浅埋小间距矩形顶管掘进姿态控制技术探讨

胡景军， 豆小天， 李志军， 王晋波， 赵李勇， 李永蔷

(1. 中铁隧道局集团有限公司， 广东 广州 511458； 2. 中铁隧道集团二处有限公司， 河北 三河 065201)

0 引言

在城市地下工程建设中，为避免传统明挖“开膛破肚”式施工的不利影响，可采用顶管法等机械暗挖方法。顶管断面多为圆形或矩形，矩形断面具有空间利用率高的优势，在国内外被广泛应用。目前，我国的矩形顶管技术已被成功应用于综合管廊、地铁区间隧道、地下过街通道等多类工程项目。但顶管施工仍存在诸多技术问题，尤其在掘进断面较大的顶管工程中，顶管机姿态控制困难及栽头问题频繁发生，影响工程质量和安全。

国内外学者对上述问题进行了研究。文献[1-3]以郑州市红专路下穿中州大道项目为依托，对顶管掘进姿态控制进行了研究，指出采取铰接纠偏、注浆纠偏等技术可有效控制顶管姿态。罗云峰等[4]针对上海白龙港片区南线输送干管工程，介绍了该工程顶管顶进姿态控制的关键技术。季向明[5]依托苏州友翔路段小间距(净间距0.6 m)矩形顶管施工工程，应用机械二次改造及针对性的纠偏措施,成功控制了近间距双排并行顶管的施工姿态。胡朝晖[6]以某过河管网工程为依托,论述了在长距离顶管过程中有效降低顶管轴线偏差的方法。田琨等[7]对顶管姿态控制技术在复杂地质长距离顶管施工中的应用进行了讨论分析。鲍立平等[8]提出了适合超长距离大口径钢顶管曲线顶进的轨迹控制系统。 沈鑫国等[9]在对超大直径盾构隧道管片上浮问题研究时，认为机体栽头会导致管片上浮。金华等[10]依托南京地铁新庄站3号出入口通道大断面矩形顶管施工项目,研究了顶管机选型、顶进参数与姿态控制、渣土改良等关键技术。孙博[11]结合西安市东月路顶管工程,对顶进姿态控制、纠偏控制管理等进行了重点分析研究。向炎标[12]依托孝感市乾坤大道排水管道工程,对顶管施工中顶管洞口加固、泥浆触变系统、管道顶进与纠偏等关键问题进行了详细论述和总结。尹亚虎[13]研究了深圳地铁9号线顶管工施工关键技术，指出对顶管姿态进行测量、控制和纠偏是确保顶管轴线不产生较大偏差的前提。

目前，顶管机姿态控制方面的研究多为单洞顶管工程。本文所依托项目为采用结构分割转换工法(structural cut and convert method, 简称“CC工法”)建造的地下停车场，具有隧道群浅埋、密贴施工等特殊性，因此，需对该特殊工程的顶管姿态控制技术进行具体探讨。本文结合该工程姿态监控数据，对产生栽头及姿态偏差的原因进行理论分析，提出相应的控制措施，并采取现场试验的方法进行效果验证。

1 工程概况

1.1 工程简介

某地下停车场项目为采用CC工法施工的顶管施工大型装配式地下工程。如图1所示，该地下停车场规模为34.38 m×87.87 m(宽×长)，为地下1层结构，设计停车位约93个。该项目采用顶管法施工，东端始发井尺寸为36.55 m×13.47 m，深为9.1 m；西端接收井尺寸为36.55 m×9.47 m，深为9.1 m；顶进长度为61.58 m，顶管埋深为3.0 m。

1.2 工程地质及水文地质

本场地勘探范围内揭露的第四系(Q)沉积地层，自上而下分别为杂填土、粉砂、粉土、粉质黏土及粉砂。场区各土层参数如表1所示。本项目地下停车场明挖基坑段及顶管施工段结构底板最大埋深为9.15 m，主体结构全部位于粉土层中，土性为稍湿，稍密—中密，土层分布连续。勘探深度范围内地下水类型为第四系潜水。场地地下水位埋深约18 m。

图1 地下停车场示意图(单位： m)

土层层厚/m重度/(kN/m3)黏聚力/kPa内摩擦角/(°)压缩模量/MPa杂填土0.3516810粉砂1.6617101512.0粉土12.6516.810.927.19.0粉质黏土1.3119.714.617.28.5粉砂1017.2101516.5

