土压平衡矩形顶管机浅埋复合地层施工技术

张生林

(广州轨道交通建设监理有限公司)

0 引言

随着城镇化发展，越来越多的城市交通拥堵凸现，如何解决市区交通拥堵?其中，减少地面过街人行道，改建过街人行天桥或地下过街人行通道是提高车流速度，缓解市区交通拥堵的有效途径之一，而过街天桥影响城市市容，很多城市选择修建浅埋地下过街通道。浅埋地下通道修建常受到复杂的周边环境的影响，如：地下管线和地面繁忙的交通等影响。不开挖路面，不封闭交通，不改迁管线，修建浅埋地下通道的需求增多，矩形顶管施工技术[1-5]和沉降控制技术[6-8]能满足上述的需求。

根据土压力的平衡方式不同，顶管施工工艺大致分为自然平衡式、机械平衡式、气压平衡式、泥水平衡式、土压平衡式等施工工艺[9]，其中应用最为广泛的是泥水平衡式和土压平衡式。泥水平衡顶管机均是建压始发，而土压平衡顶管机一般空仓始发，切削加固体时才逐步建压。本文结合工程实例介绍了土压平衡矩形顶管机在未进入加固体前在土仓内充满牙膏状膨润土建压后始发，有效地控制了掌子面稳定和地面沉降，避免了对地下管线的不利影响和对地面交通的影响。

1 概况

1.1 工程位置

广州地铁二、八号线同福西站位于洪德路与同福西路路口南侧。车站沿洪德路南北向布置，为地下三层明暗挖结合车站。

洪德路为城市主干道，路中设内环路高架桥，同福西路口设跨线桥，同福西路口北侧为人民桥南岸匝道，交通繁忙。顶管下穿洪德路，其影响范围内主要有电信管沟、排水管、110kV 电缆、煤气管、给水管等。

1.2 顶管通道

同福西站负一层站厅之间的通道位于洪德路下方，下穿洪德路立交及内环路高架。1 号顶管通道33.83m，覆土5.9～6.0m；2 号顶管通道35.85m，覆土5.7～5.9m；3 号顶管通道30.88m，覆土5.7m。三条隧道，矩形顶管机均从左线站厅正交始发，右线站厅以85.57°斜交到达（见图1）。

2 地质

2.1 工程地质

三条通道场地范围内各岩土分层（见图2、图3 和图4）及其特征如下：

图1 顶管通道和地下管线位置示意图

图2 1 号顶管横通道地质剖面图

图3 2 号顶管横通道地质剖面图

图4 3 号顶管横通道地质剖面图

<5-2>硬塑状粉质粘土(Qel)：呈不规则层状或透镜体状分布于全强风化岩层顶部，厚0.60～3.10m。

<3-2>中粗砂层

2.2 水文地质

本工程场地初见地下水位埋深0.70～4.20m，稳定水位埋深1.90～3.60m。地下水位与季节、气候、地下水赋存、补给及排泄有密切的关系，地下水与珠江水的水力联系中等。

3 工程实施

3.1 端头加固

始发端头加固：5 排Ф600@450 双管旋喷桩(宽2.4m)，通道外侧加固宽不少于2m，桩底低于通道底面不小于2m。紧贴围护结构的一排旋喷桩插入HM500X300a 型钢，深度从地面到加固体底，破除连续墙，顶管机就位后，拔出型钢。

接收端头加固：3 排Ф600@450 双管旋喷桩（宽1.5m），通道外侧加固宽不少于2m，桩底低于通道底面不小于2m。

反力架后靠区土体加固：3 排Ф600@450 双管旋喷桩，桩底低于通道底面不小于2m。

1 号横通道端头加固布置见图5。

受前期场地制约，始发端头加固仅完成旋喷桩施工，受上部立交桥影响，未插型钢。

图5 1 号横通道端头加固布置图

为安全破除洞门，对始发端头再处理：先地质钻引孔（考虑地连墙外侧可能存在混凝土鼓包，先引孔，以保证钢板桩施工顺利、钢板桩之间有效咬合及与地连墙紧贴），后做拉森钢板桩（深12m、宽8m）（见图6、图7），在钢板桩外侧埋设袖阀管，待钢板桩完成后注浆封堵钢板桩与地连墙和土体之间的缝隙，防止洞门破除过程中涌水突泥。

图6 拉森钢板桩平面位置布置图

图7 钢板桩施工照片

3.2 渣土改良

渣土改良是通过顶管机配置的专用装置向刀盘面、土仓或螺旋输送机内注入添加剂，利用刀盘的旋转、土仓搅拌装置搅拌或螺旋输送机旋转使添加剂与土渣混合，其主要目的：①渣土呈流塑状态；②渣土具有不透水性；③保土体稳定性；④减小刀盘的动力；⑤降低磨损；⑥防结泥饼等。添加剂主要有聚丙烯酰胺和膨润土，聚丙烯酰胺的功效：分离或中和粘性土中的阴阳离子，降低其吸附性能，改善渣土的流动性、润滑刀具等作用，据实验：1‰阴离子聚丙烯酰胺溶液按土体比重5%添加，做泥效果最佳，见图8。严格按配合比对渣土进行改良，专人放料、精确计量。

图8 渣土改良效果照片

3.3 上软下硬段处理

3 号通道30.88m，覆土5.7m，掘进（刀盘位置）至6.5m 时，再掘进100mm，机头抬高了3mm，油缸顶力达到1800t，反力架松动，取芯揭示该处地质突变，图示为淤泥质土，实际为中风化泥质粉砂岩（25MPa），侵入洞身高约1m，呈上软下硬情况，需对该段处理，才能确保顶管机安全顺利出洞。

