大断面矩形顶管法在下穿既有地下通道工程中的应用

文/刘博海 赵传亮

1 工程概况

黑牛城道是天津市东南半环快速路的重要组成部分，从新八大里区域中部横向穿过，两侧为商业地块，承载交通量较大，地下空间发达。过黑牛城道地下通道主要功能为人行过街，南侧连接地铁11号线内江路站，北侧连接下沉广场，是沟通黑牛城道两侧地下商业空间及地铁车站的重要通道。

人行通道所下穿的黑牛城道路面下管线众多，有雨水、污水、输配水、电信、路灯、广播电视、天然气等共22 条管线，其中最深为直径1.65 m 的雨水管，埋深4.8 m。在施工过程中，不能影响黑牛城道交通且地下管线不能切改。见图1。

图1 黑牛城道现状管线分布

工程场地土为中软土，场地类别为Ⅲ类，地下水埋深1.10～1.50 m，下穿结构所处的粉质黏土（地层编号⑥4）层为潜水含水层，呈软塑状态，属中压缩性土。

施工过程中，应尽量减少对地面建筑、地下管线及路上交通的影响，因此需要确定合理的施工方法。

2 工法比选

2.1 初选

城市道路下穿地道的工法分为明挖法和暗挖法两大类。其中暗挖法包括：圆形盾构法、冷冻法、盖挖法、大断面矩形顶管法和管幕法。

明挖法和盖挖法都无法满足不断交、不切改的要求，不适合本工程。盾构法覆土厚度一般不小于盾构直径，需要较大的埋深，不能满足地下空间整体规划高程要求。冷冻法不仅费用高，而且地层的冻胀、融沉对相邻建筑物的影响大，地层降温对的地下过水管线影响严重。只有管幕法和大断面矩形顶管法，断面尺寸和适用条件都满足要求。

2.2 工法比较

1）大断面矩形顶管：是一种地下工程非开挖管道铺设技术，采用矩形顶管机成孔，再将预制成形的管节从顶进工作井顶入，最终形成连续衬砌结构的地道修建技术[1]。目前主要应用于黏土、淤泥质黏土、粉质黏土及砂质粉土等软土层中。

2）管幕法：是在始发井与接收井之间，利用小型顶管机在拟建地下构筑物四周顶入钢管，钢管之间采用锁口连接并注入防水材料，形成水密性地下空间，成为超前支护。在管幕保护内，施作地下箱体，必要时对前方土体进行水平超前加固，适用于回填土、砂土、黏土、岩层等多种地层。

两种工法比较见表1。

表1 工法比较

由表1 可以看出，两种工法方案都满足黑牛城道不断交、地下管线不切改的要求。但是矩形顶管法工期较短、安全性较好、技术成熟，而管幕法施工对于地表变形控制差，对快速路影响较大，结合工程实际情况，决定采用大断面矩形顶管法。

3 大断面矩形顶管法设计

3.1 总体布设

现状黑牛城道全宽约70 m，地下人行通道与其相交角度为88.8°。地道顶管段全长93 m，共有62 节，每节长1.5 m。在黑牛城道南北两侧分别设置始发井和接收井，与地下空间负二层相接，两侧建筑标高相同，顶管线路纵断坡度为水平。顶管结构覆土厚度为8.17 m，管节顶至最大埋深地下管线底的距离约3.2 m。见图2。

图2 黑牛城道地下人行通道立面布置

3.2 管节设计

顶管结构为单洞单跨，管节截面为矩形，顶板呈微拱，外轮廓高7.55 m、宽10.4 m、壁厚0.7 m，混凝土强度等级为C50，抗渗等级为P12，整节预制，管节接口采用“F”形承插式接头[2]，管节之间采用中等硬度的木质材料板作为衬垫。见图3。

图3 矩形顶管横断面

由于管节顶进过程中减摩注浆、控制沉降及顶进施工完毕后固化注浆的需要，每环管节沿环向布置注浆管。顶管分为A 型和B 型管节，其顶底板减摩注浆管和二次注浆管位置不同，顶推施工时，两种管节交替排列布置。