1.3 顶管施工

1.3.1 施工顺序

如图2所示，原大型矩形断面划分成7个小断面的密贴顶管隧道，每条隧道长度为61.5 m，依图中数字顺序进行顶管推进施工。因分割断面的特殊性，采用图3所示的组合式顶管机，1台5.02 m×5.74 m顶管机顶推中间5跨，其余2个边跨采用拆改为5.02 m×2.87 m的顶管机进行顶进。相邻2个顶管隧道独立成型之后，进行顶管隧道群的合并，实现整体的受力转换，形成大型矩形断面结构。

图2 隧道群分割及施工顺序(单位： m)

图3 组合式矩形顶管机

1.3.2 始发与正洞掘进

结合工程经验，在始发准备阶段，为防止矩形顶管机始发时出现栽头现象，对顶管机始发基座进行调试，实际高程比设计高0.50 cm，前端比后端高1.00 cm。

开始顶进时，在顶管机姿态和上位机的初始数据都归零的情况下，只使用底部的2个千斤顶进行缓慢顶进，同时通过调节上下铰接油缸的行程，使顶管机以稍微上扬的姿态进洞。

在正洞掘进过程中，根据测量的实际姿态，通过调节上中下3组千斤顶的行程或采用不同的使用组合进行姿态控制，同时通过上下、左右4组铰接油缸进行姿态调节，以使掘进姿态按设计高程推进，防止栽头现象发生。

2 矩形顶管栽头现象及原因分析

2.1 顶管机栽头现象

顶管机栽头是掘进过程中的一种非正常姿态，其主要表现为顶管机向下“磕头”或“低头”的现象。顶管机栽头会使掘进姿态偏离设计轴线，引起拼装管节错位，易造成工程质量和安全事故。

由表2所示的管片实测标高与设计标高的高差可知，本项目在1#隧道始发和掘进过程中，前3环出现了较为严重的栽头现象。

表2 管片高程复测记录表

2.2 顶管机栽头原因分析

通过对1#隧道始发和掘进参数、管片姿态复测数据以及掘进作业过程分析可知，顶管机栽头现象产生的原因主要有以下几个方面：

1)顶管机体的重心偏差。顶管机身质量主要集中在机体前盾的前半部分。始发进洞后，机身质量由始发基座和混凝土地梁共同承受转为由底部原状土承受。但原状土体的承载能力相对较弱，在机体重力作用下出现不均匀沉降。

2)土压平衡未及时建立。本文为了研究洞门密封相关技术问题，选取1#隧道作为对照试验组，仅1#隧道未安装洞门密封。掘进时出现了漏浆现象，虽然采取了棉纱封堵，仍有少量漏浆。泥浆的流失使洞门下方土体松软，土体的承载力不足，同时造成掌子面未能及时达到土压平衡，使前盾和土舱受力不均。

3)始发时姿态预留不够。始发姿态预留主要体现在绝对标高预留和趋势预留2个方面。在1#隧道始发时，虽然对绝对标高预留了0.50 cm，顶管机始发基座前端比尾端高1.00 cm，但该预留量仍未能满足需求。

4)后靠不稳，顶管机姿态失控。后靠墙体围护结构土体加固不牢或加固区域较小、顶管机后靠背不平整等，均会导致后靠受力不均，从而使顶管机姿态失控，造成栽头现象。

3 防栽头控制技术

基于1#隧道始发和掘进过程中的栽头现象及原因分析，在剩余6条隧道掘进过程中，采取了多种防栽头控制措施，并进行现场试验验证。

3.1 设备、管节定位处理

本项目顶管管节采用钢混组合式管节，顶、底部采用钢筋混凝土结构，两侧壁采用钢结构。施工时，将顶管机和管节采用定位块进行固定连接，盾尾定位块如图4所示；同时，上下管片间除采用管片螺栓连接外，另在左右两侧钢侧壁之间进行焊接连接(见图5)，使顶管隧道与顶管机形成一个整体，防止顶管机栽头。

