土壓平衡式矩形頂管頂進(jìn)工法
(上海隧道工程股份有限公司)
土壓平衡式矩形頂管頂進(jìn)工法是利用土壓平衡矩形頂管機(jī)完成矩形斷面的隧道施工，其結(jié)構(gòu)斷面的合理性可減少土地征用量和掘進(jìn)面積，降低工程造價。可用于建造地鐵車站、地鐵及水底隧道旁通道等。上海隧道工程股份有限公司通過完成斷面尺寸為2.5m×2.5m、長為60m的矩形隧道試驗(yàn)，并于1999年4月在上海地鐵2號線陸家嘴車站5號出人口地下人行通道工程中成功應(yīng)用，取得了顯著的技術(shù)成果、經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。該技術(shù)成果獲200年上海市科技進(jìn)步二等獎。
一、特點(diǎn)
1．利用土壓平衡矩形頂管機(jī)可對矩形斷面進(jìn)行全斷面切削，保持土壓平衡，對周圍土體擾動小。
2．在同等截面積下，矩形隧道比圓形隧道可更有效地利用空間，減少地下掘進(jìn)土方。用于人行、車輛等的地下通道不需再進(jìn)行地面鋪平工序，不僅省時而且可降低工程造價20％左右。
3．不影響原有的各類地下管線，不影響道路交通、水運(yùn)以及地面的各類建筑。施工時無噪音、無環(huán)境污染。
4．通過可編邏輯程序控制器及各類傳感器等隨時監(jiān)測施工狀況，確定施工參數(shù)，使整個施工過程處于受控狀態(tài)，從而有效控制矩形隧道頂進(jìn)軸線、轉(zhuǎn)角偏差及地面沉降。
二、原理及適用范圍
1．工作原理。整個控制系統(tǒng)以土壓平衡為工作原理，通過大刀盤及仿形刀對正面土體的全斷面切削，改變螺旋機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度及頂進(jìn)速度來控制排土量，使土壓倉內(nèi)的土壓力值穩(wěn)定并控制在所設(shè)定的壓力值范圍內(nèi)，從而達(dá)到開挖切削面的土體穩(wěn)定。
2．適用范圍。本工法適用于在粘土、淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)砂土及砂質(zhì)粉土等地層中施工。特別適用于在不宜大開挖的錯綜復(fù)雜的各類地下管線下進(jìn)行矩形斷面的施工，保證地面建筑物不受損害。
三、施工工藝
1．施工設(shè)備。
(1)組合刀盤式土壓平衡頂管機(jī)(見圖1)，由上海隧道工程股份有限公司研制，并已在工程中得到應(yīng)用。
它主要由頂管機(jī)機(jī)頭、大刀盤及仿形刀裝置、糾偏裝置、螺旋機(jī)、主頂裝置、動力裝置、壓漿系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)及監(jiān)測系統(tǒng)等組成。
?。?）配套設(shè)備。行車，拌漿系統(tǒng)，注漿泵，電焊機(jī)、空壓機(jī)等。
2．施工順序。
(1)工作井清理、測量及軸線放樣。
(2)出洞口密封安裝及檢查，并進(jìn)行出洞輔助技術(shù)措施：井點(diǎn)降水或地基加固處理。
(3)井口行車、井上輔助設(shè)施的布置和安裝。
(4)頂管機(jī)就位。
(5)后座頂進(jìn)裝置及井下輔助設(shè)施的布置和安裝。
(6)頂管機(jī)下井、就位。
(7)頂管機(jī)井下安裝、調(diào)試，作好開頂準(zhǔn)備。
(8)頂管機(jī)開門出洞后開頂。
(9)混凝土管節(jié)就位。
(10)頂管循環(huán)頂進(jìn)。
四、施工要點(diǎn)
1．出洞施工及密封。
（1）對全套頂進(jìn)設(shè)備作一次系統(tǒng)調(diào)試，特別注意仿形刀在穿越加固層時的切削性能。在確定頂進(jìn)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況良好后，把機(jī)頭頂進(jìn)洞圈內(nèi)距加固層10cm左右。