3.3.1 场地准备

对施工场地进行围蔽。

3.3.2 管线探查

放线探槽位置，人工开挖探槽，在顶管通道两侧各挖1 条宽1m、深2m 的槽，探明隧道顶部以上的管线，做好标识。

3.3.3 地质补勘

地质补勘孔在隧道外侧20cm，间距2m，沿隧道轴线布置，补勘揭示硬岩分布情况，为确定硬岩区的破碎范围提供依据。

3.3.4 潜孔钻机就位

采用带调平支腿的潜孔钻机（见表1），钻机就位前对钻孔位置测量定位，就位后精确调平，挂垂球及水平尺检查钻杆垂直度，确保钻机各支腿稳固，避免振动影响钻孔质量。

表1 现场配套主要设备

3.3.5 密排钻孔破碎

用Φ150mm 钻头对隧道洞身内的硬岩密排钻孔（见图9），钻杆垂直地面，深度为隧道底部以下800mm，孔距为300mm×300mm。

图9 潜孔钻机密排钻孔破碎硬岩

管线位置，算好角度，斜孔破碎管线下方隧道洞身内的硬岩。钻孔时成排按顺序施做，不跳孔，防止破碎不到位。

3.3.6 地层破碎效果检查

根据孔位间距偏差、垂直度偏差、深度偏差来判断地层破碎效果，偏差在-50mm～50mm 之间为合格。不合格区重新密排钻孔，合格才钻孔、安装袖阀管、注浆。

3.3.7 袖阀管注浆

硬岩破碎后，对隧道顶部至地表的破碎地层注浆加固，注浆：Φ42mm 袖阀管，间距：600mm×600mm，深度：地表至隧道顶部。

3.4 顶管施工

3.4.1 顶管机始发（进洞）

顶管机（见图10）进洞步骤：设备下井安装、设备调试、凿除洞门、安装止水装置、顶进机头至洞圈内（距钢板桩侧100mm）、在土仓内注膨润土建压（0.6bar）、拔出钢板桩、切削加固土、机头切削进原状土、正常掘进。

图10 矩形顶管机照片

3.4.2 顶管掘进

掘进速度：始发阶段不宜过快，10mm/min 左右；正常施工阶段，20mm/min 左右。

出土量：严格控制出土量，防止超挖或欠挖，正常出土量是理论出土量的98%～100%。

3.4.3 顶管机到达(出洞)

⑴接收井准备

出洞前，先对洞门位置进行测量确认，据实际标高安装顶管机接收架，配备封洞门钢板、补充注浆等材料。

⑵顶管机位置姿态复核

当顶管机头逐渐靠近接收井时，增加测量的频率和精度，减小轴线偏差，以良好的姿态从预留的洞门圈内出洞，见图11。

⑶各施工参数的调整

在机头距接收井6m 后，开始停止机头的压浆，压浆位置逐渐后移，保证顶管机在出洞前有6m 左右的完好土体，避免减摩泥浆大量流失而造成管节周边摩阻力骤然上升。

图11 顶管机出洞照片

在顶管机切口进接收端加固区后适当减慢掘进速度，加大出土量，逐渐减小掘进时机头正面土压力，避免洞口处结构被挤裂。

⑷顶管机出洞

当顶管机刀盘切口距接收端地下连续墙100mm 左右时，停止掘进，凿除洞门，迅速、连续顶进管节，缩短出洞时间。出洞后，马上用钢板将管节与洞门圈预埋钢板焊成整体（见图12），向管节外侧与洞门圈之间的间隙内注浆，防止水土流失。

图12 用钢板将管节与洞门圈预埋钢板焊接照片

3.5 地面沉降控制

连续均衡掘进，避免长时间停机；根据监测数据调整土压力，达到最佳状态；严控出土量，防止欠挖或超挖。严格监测，一旦沉降异常，立即补浆、注泥等措施修正，掘进结束后立即进行二次补泥。

地面沉降及隆起控制值为(+10mm，-30mm)，预警值为（+8mm，-24mm）。本项目顶管隧道掘完后，地面累计沉降值为5.3mm。

4 结论

浅埋矩形顶管隧道施工时需注意的几个问题：

⑴顶管机的选型，在覆土较薄、地下管线较多、地面沉降控制要求较高的顶管工程，选土压平衡顶管机较好，不宜用泥水平衡顶管机，因覆土较薄，气密性较差，泥浆易外溢地面，土仓压力难以保持，造成地面塌陷，影响地面道路交通或地下管线破裂，影响周边居民生活，产生不良的社会影响。

⑵沿隧道轴线加密地质钻孔，探明上软下硬地段等不同复合地层组段的范围，对隧道范围内顶管机掘不动的地层预处理，以提高顶管掘进速度和顶管隧道质量。

⑶顶管始发阶段易发生止水带处漏水漏沙，严重的造成地面塌陷或地下管线破裂。

⑷通过不同改良剂和配合比渣土改良试验选取较好的改良剂和配合比，改良的渣土的和易性和流动性达到更好，防止结泥饼或滞排，降低停机的概率，提高掘进速度和有效控制地面及地下管线的沉降。

⑸做好顶管斜交到达端头加固和检测，达到设计要求才出洞，现场备足堵漏抢险物资。否则，一旦漏水流沙不能及时控制，将引起地面塌陷或地下管线破裂。

通过对本项目浅埋矩形顶管隧道施工实例进行剖析，为以后类似工程提供借鉴。