中铁十七局集团上海轨道交通工程有限公司 上海 200000
摘要：随着城市建设的快速发展，为解决马路拉链等问题，综合管廊建设在全国范围内大面积开展。南京江北新区管廊二期工程中过河段采用全国直径最大的管廊顶管，其管径达4.32m，并且浅覆土穿越河道，施工难度较大。顶管技术具有较高的经济适应性，如何安全可靠的完成顶管施工是重难点，本文总结施工经验，介绍了关键技术，可为以后类似工程提供参考。
关键词：顶管法；泥水平衡式顶管机；浅覆土；河流；顶进参数；
1工程概况
江北新区综合管廊二期工程位于江北新区核心区及其周边地区的18条路段下，全长53公里。管廊需下穿七里河河道，河宽约87m，河堤标高约11.9m，河中心底标高约0.4m左右。设计下穿河道段采用圆形双顶管施工工艺，管材采用JCCP钢筒混凝土管，内管径3.6m，外径4.32m，全长293m。
本工程顶管施工所穿越土层为长江漫滩地质，顶管隧道顶标高-4.9m，最大埋深约13m，与河床底最小覆土约5.3m。主要穿越②-2d3粉砂夹粉土，②-2b4淤泥质粉质黏土，并且临近长江，地下水埋深较浅。项目施工地质环境较差，顶管直径较大，顶进距离较长，因此在顶进过程中对土体扰动，将遇到顶进困难、地表塌陷、开挖面失稳、管节开裂及漏水等施工风险。
2 工程特点分析
本工程为平行双顶管施工，线路中心间距10.4m，管径较大，且在过程中穿越河流，为浅覆土顶管施工。工程特点主要有以下两方面：
⑴软土地层中大直径顶管掘进机选型要求高。
对策：①选用大刀盘全断面泥水平衡顶管掘进机，刀盘开口率40%；②采用泥水自动平衡系统，配备变频调速技术的进排泥水泵装置；③采用遥控操作，集合数据采集和数字监控系统。
⑵覆土厚度及土质变化容易引起管节上浮
对策：①加强过河段姿态测量，及时纠偏；②顶进过程中利用管节注浆孔注浆，严格控制注浆压力和注浆量；③根据管节上浮情况，在管节内设置压重，以抵抗上浮力。
施工过程中通过设备选型、技术控制等进行控制。
3顶管设备选型
3.1顶管机选用
综合本工程水文、地质及施工条件，选用φ4350泥水平衡式顶管掘进机。对面板开口率，刀具布置形式，泥水管路布置均进行了适应性改造，并且采用泥水自动平衡系统，在土层中能自动平衡切削面土体压力，有效控制地面沉降、操作安全可靠、施工速度快。
3.2顶管机特点
⑴适用的土质范围较广，在地下水压力很高以及变化范围较大的条件下，可有效地保持挖掘面的稳定，对所顶管隧道周围的土体扰动比较小，引起的地面沉降也比较小。
⑵由于采用泥水管道输送弃土，不存在吊土、搬运土方等容易发生危险的作业。亦不存在采用气压顶管带来的各种问题及危及作业人员健康等问题。
⑶由于泥水输送弃土的作业是连续不断地进行，所以施工进度较快。
⑷采用变频电机，可调节刀盘旋转方向；进排泥浆泵具备变频调速功能；主顶装置选用双作用单冲程等推力油缸8只施工；设中控制室进行远程控制操作，方便统一管理。
4施工技术措施
4.1始发、接收施工技术
4.1.1 加固技术措施
顶管施工中的进出洞是一项很重要的工作，由于顶管所处的地层含水量大，扰动后易塑流的特点，为防止机头进出洞时地下泥水的涌入，确保机头进出洞时的安全性和可靠性。采用φ850@600三轴搅拌桩对进出洞门及后靠的土体进行加固措施，洞门加固范围为隧道外上下左右各3m、轴线方向加固长度为6.5m，地墙围护与三轴搅拌桩间空隙采取一排φ800@500高压旋喷桩接缝加固。由于地下水位较高，且洞门临近河道，在洞门加固外设一圈止水帷幕，采用φ850@600三轴搅拌桩套打施工，深度深入隔水层，确保洞门降水效果。