3.3 洞口设计

在始发井和到达井主体结构内衬墙上均设置进出洞口，其与顶管管节外轮廓间隙为0.3 m。内衬墙洞口周围预埋环形钢板，钢板锚固钢筋与墙内主筋搭接焊接。顶管段顶推到位后，现浇构造圈梁与管节连接，圈梁内的构造钢筋与管节侧面的预埋钢板及洞口环形钢板焊接。顶进过程中，可能需要根据实际的距离制作非标准长度的特殊环，控制构造圈梁的宽度0.4～0.6 m。见图4。

图4 顶管洞口构造

为保证洞门破除后端头土体的稳定、防止水土流失、避免塌方沉降，对顶管始发和到达位置的进出洞口土体采用三轴水泥土搅拌桩+双排三重管双高压旋喷桩进行加固。加固范围：管节左右两侧各4.8 m，管节顶面以上4.0 m，管节底面以下5.95 m，纵向（沿顶进方向）加固长度为连续墙外侧8.5 m。加固指标：无侧限抗压强度≮1.2 MPa，渗透系数≤1×10-7cm/s，同时确保土体的均匀性、密闭性和自立性。

3.4 防水设计

3.4.1 管节防水

顶管结构遵循“以防为主，刚柔结合，多道设防，因地制宜，综合治理”的原则，以混凝土结构自防水为主，以接缝防水为重点并辅以防水层加强防水。根据地下水位深度，管节混凝土抗渗等级为P12[3]。见图5。

图5 管节防水构造

为满足接缝防水要求，在管节接缝处设置承插接口钢套环与防水橡胶圈形成了管节外侧防水体系。管节钢套环与混凝土结构密贴，钢板与混凝土间设置遇水膨胀橡胶条形成止水带。在承口与插口接口处设置嵌缝槽，嵌入双组份聚硫密封胶，保证承口侧止水。管节插口混凝土结构外侧密贴两道楔形橡胶圈，施工时插入承口钢套环内，在插入过程中，橡胶圈被压缩，密贴钢套环，形成良好的防水体系。

在管节承口端管壁中上部开槽，嵌入多孔型三元乙丙橡胶密封垫形成第二道防水体系。三元乙丙橡胶密封垫应与多层胶合板具有相协调的压缩能力，保证拼装后的防水效果。

管节承口端管壁内侧接口处设有聚硫密封胶嵌缝槽，后期注入双组份聚硫密封胶，形成管片内侧防水体系。

因顶管顶进施工的特点，在管节与天然土体之间存在环形空隙，通过同步注触变泥浆与二次注水泥浆充填空隙，形成一道外围防水层。

3.4.2 洞口防水

洞口圈梁采用C40 微膨胀混凝土模板浇筑，抗渗等级P10。分别在洞口圈梁与管节端部钢板、洞门预埋钢板结合处各设置一条遇水膨胀橡胶止水条，进行洞口圈梁防水。在洞口钢环处安装双层帘布橡胶板，进行顶进过程中的洞口防水。顶管段到位以及构造圈梁完成后，对洞口圈梁与管节搭接部位注浆加固，使顶进过程中松动的土体密实。见图6。

图6 洞口防水构造

4 施工流程及要点

4.1 施工流程

1）平整施工场地，机具、设备进场，施工两端工作井，对进出洞口端头土体及顶推后背土体进行加固。施作工作井的同时预制顶管管节。

2）工作井内进行顶管设备的安装调试：轨道梁安装，后座反力系统安装，主顶系统安装，顶管机组装调试。

3）顶管始发施工：顶管始发推进前安装好洞门止水装置，洞门探水并破除，顶管机顶推并进洞。

4）在顶进坑内拼装预制管节，管节的拼装和顶进交替进行，直到顶管机到达接收段。

5）对接收洞门探水并破除，顶管机出洞，全部管节顶推到位；浇筑混凝土圈梁封闭洞门；对管节四周进行注浆固结。

6）工作井及地下通道内设备退场；拆除后背墙结构；对管节拼缝进行填充密封。

4.2 施工要点

4.2.1 管节顶进

1）正面土压力设定。按照Rankine土压力理论进行计算，得到的数值作为顶管机正面土压力的最初设定值并在实际顶进后根据顶进参数、地面沉降监测进行动态调整。精确统计出每节管节的出土量，实际出土量控制在理论出土量的98%，以保证正面土体的相对稳定。在顶进时应对顶进速度不断作调整，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。

