7×18×9.25+20）=4 003（kN）；F=11 453～16 859（kN）=1 145.3～1 685.9（t）。

千斤顶布置在后靠部位，竖向2组，每组6个，底部2个，合计14个。

施工中，考虑一些外加的不利因素，实际顶进的最大推力在2 000 t以下。

（2）正面土压力的设定

本工程采用土压平衡式顶管机，利用压力仓内的土压力来平衡开挖面的土体，达到对顶管正前方开挖面土体支护的目的，并控制好地面沉降。因此平衡土压力的设定是顶进施工的关键。土压力采用Rankine压力理论进行计算：

式中：P为管道的侧向土压力；k0为砂砾土的侧向系数；z为覆土深度；P1为超载系数（20 kN/m2）。

以上数据为理论计算值，只能作为土压力的最初设定值，随着顶进的不断进行，土压力值应根据其它实际顶进参数、地面沉降监测数据作相应的调整，以利顶进正常进行。

3.5.2 顶进轴线控制

顶管在正常顶进施工中，必须密切注意顶进轴线的控制。在每1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，以免土体出现较大扰动及管节间出现张角。顶进轴线偏差控制要求：高程±50 mm；平面位置：±50 mm。

3.5.3 地面沉降控制

在顶进过程中，应合理控制顶进速度，保证连续均衡施工，避免出现长时间搁置情况；根据反馈数据进行土压力设定值调整，使之达到最佳状态；严格控制出土量，防止欠挖或超挖。

3.5.4 管节减摩

为减少土体与管道间摩阻力，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，以达到减小总顶力的效果。

3.5.5 止退装置

由于矩形顶管掘进机的断面较大，前端阻力大，实际施工中，即使管节顶进了较长距离，而每次拼装管节或加垫块时，主顶油缸一回缩，机头和管节仍会一起后退20～30 cm。当顶管机和管节往后退时，机头和前方土体间的土压平衡受到破坏，土体面得不到稳定支撑，易引起机头前方的土体坍塌，若不采取一定的措施，路面和管线的沉降量将难以得到控制。

在前基座的两侧各安装一套止退装置，当油缸行程推完，安装管节的时候，将销子插入管节的吊装孔。后退力通过销子、销座传递到止退装置的后支柱上。止退装置和基座焊接在一起，把管节稳住。

3.5.6 出土

本工程出土采用螺旋输送机+轨道土箱+卷扬机+履带吊的形式出土，一节管节的理论出土量为43.5 m3，在顶进过程中，应尽量精确地统计出每节的出土量，力争使之与理论出土量保持一致，确保正面土体的相对稳定，减少地面沉降量。

3.6 顶管进洞段施工

3.6.1 接收井准备

接收井施工完成后，必须立即对洞门位置的坐标测量确认，根据实际标高安装顶管机接收架，并准备破除接收井洞口的地墙钢筋混凝土。

3.6.2 顶管机位置、姿态的复核测量

当顶管机头逐渐靠近接收井时，应加强测量的频率和精度，减少轴线偏差，确保顶管机能准确进洞。顶管贯通前的测量是复核顶管所处的方位、确认顶管状态、评估顶管进洞时的姿态和拟订顶管进洞的施工轴线及施工方案等的重要依据，使顶管机在此阶段的施工中始终按预定方案实施，以良好的姿态进洞，正确无误地座落到接收井的基座上。

3.6.3 顶管进洞

洞门完全打开后，采用探孔的方式观察洞门四周是否有渗水现象，如土体完整，无渗水现象，则顶管机控制推进速度，快速、均匀前进。如洞门有渗水现象，用降水井进行水位控制。顶进至第一节管节进入内衬400 mm时停机，马上将机体与管节脱离，顶管机退出后立即进行洞门封堵。顶管机与管节脱离时用千斤顶配合铰接油缸在最短的时间内完成，以确保封洞门的时效性。洞门封堵自下而上，两边同时操作，速度要快，焊接要保证质量，封洞门钢板要密闭，为后道洞口注浆创造条件，最关键的是整个过程越快越好。

3.6.4 注浆阶段

洞门封堵结束后，为控制地面洞口区域的沉降，必须对洞口空隙进行填充。采用水泥浆+粉煤灰，具体注入部位见图。注浆数量控制在理论值的2～3倍，具体根据现场实际情况及时调整。

3.7 地下障碍物、孤石处理

在四个区间的顶管实际操作中，机头都遇到了大小不一的块石，直径150～700 mm左右，尤其以海亮至太古段为甚。遇到这种情况，一般仪表盘显示电流过大，螺旋机不出土，顶进受阻。这时采用停止刀盘切削、螺旋机、主顶油缸锁定，保持正面土压力，打开人孔，操作工进入土仓，人工破碎取出，操作难度大，功效低。

3.8 管体稳定置换注浆

顶管机头吊出接收井后，为确保土体和管体的稳定，将两头洞门与管节间的间隙封堵。然后在管节预留注浆孔的上部注浆，浆液自上而下从管节底部溢出，对溢出的泥浆进行集中处置。

3.9 顶管接口、止防水措施

接口是顶管工程的关键部位，保证做好接口部分是顶管成败的关键。

管节止水圈材质为氯丁橡胶与水膨胀橡胶复合体，用粘结剂粘贴于管节基面上，粘贴前必须进行基面处理，清理基面的杂质，保证粘贴的效果。管节下井拼装时，在止水圈斜面上和钢套环斜口上均匀涂刷一层硅油，接口插入后，用探棒插入钢套环空隙中，沿周边检查止水圈定位是否准确。

管节与管节间采用中等硬度的木制材料作为衬垫，以缓冲混凝土之间的应力，板接口处以企口方式相接，板厚为15～18 mm。

4 顶管监测工作

为确保顶管阶段，各方因素安全受控，根据“工程设计文件”对沉降监测的要求，结合本工程的情况，顶管施工时还对以下方面进行监测：

（1）周边道路地面沉降及建筑物跟踪监测；

（2）地下管线的垂直位移监测；

（3）顶管井基坑变形监测；

（4）顶管管节及已完成通道后期沉降监测。

5 结语

综上所述，该工程时间紧、任务重、技术难度高，之前尚无同类工程成功经验可汲取。 我们团队制定、优化了一系列专项施工方案及保证措施，及结合专家意见进行了科技攻关，得到显著成效，解决该项目实施过程中的难题，如：顶管机头选型，针对砂砾土层的刀盘布设、刀头抗磨改良、注浆孔设置；大口径矩形顶管在砂砾土顶进中的顶面背土问题；砂砾土层刀盘切削、螺旋机出土的土体改良问题；顶管机头部孤石清除问题等。使得工程顺利推进，圆满完成，在质量、安全、进度、文明标化等各方面满足业主要求，得到了一致好评。

U455.47

B

1009-7716（2017）12-0107-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.030

2017-07-24

张剑平（1969-），男，辽宁葫芦岛人，工程师，从事市政工程施工管理工作。