(2)洞門密封圈的制作：為了防止泥漿從管節(jié)外壁和工作井之間的間隙中流出，而使水土流失造成地面沉降，同時影響觸變泥漿套的形成而降低減摩效果，在洞圈上預(yù)設(shè)阻漿密封裝置。
(3)機(jī)頭穿墻頂進(jìn)：在拔除鋼封門后，應(yīng)立即開始頂進(jìn)機(jī)頭，由于正面為全斷面水泥土，為保護(hù)刀盤和仿形刀，頂進(jìn)速度應(yīng)適當(dāng)減慢，使刀盤和仿形刀能對水泥土進(jìn)行對矩形斷面徹底切削；另外由于此段土體過硬，螺旋機(jī)出土?xí)r可加適量清水來軟化和潤滑土體。
2．觸變泥漿的應(yīng)用。
(1)為減少土體與管道間摩擦力，在管道外壁壓注觸變泥漿，在管道四周形成-一圈泥漿套以達(dá)到減摩效果，在施工期間要求泥漿不失水、不沉淀、不固結(jié)。
(2)壓漿量的計算(每節(jié)管節(jié))。為了保證注漿效果，注漿量應(yīng)取理論值的2-3倍。
V=(D2-d2)v×300％
式中 V--注漿量；
D--前段外包尺寸；
d--后段外包尺寸；
v－推進(jìn)速度。
3．頂管后靠及機(jī)座安裝。為保證頂管工作井的后壁能均勻受力，加工一剛度較大的剛性后靠。整體吊裝，放在頂進(jìn)裝置與井壁之間，進(jìn)行定位固定。
4．主要施工技術(shù)參數(shù)的控制。
(1)正面土壓力的控制。土壓力根據(jù)Rankine土壓力理論進(jìn)行計算，計算值作為土壓力的最初設(shè)定值，在實(shí)際頂進(jìn)后，通過頂進(jìn)參數(shù)、地面沉降監(jiān)測，將設(shè)定土壓力值調(diào)整到1.2kg／cm2左右，正面出土量、地面沉降情況較為理想。
(2)出土量的控制。應(yīng)盡量精確統(tǒng)計出每節(jié)管節(jié)的出土量，力爭使之與理論出土量保持一致，以保證正面土體的相對穩(wěn)定。
(3)頂進(jìn)速度的控制。在頂進(jìn)時應(yīng)對頂進(jìn)速度作不斷調(diào)整，找出頂進(jìn)速度、正面土壓力、出土量的最佳匹配值，以保證頂管的頂進(jìn)質(zhì)量。
5.頂進(jìn)軸線的控制。
(1)高程控制。在頂進(jìn)過程中一旦頂管出現(xiàn)上拋現(xiàn)象，不宜采取降低地面土壓力、增大出土量、過量向下糾偏等動作。應(yīng)在頂進(jìn)時將機(jī)頭高程始終控制在負(fù)值，這樣即使在機(jī)頭下沉較大時，所采取的糾偏措施也和地面沉降控制相統(tǒng)一。
(2)平面控制。由于受第一條頂管頂進(jìn)時擠壓、壓漿等影響，在已成管道周邊土體強(qiáng)度較原狀土大，在第二條頂管頂進(jìn)時，機(jī)頭平面可能有偏離已成管道的現(xiàn)象，頂進(jìn)時應(yīng)把機(jī)頭平面始終控制在靠已成管道方向。
(3)轉(zhuǎn)角控制。矩形管道的橫向水平要求較高，在頂進(jìn)過程中對機(jī)頭的轉(zhuǎn)角需密切注意，機(jī)頭一旦出現(xiàn)微小轉(zhuǎn)角，應(yīng)及時糾轉(zhuǎn)。
?、偌m轉(zhuǎn)裝置糾轉(zhuǎn)。安裝于殼體兩側(cè)的糾轉(zhuǎn)裝置根據(jù)需要旋轉(zhuǎn)角度，將翼板伸出殼體插入土體內(nèi)，在機(jī)頭向的推進(jìn)時，土體在翼板上產(chǎn)生一側(cè)向分力，形成一力偶使機(jī)頭按所需的方向旋轉(zhuǎn)，以達(dá)到糾轉(zhuǎn)目的。
?、趬簼{糾轉(zhuǎn)。壓漿糾轉(zhuǎn)是利用殼體上壓漿管注漿，翅板將漿液分隔成四個區(qū)域，根據(jù)糾轉(zhuǎn)方向的要求，選擇適當(dāng)?shù)膲簼{點(diǎn)，使壓出的漿液在機(jī)頭形成一力偶，使機(jī)頭按所需的方向旋轉(zhuǎn)，以達(dá)到糾轉(zhuǎn)目的。