4.1-2 顶管井洞口加固剖面图
4.1.2 始发技术措施
顶管机全部安装调试完毕后，准备顶进前，采取如下技术措施：
⑴钢后靠墙具有足够的强度，并保证后靠背中心与顶进轴线重合，绝对垂直；
⑵施工前在洞圈上安装洞口止水密封洞圈，由橡胶板+钢压板组成，保证帘布橡胶板的密封性能，防止涌水事故；
⑶洞门凿除之前，先在洞门范围内打米字形探孔，孔数6个，孔的深度约为1.2m，深入三轴加固土体，观察孔内的渗漏水情况。如孔内有连续地流水情况，则需对洞门范围内围护之间补做压密注浆堵漏，再进行洞门凿除施工；
⑷洞门凿至迎土面钢筋外露后，将顶管机推进，使顶管机刀盘抵达洞门，预留施工人员出入空间，再将剩余钢筋割除，凿除剩余部分地下连续墙；
⑸为防止工具管出洞时产生叩头现象，采用延伸导轨，将机头垫高2-3mm，并将前3节钢筋混凝土管与机头做成可调节的刚性连接；
⑹推进工具管，直到洞口止水圈能止水为止，静候3～4h，测出静止土压力，结合理论数据定出推进土压力控制值；
⑺继续前推工具管，在安装第一节管前，应将工具管与导轨之间进行限位焊接，以免在管顶缩回后，由于正面土压力的作用，将工具管弹回。
4.1.3 接收技术措施
⑴当工具管推进至距接收井壁30～50cm时，停止推进；
⑵在确保安全的前提下，分三层分块凿除地连墙围护结构，迅速将顶管机推进接收井；
⑶继续推进，直至推进至设计要求位置为止，将工具管与最后一节顶管脱离；
⑷迅速通过止水钢板将洞门圈与管节上预埋钢板满焊连接，封堵洞门与管节外圈空隙。并预留阀门，方便后续浆液置换。
4.2 顶进施工技术措施
4.2.1顶力估算
顶力F的估算（顶管长度为293m、覆土平均深度：11m、主要穿越淤泥质粉质黏土层）
F＝πD1Lfk+NF
式中： D1—管道外径取4.32m L— 管道设计顶进长度
fk— 管道外壁与土的平均摩阻力（KN/m2），触变泥浆减摩后，取4KN/m2
NF— 顶管机迎面阻力
封闭机头的迎面阻力NF：NF=（π/4）Dg2 ×rs Hs
式中：
Dg— 机头外径 取4.35m rs —淤泥质粉质黏土容重 , 取17.5(KN/m3)
Hs— 管中覆土深，取13(m)
NF =（π/4）×4.352×17.5×13=3380KN/m2
总顶力 F＝πD1Lfk+NF＝π×4.32×293×4+3380=19278KN
顶管实际最大顶力为19278kN，理论值偏大11%。
工作井内布置10只顶力千斤顶，每只千斤顶顶力2500kN，满足要求。
4.2.2 泥水仓压力控制
压力的设定需要结合刀盘扭矩、总顶力、地面沉降数据及其他参数综合考虑分析，并反馈给顶进施工班组。穿越河道时，为防止由于正面土压力过大，导致河底穿孔造成泥浆上串和河水下渗，故需严格控制泥水仓压力。穿越河道顶进施工过程中泥水仓压力比正常顶进过程中小0.1~0.2Mpa，同时保持压力稳定。
4.2.3 进排泥浆流量控制
该顶管段顶管顶进时，每节管道理论出土π×2.1752×3=44.6m3，经过切削加加水形成泥浆量为87.6~131.4m3。
在河道下顶进过程中，应尽量精确地统计出每节的出土量，控制泥浆量，力争使之与理论出土量保持在1~1.1倍之内，确保正面土体的相对稳定，减少地面沉降量。
4.2.4 顶进速度控制
