广州市市政工程机械施工有限公司 510060
摘要：本文以中国南方一个城市位于国际机场内一段地铁正线区间隧道，利用大断面矩形顶管，克服地质、地下建构筑物、地面交通环境等不利条件的影响，顺利完成地铁正线区间隧道施工的实例，谈论一下大断面顶管施工在地质条件差、地下构筑物复杂、地面交通环境复杂等情况下的应用。
关键词：地铁正线隧道；施工；大断面顶管；应用
本项目地铁正线区间隧道原设计为明挖施工，全长384m，结构埋深10m，结构断面11.5m*6.4m，采用单层双跨矩形箱体结构形式，建成后的区间隧道需与已经开通的地铁线路折返线端头对接。因本地铁区间隧道位于国际机场内，具备条件施工时机场的地下市政管网、地面交通都已经形成，如果仍采用明挖法施工，将涉及到大量的机场市政管网的迁改、地面交通的重新疏解改道，对整个机场的运营造成很大影响。
鉴于以上原因，根据反复协调及方案论证，最终决定，将其中下穿机场雨水渠箱、机场南南高架桥、机场大道东西联络道段，里程YDK29+910～YDK30+011段采用顶管法施工。
1设计概况
顶管段总长度为101m，顶管始发井设在YDK30+011.500处，井内净空尺寸为16m×14m。顶管段采用双孔双线隧道，左、右线隧道间距10cm。施工时采用一台7020mm×6450mm土压平衡矩形顶管机进行施工，依次顶进左、右线隧道。顶管段另一端设置一顶管工作井，用于顶管机的吊出，后期兼做轨排井。具体详见下图1，顶管段平面布置图：
图1：顶管段平面布置图
结合施工场地、地质条件等因素，经过多方论证，最终选取了土压平衡式的矩形顶管机，采用同平面八刀盘的刀盘形式（刀盘直径分别为2个DN3200、2个DN2400、4个DN1960）。机头后面配以24个200t、行程10cm的纠偏油缸（最大纠偏角度：上下2°，左右1.8°）。出土采用两台37KW螺旋出土机。
单线顶进距离为101m，顶推力需求很大大。计算需求的主顶推力达到3800t，制造时在顶管机顶铁后方的两侧、上下共均匀配置24个200t、行程3.5m（二级行程：1.9m+1.6m）的主顶油缸，保证顶进推力满足施工要求。
管节外形尺寸为7×6.43×1.5m，双线管节共有134节，管节壁厚0.6m。管节为钢筋砼结构，混凝土设计强度等级为C50，抗渗等级不小于P10。管节两端分别预埋钢套环和钢环，管节内还预留对称压浆孔和起吊孔及翻身孔。两管节之间接头形式为F型承插式。
2顶管施工地面准备工作
2.1首先需要完成施工用电、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。井上、井下建立测量控制网。
2.2完成顶管始发及到达端头双管旋喷桩满堂止水加固施工。止水加固完成后，应按照设计要求对加固土体进行检测，以达到止水加固效果。加固施工中要严格跟班管理制度，防止加固施工的双管旋喷桩机的钻杆、钻头在施工过程中脱落，脱落的钻杆、钻头会对以后的顶管机刀盘、出土螺旋造成严重的损伤，而且造成出土困难，影响工期。一旦发现有脱落的钻杆、钻头，必须及时给予清除，以绝后患。
3地面沉降控制
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；不断根据反馈数据进行土压力设定值调整；严格控制出土量，防止欠挖或超挖。
3.1顶进过程中的注浆减阻
为减少土体与管道间摩阻力，在管节外壁压注触变泥浆，在管节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。
3.2顶进到达出洞
（1）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连墙钢筋混凝土。
（2）当顶管机头靠近接收井时，加强测量的频率和精度，减少轴线偏差，确保顶管机准确进洞。
（3）适当减慢顶进速度，调整出土量，逐渐减小机头正面土压力，确保洞口结构稳定。
（4）对出洞区域的洞门完全打开前应采用探孔的方式观察洞门四周是否有渗水现象。
图2 顶管出洞
（5）左线出洞以后，将刀盘拆除进行修复，特别磨损比较厉害的需要更换。然后将顶管机头、纠偏油缸、出土螺旋机系统托运至顶管始发井，继续进行右线的顶进施工。
4大断面顶管施工遇到的问题及对策。
4.1施工难点1：近正方形小间距长距离顶管，顶推力大、纠偏困难。
针对这一困难，我们首先从选取适用于现场作业条件的新型土压平衡矩形顶管机，并从顶管机的刀盘、出土螺旋机、纠偏油缸、注泥孔的设计上给予解决。