利用變角切口糾轉(zhuǎn)。安裝于機(jī)頭切口環(huán)兩側(cè)的左右各兩個變角切口，其千斤頂?shù)纳炜s可控制翻板的角度，頂進(jìn)時產(chǎn)生一定的超挖，使殼體二側(cè)土體產(chǎn)生一條槽形空間，并同時在機(jī)頭一側(cè)配合注漿，使機(jī)頭產(chǎn)生一力偶，以控制機(jī)頭的姿態(tài)，達(dá)到糾轉(zhuǎn)的目的。
(4)機(jī)頭糾偏控制。頂管在正常頂進(jìn)施工過程中，必須密切注意頂進(jìn)軸線的控制。在每節(jié)管節(jié)頂進(jìn)結(jié)束后，必須進(jìn)行機(jī)頭的姿態(tài)測量，并做到隨偏隨糾，且糾偏量不宜過大，以避免土體出現(xiàn)較大的擾動及管節(jié)間出現(xiàn)張角。
6．地面沉降控制。
(1)利用土壓平衡矩形頂管機(jī)對矩形斷面進(jìn)行全斷面切削。嚴(yán)格控制施工參數(shù)，防止超、欠挖。
(2)解決矩形頂管機(jī)機(jī)頭頂部背土問題。在矩形頂管機(jī)的機(jī)頭殼體頂部安裝壓漿管，并開有壓漿槽，使?jié){液均勻分布于整個上頂面，在土體和殼體平面之間形成一泥漿膜，以減少土體同殼體的摩擦力，防止背土現(xiàn)象的發(fā)生。
(3)在頂進(jìn)時，每隔一段時間應(yīng)對頂管機(jī)后部已成管道高程作一次復(fù)測，一旦出現(xiàn)管道下沉情況嚴(yán)重時，應(yīng)對下沉部位進(jìn)行底部注漿，防止由此引起的地面沉降。
7．測量。
(1)矩形頂管機(jī)出洞前必須認(rèn)真測定頂管機(jī)切口的軸線和標(biāo)高，并將數(shù)據(jù)及時反饋進(jìn)行調(diào)整．硬進(jìn)中原始數(shù)據(jù)、表格必須連續(xù)真實(shí)填寫清楚。
(2)交接班時應(yīng)交清測量記錄，將儀器對中，并交清管道軌跡和糾偏趨向。
(3)頂程結(jié)束后必須全線復(fù)測、繪制管道頂進(jìn)軌跡圖(含高程、方向、頂力曲線)，并由施工質(zhì)監(jiān)人員檢查復(fù)核。
(4)在過道路時，應(yīng)按建設(shè)單位的要求在指定地段進(jìn)行施工監(jiān)測布置，觀測頂進(jìn)過程中地表變形和土體位移情況，以便采取預(yù)防措施，避免影響道路正常運(yùn)行的事故發(fā)生。頂進(jìn)結(jié)束后應(yīng)繪制施工過程和竣工后的地面變形圖。
8．矩形管節(jié)和接口。
(1)矩形管節(jié)混凝土采用C40，抗?jié)B指標(biāo)為S6。并采用F型鋼套接口、齒形氯丁橡膠止水帶。
(2)襯墊板的厚度，應(yīng)按設(shè)計頂力大小確定，粘貼時，凹凸口對中，環(huán)向間隙符合要求。
(3)插入安裝前滑動部位可均勻涂薄層硅油等潤滑材料，減少摩阻。
(4)承插時外力必須均勻，橡膠圈不移位、不反轉(zhuǎn)、不露出管外。
五、施工人員及施工管理
1. 施工人員：每班12人，具體分工如表1所列。
2．施工管理。
(1)技術(shù)管理。由施工技術(shù)員負(fù)責(zé)，具體職責(zé)為：監(jiān)督施工參數(shù)的實(shí)施及處理施工時發(fā)生的臨時變更情況，及時與設(shè)計單位聯(lián)系。
(2)質(zhì)量管理。由操作班長與操作員建立TQC小組，操作班長負(fù)責(zé)監(jiān)督實(shí)施設(shè)計施工參數(shù)，嚴(yán)格按照操作規(guī)程操作，并作好當(dāng)班記錄，發(fā)現(xiàn)問題，及時與技術(shù)員聯(lián)系解決，定期進(jìn)行TQC活動，保證施工質(zhì)量。
(3)安全臂理。
