大断面矩形顶管在城市繁忙交通要道下长距离施工技术研究与应用

黄志毅，曾宪锋

（1. 广东水电二局股份有限公司，广东 广州 511340；2. 粤水电轨道交通建设有限公司，广东 广州 510610）

0 引言

近年来，随着城市轨道交通、综合管廊等建设快速发展，城镇化进程带来的交通和地下管线方面的压力得到了有效的缓解。但与此同时，愈渐复杂的城市环境给轨道交通、综合管廊等工程的建设带来新的挑战，施工技术要求越来越高［1］。传统的明挖、暗挖工法虽然施工工艺成熟度高、工程成本小，但明挖法对周边影响较大，在城市繁忙地段作业需对路面进行围蔽、疏解和管线迁改，极大影响路面交通；暗挖法虽可以避免交通疏解和管线迁改，但施工工期较长，在开挖过程中倘若地层不稳定时极易发生坍塌事故，安全风险和社会影响极大［2］。顶管法作为一种非开挖工法，具有对周边环境影响小、施工速度快等优点在上述工程中得到应用，特别是矩形顶管法因其在地下空间占用、隧道埋深和空间利用率上的突出优势，在地铁车站出入口、综合管廊、市政隧道和过街通道等的建设中应用越来越多。

广州市轨道交通钟村站 I 号出入口设置在车站东南侧，横穿汉溪大道。由于出入口通道需穿越交通繁忙的交通要道，采用顶管法施工。本文结合钟村站 I 号出入口顶管通道的施工，介绍大断面矩形顶管在城市繁忙交通要道下长距离施工存在的技术难点和解决措施，以期为类似顶管工程施工提供参考。

1 工程背景

1.1 工程概况

广州市轨道交通工程钟村站设有 I 号、Ⅱ 号 2 个出入口，I 号出入口设置在车站东南侧，横穿汉溪大道，设有 Ia、Ib分出入口，均为地下一层钢筋混凝土结构，底板埋深约 9.6 m。Ia与 Ib之间的通道长 84 m，坡度 0.3 %，断面尺寸为 6.0 m×4.3 m，管节厚度 0.5 m，顶部平均覆土厚度约 4 m，采用土压平衡矩形顶管机施工。

1.2 顶管通道周边环境

通道地表为约 50 m 宽汉溪大道，交通非常繁忙，是通往广州南站的主要交通干线。通道需穿越地下管线主要有：φ150 煤气管，埋深 1.63 m，φ1200 雨、污水管（距离顶管隧道最小净距 0.45 m），钟村镇自来水主要高压给水管，以及多处埋深不一的电力管道，埋深 0.2～1.0 m，对土体沉降、隧道轴线偏差要求较高。

1.3 工程水文地质情况

根据地质详细勘察资料，顶管通道沿线穿越的地层主要为<4N-2>冲-洪积粉质黏土层、<4-2 B>河湖相沉积淤泥质土层和<3-2>冲-洪积中粗砂层，底部地质主要为残积硬塑砂质黏土，顶部地质主要为人工回填土。顶管通道所在地初见水位标高为 9.80～15.57 m，稳定水位标高为 7.60～14.98 m，水位在地面以下 2～2.4 m 处，主要分布在海陆交互相沉积砂层、冲洪积砂层中。地下水位的变化与地下水的赋存、补给及排泄关系密切，每年 5～10 月为雨季，大气降雨充沛，水位会明显上升，而在冬季因降水减少，地下水位随之下降。

2 繁忙交通要道下大断面矩形顶管长距离施工技术研究

2.1 矩形顶管长距离施工防背土技术研究

矩形顶管机法是一种类似于盾构法的地下工程非开挖方法，借助顶推设备（液压千斤顶）将管节顶入由顶管机刀盘切削穿越土层形成的空间中构筑成衬砌的施工方法，顶进力主要由掌子面阻力和管壁摩擦阻力组成。由于矩形顶管机机头、管节与土体接触面积大、土体自稳性较圆形断面差，在管壁摩擦阻力的带动下，顶管机上方土体会跟随向前移动，易在顶部形成背土现象，特别是对于大断面长距离矩形顶管顶进，管壁摩擦阻力占了总顶进力的绝大部分，顶部背土现象更为严重。国内诸多学者、工程技术人员等对顶管背土进行了大量研究，余彬泉等［3］最早将顶管背土概念引入国内；唐培文、豆小天等［4—7］在工程实践的基础上对顶管背土及减阻技术进行了深入研究。现有的顶管背土处理措施通常采用在顶管机和管节四周注入触变泥浆，在顶管机机体外壳及管节外壁形成泥浆套以减少顶管机、管节与土体的摩擦阻力。根据实际工程实践，采用触变泥浆套虽可以减少顶管与上部土体间的摩擦阻力，但受地质条件和现场顶管施工水平影响较大，不可避免地出现顶管背土现象，影响顶管正常顶进。