（1）工欲善其事必先利其器，近似正方形的顶管隧道，是国内首次用于地铁正线隧道施工，国内也没有相似的工程经验可以借鉴。对于近似于正方形的隧道，在顶进过程中极易发生扭转，因此在切削刀盘的布置上也要很讲究。如何保证砂层中土压平衡顶管机的重要指标的搅拌率，是顶管及设计制造过程中的难题。
为什么选择土压平衡顶管机？第一，是因为施工场地不足，满足不了泥水机的场地布置。但是其中一个重要的原因是，我们相信通过土体改良，土压平衡机也能顺利的顶进，而且也能将地面沉降控制在很小的一个级别。
（2）叠加刀盘对前方地层扰动范围大，易造成沉降；叠加区域容易被异物卡住，造成刀盘损坏。相对于叠加刀盘，平面刀盘更能保证土体搅拌率，而且小刀盘组合的形式能更好的控制土体沉降。因此我们选用了平面八刀盘的设计，土体切削面积为84%，而搅拌面积达到了75%。
（3）为了保证富水砂层的出土速度，根据类似地层顶管机设计经验，我们选用了两台37kw的螺旋机，安装角度为15°。为便于纠偏分4路方向布置了纠偏油缸，分别控制上下左右方向油缸的伸出回收，而且在机头每个侧面各布置有2个2寸注泥孔，通过注泥可以对左右方向的偏转进行纠正。
（4）加强顶管后靠背系统的整体性，并对主顶油缸进行了针对性的设计。加强后的后靠背系统能与均匀对称设计的主顶油缸共同提供平稳、持续的顶推力。施工中我们总结出长距离顶进减阻施工技术，保证顶管的长距离顶进顺利进行。通过管节外壁烤制石蜡层及触变泥浆跟进施工的施工方法，成功将设计的3800t顶推力，控制在了3000t以内。
（5）施工中，我们研发了极小间距顶进保持技术，形成了一套使用套筒式土砂泵进行机头纠偏的方法，并改造顶管机使之能在极小间距下顺利顶进。熟练利用土砂泵进行机头纠偏，改造后的顶管机在右线顶进过程中表现良好。
（6）施工中，我们还研发了顶管隧道防破坏技术，避免右线顶进时对左线造成挤压破坏。利用锚索将左线顶管隧道连成整体、利用焊接钢筋将左线管片连成整体、在右线顶进过程中在左线顶管隧道内增加移动配重。
4.2施工难点2：富水砂层顶管进出洞，施工风险大。
针对这一困难，在施工过程中优化了富水砂层顶管进出洞施工步骤，确保了顶管机能在砂层中安全进出洞。
始发及接收井端头采用旋喷桩加固土体，顶进前通过打水平孔对加固体进行验证。始发时，顶管机头一旦贴到撑子面，就采用土砂泥进行封闭。出洞时洞门钢环焊制双重止水钢板，同时利用砂包平衡机头出洞时平面水头及土压。
4.3施工难点3：地层中存在少量前期施工遗留的障碍物造成出土螺旋机卡住无法出土，局部黏土层造成刀盘结泥饼导致刀盘无法正常工作，处理困难。
在顶进过程中，撑子面前方存在未破除的围护结构地连墙砼块、旋喷桩加固体结块等，会集中进入出土螺旋机中，影响出土。在本工程施工中，攻克了顶管机在有障碍地层中无法推进的问题，使顶管机具有小块障碍物清除的能力。可以通过利用改进过的螺旋机或拆除螺旋机对一定大小的障碍物进行破碎、清除。
因为顶管机设计，是针对砂层地质设计的，但是施工中机头前方的刀盘会碰到局部的黏土底层。本工程，我们根据顶管机后台监控，一旦发现哪个刀盘电流加大，就需要对其前方的黏土进行处理。在本工程中，我们采用一些化学高分子分散剂，从刀盘的注水孔打入掌子面，对刀盘结泥饼的黏土进行软化，效果不错。
4.4施工难点4：顶管隧道接缝量大，渗漏控制难。
本工程，管片长度为1.5m，单线隧道共计67节管片，施工完成后形成了66个管片接缝。管片接缝的渗漏控制，是本工程的一大难点。
本工程施工过程中，加强了顶管管片间防水设计，增加了顶管成品保护措施，保证顶管接口处紧密。具体采取了以下措施：通过加强管片交接处防水设计（管壁外侧接口部位增设环形钢套和锯齿形密封圈、管片端部预留压浆孔和防水压浆孔），保证管节之间交接处密封并具优异的止水能力。顶管顶进后及时对预留孔进行注浆处理。67节管片采用预应力直线紧固，确保管片接头部位紧密性。
5结束语
大断面顶管施工技术是当前用于地铁隧道施工中的一种新技术，其具备施工速度快、安全性高等特点。本文通过我国南方一个城市位于国际机场内一段地铁正线区间隧道分析了大断面顶管施工的具体应用，以期为同类工程提供参考与借鉴。
论文作者:杨亚光
论文发表刊物:《基层建设》2017年第36期
论文发表时间:2018/3/28
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