图4 盾尾定位块

图5 钢侧壁间焊接

3.2 洞门密封处理

在后续几条隧道掘进时增设洞门密封。洞门密封采用帘布橡胶板和钢板压板，在周围混凝土端墙上安装膨胀螺栓，一侧钢侧壁上焊接螺栓来进行固定，如图6和图7所示。同时，在始发顶进过程中随时观察，发生漏浆现象时及时进行密封，防止由于密封失效后不能及时形成土压平衡条件而引起栽头。

图6 钢侧壁侧密封

图7 整体洞门密封

3.3 增加始发姿态的预留量

1#隧道始发掘进时，虽然对始发基座进行了一定的调试，但效果不理想，掘进初期仍然出现了顶管机栽头现象。结合隧道的实测高程偏差，在2#隧道以及后续的5条隧道始发时都对顶管机姿态进行相应的微调，具体调整参数如表3所示。

表3 顶管机姿态预留参数

3.4 后靠背安装及稳定性控制

后靠背的正确安装定位，对于顶管掘进始发姿态影响较大。本项目后靠背为对称2件，每件11.5 t。2件后靠背对称轴线安置，净间距为3 400 mm；后靠背安放要垂直，与其后井墙留最少5 cm间隙。后靠背定位完成后，使用钢筋、膨胀螺栓将其固定，并在其与墙体的间隙内浇筑M15水泥砂浆，以保证后靠背的受力均衡。

后靠台背回填时由于顶管机后靠周围作业空间的限制，后靠混凝土的回填不易捣鼓或无法进行捣鼓密实。针对这种现象，本项目经过试验，在1#—5#隧道后靠回填时，采用高流动性速凝混凝土进行填充；在6#、7#隧道始发时，由于受到外部条件的制约无法采用速凝混凝土进行回填，创新性地采用了河沙拌合水泥干灰的方法。

2种不同后靠回填方式各有其优缺点： 速凝混凝土凝固性稳定性高，但受制于外界条件；河沙拌合水泥干灰不受外界条件制约，但其混合参量需要进一步优化，对河沙和水泥干灰的混合质量不易保证。通过现场试验，这2种方式均对顶管机防栽头控制起到了良好的作用。

4 掘进姿态控制技术

通过分析研究上述顶管掘进防栽头现象原因及处理措施可以看出，因顶管掘进过程的复杂性，无论采取何种措施，都要求必须实时精准地掌握顶管施工全过程的掘进姿态情况，以便及时了解掘进不利姿态，采取相应的控制措施，保证掘进姿态正常。因此，有必要进行顶管机掘进姿态控制的技术研究。

4.1 导向系统

本工程顶管施工采用MTG-M顶管自动导向系统，如图8—10所示。系统地面控制室采用1台计算机监控地下顶管机状态；地下部分由MTL激光靶、激光经纬仪、行程传感器、电台通讯设备和控制设备组成。

图8 MTG-M系统示意图

图9 激光靶安装图

图10 经纬仪安装图

导向系统的硬件设备安装后，人工测量出激光经纬仪的测站坐标和高程以及激光靶的位置，同时在激光经纬仪可视范围内设置辅助点并测定其坐标，计算激光经纬仪与辅助点的方位角与设计轴线的夹角，调整激光经纬仪的光束与设计轴线平行；激光靶通过接收激光束来采集数据，将数据传送至地面计算机，通过系统内部的计算软件得出成果，由显示器呈现，进行数据掌控。

理论上，测量系统需安装在后靠背上，但由于现场作业空间限制，激光经纬仪安装在了始发井侧墙上，顶管机推进时，由于主顶油缸推力的变化，会对后靠背处的激光经纬仪产生一定的扰动。因此，现场采取与人工辅助测量相结合的方式进行掘进姿态导向。施工时，加强始发井侧墙的监测，根据监测数据及时进行人工复核、调整激光经纬仪的初始数据。

4.2 始发、到达姿态控制

顶管在始发、到达阶段，因承受顶管机体自重荷载的载体承载力发生突变以及顶推力作用的变化，易造成顶管机姿态的变化，可能产生栽头问题，需采取控制措施。

4.2.1 始发基座及顶管机就位

如图11所示，始发基座作为顶管机的初始位置，顶管机就位时，其定位装置的焊接位置要经过精确计算和测设；就位后，要重新对顶管机进行初始姿态的测量和计算，确保顶管机定位满足要求。