2）渣土改良。根据施工现场实际情况，顶管掘进段主要穿越⑥4粉质黏土、⑦粉质黏土，由于顶管埋深大，地下水位高，施工过程中采用膨润土对渣土进行改良，使其具有较好的塑性、流动性和止水性，改良较好土体呈牙膏状。顶管机设备设计了膨润土浆液注入口，渣土改良浆液在顶进过程中“随顶随注、不顶不注”，确保顶进中充满整个土仓。注入过程中随时观察螺旋机出土状况，及时调整浆液注入量。

3）顶进出土。顶管采用腹部出土的方式进行，2个螺旋机对向出土。顶进过程中采取平板+小车的方式出土，通过控制室里的电磁阀控制螺旋机转速，进而控制出土速度。顶管工程中，管内的出泥量要与顶进的取泥量一致，出泥量无论大于或小于取泥量都会使管道周围的土体发生扰动，造成地面的沉降或隆起；确保出泥量与取泥量一致的关键是严格控制土体切削掌握的尺度，防止超量出泥。

4）触变泥浆。顶管管节设置多个注浆孔，压注触变泥浆填充管道的外周空隙以支撑地层、减少地层损失、控制地面沉降和减少顶进阻力。顶进时压浆要及时，确保形成完整、有效的泥浆套，必须遵循“随顶随压、逐孔压浆、浆量均匀、浆压适宜”的原则。顶进施工中，触变泥浆的用量主要取决于管道周围间隙的大小及周围土层的特性，由于泥浆的流失及地下水等作用，泥浆的实际用量一般取理论值的3～5倍，在施工中需根据土质情况、顶进状况及地面沉降的要求等做适当的调整。

4.2.2 施工沉降控制

1）正面土压力控制。顶管顶进过程中，满仓掘进，经过改良后土体充满整个土仓。顶管机正面设置有9个隔膜压力计，施工前根据地质情况及埋深，初步设定土仓压力控制值，顶进过程中通过沉降观测及时调整土仓压力的实际控制值，实际操作中通过控制顶进速度和螺机出土来调整土仓压力。

2）出土量控制。顶进施工中出土量采用容积控制法，通过计算，确定顶进一定距离的出土数量，根据每次统计出土量，核算1 环顶进完成后出土总量是否符合要求。

3）红泥补偿。随着顶管机继续顶进，后续管节经过地层仍在继续发生地层损失进而引起地表沉降。通过持续的地表监测，对沉降较大区域所在的管节通过顶部DN150 mm 孔注入提前拌制好的红泥，以填充损失的地层，减少地面变形。

4.2.3 顶管机姿态控制

1）导向系统。在始发井处设置激光经纬仪，同时在矩形盾构顶管内设置导向靶。通过激光在导向靶上投射斑点的位置来判断矩形顶管的当前姿态。

2）纠偏油缸。推进过程中实时关注导向测量系统，适时启动纠偏系统油缸，可用于水平、垂直纠偏，水平纠偏角度1.4°垂直纠偏角度2.1°。纠偏原则：勤纠、微纠、参照趋势进行纠偏，先上下、后左右。

5 结语

新八大里过黑牛城道地下通道自工作井具备顶管作业条件后，顶管机在1月内组装调试顺利完成，顶管段在顶进2月后顺利到达。整个顶管过程安全控制良好，结构未出现渗漏水现象，同时地面及地下管线监测情况正常。

随着城市的不断发展，交通系统在升级过程中，为实现其快速通达的要求，越来越多的下穿既有道路的地道项目将被论证建设。大断面矩形顶管法因具有不开挖现状路面、不中断交通、不切改地下管线、地表及管线变形小、无扬尘、低噪音等诸多优点，必将成为城市下穿地道项目重点考虑的方案之一。