为确保顶管安全顺利长距离下穿交通繁忙的汉溪大道，降低对周边环境的影响，采用触变泥浆注浆减阻防背土的方法，通过设置在顶管机机头和管节四周的相应数量注浆孔往周边注入配置好的触变泥浆。同时为达到更好的防背土效果，改进泥浆注入结构和注入方式，即在顶管机机头顶部设置注浆孔顶部一定厚度的钢板，焊缝在注浆口位置断开，使注浆方向与掘进方向平行，浆液通过注浆孔和焊缝断开位置往顶管掘进相反方向高速注入，浆液喷射形成一个长的切割面直接冲刷顶管机上部积土，降低土体粘结性；同时使得矩形顶管及机体及管节外壁在触变泥浆的包裹下形成完整的减摩浆液薄膜，处于润滑状态，减少顶管机、管节与土体间的摩擦阻力，确保矩形顶管掘进机作业正常进行，如图 1 所示。

图1 顶管机机头顶部注浆孔布置及注浆示意图

触变泥浆由膨润土、水和掺合剂（纯碱、CMC 等）按一定比例混合而成，配置时应综合考虑土体特性、预配置泥浆性能、注浆间隙、填充率等因素以及现场施工情况。注浆时分同步注浆和二次补浆，同步注浆应按“先压后顶，随顶随压，及时补浆”的原则［8］进行，以确保形成效果良好的泥浆套。顶管顶进过程中要及时跟踪二次补浆，以避免因泥浆失水、固结、摩擦脱落等破坏泥浆套的完整性。二次补压浆按照“由上而下，由中间向两端”的顺序［7］进行，补浆的次数和注浆量应根据施工时的具体情况来确定。

泥浆用量主要取决于切削间隙大小及土质特性，本工程中理论间隙每环注浆量为（4.34×6.04-4.3×6.0）×1.5=0.62 m3，由于泥浆的流失及地下水等作用，泥浆的实际用量要比理论大得多，一般可达理论值的 2～3 倍，考虑工程地质主要以残积土和沉积淤泥质黏土层为主，浆液不易流失，故注浆量拟定理论值 1～1.5 倍为宜，即每环注浆量 0.62～0.93 m3，并应根据实际顶进和路面监测情况等作适当调整。

2.2 矩形顶管盲区开挖及辅助技术研究

不同于圆形顶管或圆形盾构的单刀盘回转全断面开挖，矩形顶管断面开挖要复杂得多［8］，除要满足矩形断面开挖覆盖率需求的同时，还需考虑矩形开挖断面的开挖稳定性。由于开挖断面为矩形，且多数矩形顶管机采用六刀盘形式，尽管刀盘设计再优化，在开挖面仍存在一定的切削盲区。为确保矩形断面开挖覆盖率、减少切屑盲区范围、提高盲区开挖效率，一般可采用多轴偏心刀盘设计、组合旋转刀盘设计、类矩形断面设计或增加其他辅助措施进行解决，但是多轴偏心刀盘对周围土体扰动较大，不利于顶管姿态控制且设备运行可靠性差；组合旋转刀盘仍存在一定的开挖盲区，需要增加额外辅助措施对盲区进行处理［9］；类矩形断面设计会存在空间利用率减小、工程造价高的问题；盲区位置设置独立的开挖装置同样不利于顶管机姿态控制，影响壳体边缘铲刀布置，设备运行可靠性差。

针对矩形断面已在开挖面形成开挖盲区，基于隧道空间利用率、设备制造及运行稳定性、工程造价、顶管机姿态控制要求高等方面的考虑，工程采用一台 4 300 mm×6 000 mm 的土压平衡矩形顶管机施工。该顶管机配置 3 个挖掘直径为φ2 170 mm 的小刀盘和 3 个挖掘直径为φ2 516 mm 的大刀盘，在顶管机壳体边沿布满铲刀，刀盘开挖尺寸为 4 340 mm×6 040 mm，通过大小刀盘的前后叠加来减小盲区范围。同时，为防止刀盘开挖盲区造成施工困扰，针对盲区部位在设备上设置了盲区导土开挖辅助装置，通过改变盲区位置壳体的内部结构，使得盲区范围被铲刀切削的土体沿着盲区导土开挖装置向贴临的刀盘开挖区域移动，导入刀盘开挖范围，达到盲区开挖的目的。盲区部位导土开挖辅助装置为由钢板焊接在壳体内壁形成三角椎体或组合楔形体结构，主要设置在土仓内顶部、下部及角部位盲区位置，如图 2 和图 3 所示。

图2 顶管机盲区导土开挖辅助装置正视及大样图

图3 顶管机盲区导土开挖辅助装置

针对顶管机对硬塑状粉质黏土层掘进时盲区导土开挖辅助装置阻力较大、总推力相对增大的情况，在土仓隔板内壁上设置注浆孔，设置位置与开挖断面盲区区域相对应。当在硬塑状粉质黏土层顶进开挖时，通过设置好的注浆孔往土仓前方注入清水或泥浆，结合设置在土仓内的盲区导土开挖负责装置，在实现盲区开挖的同时，减少导土开挖辅助装置阻力，进而降低顶管机顶进过程中的阻力。