图11 顶管机安装就位

4.2.2 后靠就位及安装

本项目后靠采用2块钢构件，并在其背后填充混凝土，其安装位置要满足主顶油缸安装要求且后靠平面要与设计轴线垂直。安装时要保证后靠平面上下垂直，防止在推进过程中影响顶管机的俯仰角。

4.2.3 导轨定位安装

导轨是始发基座和洞门连接的重要部分。顶管机在始发进洞初期，刀盘的质量大于盾尾的质量，导轨要保证与始发基座轨道平齐，并且要加固牢靠，保证顶管以精准的预定姿态进洞。

4.2.4 洞门预留及破除

本工程隧道洞门采取预隔离施工，在始发井施工时将每个洞门两侧用模板隔开，隔开部位钢筋全部断开。但在后期施工期间发现，由于隧道轴线出现偏差，影响了其他隧道轴线位置，原先预留的洞门则需要重新定位和破除。洞门的破除必须满足进洞要求，并同时考虑洞门防水的尺寸。洞门破除如图12所示。

图12 洞门破除

4.2.5 顶管机始发趋势

本项目共7跨隧道，顶管机始发时要调整好顶管机的油缸行程，防止顶管机与相邻管节之间出现夹土；否则，顶管机的趋势调整难度会相应加大。

4.2.6 顶管始发与接收

由于加固区域的土体较硬，若在始发与接收的加固区掘进趋势发生了变化，则很难调整。故须严格控制掘进速度，保证顶管机推进趋势的稳定。

4.3 掘进阶段姿态控制

4.3.1 管节姿态

在正常推进过程中，要保证至少每2环复测1次管节姿态，计算管节与设计轴线的偏差值，再与导向姿态进行对比，保证复测姿态与导向姿态基本一致。

4.3.2 顶管机姿态

由于顶管机设备的原因，本工程导向只能计算出顶管机前盾尾部的姿态，无法及时显示刀盘的姿态，掘进趋势显示相对滞后。因此，在顶管机始发前，在顶管机上布置辅助观测点，并测出辅助点与顶管的相对位置关系，通过测量辅助点，计算出顶管机的姿态； 同时，在既有的相邻管节上取孔，通过人工复测顶管机与既有管节之间的间隙，了解顶管机的推进趋势。

4.3.3 控制推进速度

顶管机在掘进过程中，需严格控制其推进速度。这是因为施工时若需进行推进趋势调整，如果此时推进速度过快，则难以在短时间内将顶管机纠正到原设计轴线上。

4.4 隧道先后施工姿态控制

本项目结构断面划分成7个小断面的密贴顶管隧道，各隧道先后依序掘进，因此，各隧道掘进时的轴线控制尤为重要。本项目轴线控制除采用顶管机导向装置外，还采取了“E”型导向槽结构，如图13所示。导向装置设计了防止顶管机贴死的结构，阳榫、阴榫相互作用，可抑制管节偏向，以此防止对相邻隧道造成的不利影响。

图13 “E”型导向槽装置

“E”型导向槽结构可对隧道偏向相邻隧道的情况起到良好的控制作用，但实际施工时，隧道也发生了偏离相邻隧道的情况，导致隧道间存在夹土。故在掘进时，若偏离程度较小，可结合前述措施调整，若偏离较大，夹土量过多，则需采取清理夹土的纠偏措施。

5 掘进姿态纠偏技术

5.1 调整铰接油缸行程差

当发现导向姿态偏离轴线时，应及时调整铰接行程差，且调整幅度不宜过大，调整行程差一般为5～10 mm。由于矩形顶管铰接存在联动情况，所以在调整顶管机姿态(水平/垂直)时还要保证其(垂直/水平)不能发生变化。

如表4所示，在3#隧道掘进期间，当推进至21环时，顶管机水平姿态出现了偏差(水平偏差为-16.7 mm，垂直偏差为-8.9 mm)；此时调整铰接行程差，最终经历9环的距离，将顶管机纠正到设计轴线上(水平偏差为-0.2 mm，垂直偏差为-7.5 mm)。