?、賴?yán)格遵照國家頒發(fā)的《建筑安裝工程安全技術(shù)規(guī)程》》和上海市市政工程管理局對施工現(xiàn)場安全的有關(guān)規(guī)定。
②頂管機(jī)及管道內(nèi)照明用電應(yīng)使用安全電壓。
?、蹌恿﹄娎|轉(zhuǎn)換接插前，要先切斷電源，后拔出插頭。
④混凝土管吊運(yùn)時，管下嚴(yán)禁站人。
⑤管道內(nèi)的電力電纜、控制電纜應(yīng)懸掛固定
⑥外部照明要充足，安放高度不得低于3cm。
?、咴诘踯囆凶呗肪€上不得有任何電源線。
⑧及時檢查各操作員的操作程序，嚴(yán)防違章操作。
?、峒皶r檢查各壓力管接頭的可靠性，防止壓力管爆裂傷人。
六、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)
除應(yīng)遵照國家標(biāo)準(zhǔn)《地基與基礎(chǔ)施工及驗(yàn)收規(guī)范》、《鋼筋混凝土工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》和上海市建委頒發(fā)的《市政工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》、頂管標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定外，施工中還應(yīng)做到：
1．矩形管節(jié)的邊長誤差＜±2mm，高度誤差＜lmm，上下平面矩形外框?qū)蔷€誤差<4mm，側(cè)向平面與上下平面的垂直度誤差<2mm。
2．當(dāng)管頂與隧道底距離小于管徑時，隧道段地面最大隆起值為l0mm，最大沉降值為30mm。
3. 頂進(jìn)時，轉(zhuǎn)角必須控制在±1°之內(nèi)。
七、效益分析
1．與圓形頂管相比，沒有浪費(fèi)的掘進(jìn)面積，充分利用了結(jié)構(gòu)斷面，從而使地下空間得到有效利用。而用于人行、車輛等的地下通道不需再進(jìn)行地面鋪平工序，亦可節(jié)約大量的時間和資金。
2．與箱涵頂進(jìn)相比，由于土壓平衡的控制，對土體的擾動小，能有效地控制地表的沉降和隆起，可在鬧市區(qū)或建筑密集場合下的管道施工，大大減少了地上地下構(gòu)筑物破壞而帶來的損失。
3．在穿越道路、鐵路、隧道、河流的管道施工時，不可能采用開槽埋管，利用矩形頂管機(jī)施工則可保證交通通行，大大減少了因施工所引起的道路中斷，具有明顯的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。
八、工程實(shí)例
上海地鐵2號線陸家嘴車站5號出入口人行通道位于陸家嘴金融貿(mào)易區(qū)，分布在延安東路隧道引道段的南北兩側(cè)。通道由兩條長度各為62.25m、斷面尺寸為3.8m×3.8m的平行矩形管道組成，兩條管道凈間距為2.2m，管道坡度均為0.2％。
工程沿線穿越延安東路浦東引道段及上水管、煤氣管、雨水管、污水管、市話線、電力線等管線。其中管道與φ450污水管、φ1000雨水管、φ800雨水管底凈間距均為1m，與延安東路隧道引道段結(jié)構(gòu)底凈距為1.37m。土層為灰色砂質(zhì)粉土與灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層，覆土厚度為5.3m左右。
1999年4月26日，由上海隧道工程股份公司研制的3.8m×3.8m組合刀盤式土壓平衡矩形頂管機(jī)正式應(yīng)用與地鐵2號線陸家嘴車站5號行人出入通道，以日頂進(jìn)速度5m，最高速度9m/d，于6月5日便圓滿完成了兩條62.25m矩形隧道，順利地穿越了離隧道頂部僅為1.37m的延安東路引導(dǎo)段，四周密布重要管線絲毫未損，并將延安東路隧道引道段的沉降控制在10mm以內(nèi)，轉(zhuǎn)角控制在±0.5°之內(nèi)。