2.3 矩形顶管机姿态控制及辅助纠偏技术研究

在矩形顶管施工过程中，由于土质不均匀、地面超载、顶管机制造误差、施工布置不合理或操作不当等方面的原因［10—11］，矩形顶管机容易出现轴线偏移和侧向偏转，继而带动顶管管节也跟随偏移和扭转，直接影响管节拼装和通道成型质量。尤其是侧向偏转得不到有效控制时，一旦顶管机和管节侧向偏转过大，将会影响到顶管机的正常掘进，或导致顶管机无法正常接收。因此，在矩形顶管顶进过程中，需要及时对顶管机姿态进行控制和纠偏。

考虑到顶管通道需在繁忙的交通要道下长距离顶进穿过，穿越和上覆地层主要为冲-洪积粉质黏土层、河湖相沉积淤泥质土层等软弱地层，顶管施工对土体沉降、隧道轴线偏差要求较高，因此在顶管机顶进时需按设计轴线、坡度进行，并根据自动导向测量系统的动态测量数据，结合顶管机姿态的发展趋势对顶管机轴线进行控制，做到随偏随纠，及时将顶管机姿态调整到设计轴线偏差允许范围。此外，纠偏过程中不能大纠猛纠，应按照勤纠小纠的原则，尽量避免过度纠偏造成顶管机和管节偏转。顶管机姿态调整可通过铰接油缸、纠偏千斤顶综合进行，工程投入使用的矩形顶管机壳体采用铰接进行连接，设置了 12 个纠偏千斤顶，用于辅助掘进姿态及方向控制，最大纠偏量上下可达 1.4°，左右可达 1.0°。当顶进过程中顶管机轴线偏移趋势明显，按正常顶进设备纠偏无法达到理想状态时，应及时暂停或放缓顶进速度，采取辅助轴线调整措施，如压重或注浆等辅助措施。

对于矩形顶管机侧向偏转的纠偏，通常可利用改变顶管机刀盘转动方向时产生的反向扭矩、调整触变泥浆的注入位置抬升偏转位置或通过顶管机单侧压重来实现纠偏。从实际纠偏效果看，采取改变刀盘旋转方向纠偏的纠偏范围相对较小，一般在 0～20 mm 范围内，且纠偏距离相对较长，当前地铁车站出入口通道、市政或过街通道长度设计一般在 50～100 m 左右，纠偏在一定程度上受通道长度限制；采用触变泥浆注入纠偏的纠偏效果差，纠偏距离长，受隧道埋深、注浆参数影响较大，压力过高会击穿地表，压力低则达不到纠偏效果。为此，采用了一种从顶管机顶部和下部定向泵送黏土［12］辅助顶管机自身纠偏系统的顶管机侧向偏转纠偏方法。

该方法主要通过在矩形顶管机侧向偏转方向地层定向泵送注入拌制好的黏土，经加压填充增强土体承载力，同时在顶管机壳体上作用于一个反向作用力或力偶，达到抬升和旋转顶管机壳体实现辅助纠偏的目的，不仅可以满足侧向偏转纠偏，还可以满足顶管机轴线水平和垂直方向的纠偏，较其他纠偏方法纠偏效果更好，纠偏距离更短。在矩形顶管机顶部和底部各对称设置两个注入孔，作业时通过管路与顶管通道内的黏土输送泵相连。黏土可在现场或者顶管通道内拌制而成，拌制过程中密切关注拌合物姿态，含砂率≤ 1 %，砂的细度模数以 1.6～2.2 为宜，平均粒径在 0.25～0.35 mm 为宜，含砂量或粒径过大，拌合物可泵送性低，且设备密封易损坏。

当顶管机壳体发生侧向偏转，横向高差超过 20 mm（见图 4），且采取一般纠偏措施得不到有效改善时，开始施注，并结合铰接、纠偏千斤顶等措施进行顶管机姿态纠偏。沿掘进方向，顶管机壳体顺时针偏转，从右侧往顶管机底部定向泵送注入拌制好的黏土，顶管机壳体逆时针偏转时则在左侧定向注入。泵送作业可在顶管机停机状态下进行，也可在顶进状态下进行。泵送注泥过程中，要特别注意泵送压力和流量，泵送压力控制在 0.5～1 MPa，并且土仓压力要适当增加 0.02 MPa，以减少黏土的流失。每注入 0.03 m3黏土或每掘进 150 mm 测量一次掘进机姿态，每顶进一环测量一次地表沉降，当横向高差值＜10 mm 时可停止注入。

图4 矩形顶管机侧向偏转横向高差及纠偏示意图

3 结语

在广州轨道交通七号线钟村站 Ⅰ 号出入口通道横穿交通繁忙的汉溪大道以及多条重要管线的施工中，通过对城市繁忙交通要道下大断面矩形顶管长距离施工关键技术的研究、分析和总结，解决了大断面矩形顶管机在不利地层长距离下穿繁忙交通要道施工中顶管机背土、盲区开挖、姿态控制和纠偏等一系列较为突出的工程技术难题，确保了顶管通道的安全顺利贯通，未对路面交通和周边环境造成不良影响，为后续类似矩形顶管工程施工提供参考。Q