表4 3#隧道管片姿态监测

5.2 调整主推油缸行程差

当顶管机掘进姿态偏差比较大，仅靠铰接油缸无法完成顶管机趋势的调整时，则需同时调整主动油缸的行程差。

本工程所用矩形顶管机的主动油缸无法单独或者分组调整推力，所以在调整主动油缸行程差时需要在油缸伸长的一侧管节与顶铁之间加设竹胶板，在管节之间加设传力衬垫；在推力满足推进的情况下，在油缸缩短的一侧可以减少使用1根或者2根油缸(本办法仅限于隧道的前半部分，当推进距离加长时，减少油缸无法满足掘进需要的推力)。

5.3 减小姿态偏差方向的土压

在顶管机掘进期间，当顶管机姿态偏差较大且调整后无明显变化时，较大一部分原因是顶管机与相邻既有管节之间存在夹土造成的。此时可根据实际情况拆掉已完成隧道的既有管节，清除顶管机与既有管节之间的夹土，减小顶推的阻力，进而增加顶管机趋势调整的速度。

5.4 应用效果分析

如图14所示，7#隧道推进过程中，顶管机易发生向外侧偏离，其原因是管节为钢混复合式管节，1#—5#隧道管节顶部与底部为混凝土结构，两侧为钢侧壁； 7#隧道管节外侧、顶部及底部为混凝土结构，内侧为钢侧壁，质量分部不均匀，易发生姿态偏差。

图14 7#隧道顶管机掘进趋势

针对7#隧道推进过程中顶管机易发生向外侧偏离的问题，进行了一系列控制措施调整：

1)掘进前期，通过调整铰接油缸来调整顶管机趋势，但由于顶管机底部压力过大，趋势变化不明显，反而在推力的影响下，顶管机滚动角越来越大；

2)为控制滚动角的变化趋势，减小铰接油缸的行程差的措施。但随后顶管机又出现了向右偏差的趋势，在推进至22环时水平偏差为5.85 mm、垂直偏差为12.1 mm；

3)为调整向右偏差的趋势，将铰接行程差调至4.0 mm，但此时顶管机与5#隧道之间已经存在夹土，偏差仍在增大；

4)清除夹土。将5#隧道邻近7#隧道的钢侧壁拆除，清理两隧道之间的夹土，减小顶管机与5#隧道钢侧壁之间的土压力，在后续的推进中顶管机向设计轴线回靠的趋势有明显的变化。现场夹土清理如图15所示。

图15 夹土清理

根据图14不难发现，在安装第35环后，顶管中线偏差值的变化越来越小，说明掘进姿态已基本得到控制，取得了较好的效果。

6 结论与建议

依托某地下停车场项目，针对矩形顶管施工过程中顶管机栽头控制技术及掘进姿态控制纠偏技术进行系统研究，得出如下结论：

1)针对1#隧洞掘进过程中出现的顶管机栽头现象，进行了原因分析。通过现场试验，提出了设备、管节定位处理，洞门密封处理，增加始发姿态预留量，后靠稳定性控制等防栽头控制措施，现场取得较好的应用效果。

2)通过对姿态控制系统原理阐述，依托本项目实践，提出了在施工始发、掘进、到达各阶段的姿态控制措施。始发前进行始发基座、后靠背、导轨安装，始发阶段采取洞门预留、破除等控制措施，掘进阶段控制掘进速度并辅以“E”型导向槽进行轴线控制等措施，可有效控制顶管机顶进姿态。

3)针对本项目，进行了现场姿态纠偏试验。通过调整铰接油缸行程差、主推油缸行程差及姿态偏差方向的土压的纠偏技术措施，取得了良好的施工效果。

矩形顶管施工仍存在姿态控制技术难度大、控制及纠偏措施多样性等问题，需采取多种措施组合实施，协调控制。针对本项目实际应用，提出以下几点建议：

1)在顶管机盾体位置增设注泥装置，利用注泥装置注泥量和注泥方向变化进行顶管机姿态控制。

2)刀盘的超挖和土舱内土体搅拌不均匀对顶管机栽头有一定的影响，建议对顶管机刀盘进一步优化设计，使刀盘的尺寸大小、结构形式和搅拌棒的安装位置、尺寸结构达到最优组合。

3)由于顶管机设备的原因，无法及时显示刀盘的姿态，需借助测量辅助点，计算出顶管机的姿态，并需对顶管机设备进行结构优化，以便在掘进过程中，能够方便直接地对刀盘区域的姿态进行监测与控制。