顶管正常掘进速度一般为每分钟5~6cm，当顶近至河道边时，放慢顶进速度，一般顶进速度为每分钟3～3.5cm，由于在穿越河道时考虑到覆土层较浅，顶进过快会使河道底土体开裂，故采取放慢顶进速度，控制在每分钟1～2cm；
4.2.5 顶管机轴线控制
顶管机在正常顶进施工中，必须密切注意顶进轴线的控制。在每节管节顶进结束后，必须进行机头的姿态测量，并做到随偏随纠，且纠偏量不宜过大，以免土体出现较大扰动及管节间出现张角。
在顶进过程中对机头的转角要密切注意，机头一旦出现微小转角，应立即采取刀盘反转、管节腰部加压铁等措施回纠。
4.2.6 注浆减阻技术
顶进施工中，触变泥浆的运用是减少顶进阻力的主要措施，顶进时通过管道外壁的触变泥浆，在管道外围形成一个泥浆套，顶管顶进时在泥浆中形成一组剪切面，从而减少顶进时的顶力，泥浆套性能的好坏，直接关系到减阻的效果。本工程采用触变泥浆的配方见表4.2-1，性能指标见表4.2-2。
表4.2-1 触变泥浆配方
①减阻注浆分三个部位：一是机尾环向均匀布置四个压浆孔进行同步注浆，二是沿线管节内部预留注浆孔补浆，三是洞口处的注浆。
②压浆量包括机头超出管节的部分形成的建筑空隙需要填充，一般为理论空隙的2~3倍，每隔10m损失量浆液损失20%左右，故对压浆总量和压浆时间间隔需要控制。
③顶管掘进一般注浆压力为0.1MPa，过河道时注浆压力控制在0.05～0.07MPa，并随时观测顶管工具管内压力表的变化及工具管和管节接口是否渗水。一旦发现有渗水现象，立即停止顶进，进行处理。
4.2.7 管节安装
本工程采用JCCP钢筒混凝土管节，F承插式，防水由两道O型密封橡胶圈+一道楔型橡胶圈组成，管节间空隙采用聚硫密封胶充填密封。管节安装到位顶进施工前，在两道O型橡胶圈间通过预留的试压孔打压，试验压力为0.6Mpa，恒压3min，无压力降方可继续顶进，否则将管道拔出，更换新的胶圈后重新对接打压。顶进施工完毕后，再对每个接口进行单口水压试验，不合格接口进行补救措施。
4.2.8 监测项目及监测频率
顶管施工前做好初始监测点布置和初始值采集，依据设计监测要求确定七里河顶管下穿河道及堤坝监测项目及监测频率如表4.2-1。
表3.6-1 穿越河道及堤坝监测项目监测频率
5 结束语
5.1 穿越后沉降变形分析
2018年10月24日，管廊下穿七里河区间左线顶管已离开七里河及堤坝沉降影响范围，施工监测和第三方监测对七里河堤坝沉降变形情况进行联测，四个观测断面绝对沉降仅一处超过1.5mm，累计绝对沉降值最大为-5.4mm。沉降值小于沉降控制指标，实现了安全穿越。
图5.1-1 顶管穿越时河道堤坝沉降时态曲线图
5.2结束语
软土地层中浅覆土大直径顶管穿越堤坝、河道施工难度大，安全风险高，本工程严格控制泥水仓压力、顶进速度和出泥量三个关键参数，加强顶管姿态控制，避免较大纠偏引起的地层沉降。在施工过程中，泥水处理系统出渣情况良好，无超挖欠挖现象，河面无冒泡或泥浆溢出，隧道内无渗漏水情况。在富水软土地层中大直径顶管下穿河道做到滴水不漏，难度显而易见，可为其他类似工程提供指导。
参考文献：
[1]韩选江，大型地下顶管施工技术原理及应用【M】.北京；中国建筑工业出版社，2008
[2]顶管工程施工规程.DG/TJ08-2049-2008
论文作者:孟雪飞
论文发表刊物:《防护工程》2019年第2期
论文发表时间:2019/5/9
标签：顶管论文; 泥水论文; 河道论文; 泥浆论文; 压力论文; 机头论文; 工程论文; 《防护工程》2019年第2期论文;