2021年大断面矩形顶管施工技术

大断面矩形顶管施工技术

一、

欧阳光明（2021.03.07）

二、矩形顶管简介

矩形顶管法是借助顶推设备（液压千斤顶）将管节从工作坑（始发井）内穿过土层一直推到接收坑（到达井）内，依靠顶管机刀盘不断地切削土屑，由螺旋机将切削的土屑排出，并通过洞内水平运输至始发井口吊出。边顶进，边切削，边排土，将管道逐段向前铺设的一种非开挖施工技术。

1.2 矩形顶管适用范围

矩形顶管工艺适用范围如图1.2-1所示。

地铁出入口

过街通道

地下综合管廊

穿越铁路、河流等

图1.2-1 矩形顶管适用范围示意图

1.3 矩形顶管施工优缺点

1.3.1 矩形顶管工优点

（1）施工占地面积小、噪音低、无扬尘；

（2）不开挖路面、不封闭交通、不改迁管线；

（3）在同等截面下，矩形隧道比圆形隧道能更有效的利用地下空间；

（4）施工对周围土体扰动小，能有效控制地面和管线沉降；

1.3.2 矩形顶管工缺点

根据顶管机设计，顶管螺旋机出土最大粒径为250mm，，施工中有可能会遇到顶管机无法排出的较大孤石。在遇到顶管机无法排出的孤石时需于地面确定孤石位置进行临时交通疏解，开挖取出孤石。

二、大断面矩形顶管机介绍

顶管机根据矩形顶管设计尺寸及地层情况进行设计制造，主要

由切削搅拌系统、驱动系统、纠偏及液压系统、出渣系统、顶推系统、测量显示系统、电气操作系统等组成。

2.1 切削搅拌系统

矩形顶管配置了6个辐条式刀盘，刀盘开口率70%以上，采用3前3后平行轴式布置,相邻刀盘的切削区域相互交叉，开挖覆盖率能达到93%~95%。考虑要通过加固区，在前盾切口环全圆布置切刀，对盲区进行主要切削。

刀盘切削下来的土体充满整个土仓，并经过刀盘附带的搅拌棒充分搅拌均匀后，由底部螺机出土孔进行出土。

2.2 驱动系统

(1)驱动形式：变频驱动；

(2)速度：0～1.16 rpm，无级变速；

(3)最大理论扭矩：1444kN·m（单个刀盘）

(4)驱动功率：30kw×6×6（6组）

2.3 出渣系统

螺旋输送机结构包括壳体、轴式叶片、驱动装置、尾部闸门几部分。螺旋输送机安装在土压仓下部，其作用是排除渣土、碎石以及调控土压仓压力，实现土压平衡。

排出的渣土经过洞内水平运输至始发井口，吊运至集土坑。2.4 纠偏系统

纠偏系统主要作用就是在推进过程中，若出现轴线偏离一定角度，则使用纠偏油缸进行纠偏，以纠正矩形盾构顶管的姿态，纠偏油缸属于主动铰接，纠偏油缸的布置主要考虑结构上合理，满足上

下、左右纠偏的效果。

纠偏原则：（1）勤纠、微纠和看趋势进行纠偏；（2）向上下，后左右

2.5 顶推系统

顶推系统主要是为矩形顶管机及管节提供顶进动力，由顶铁、主顶油缸、液压泵站组成。

组合顶铁

主顶

液压泵站

组合图 2.6 渣土改良系统

顶管机配置膨润土和泡沫两套改良系统，可单独使用，也可同时使；六个刀盘的每根辐条上均布置碴土改良孔，掘进过程中，通过管路将碴土改良剂送至土仓，改良土体。

2.7 触变泥浆减阻系统

在壳体上和每节管片上均布置有触变泥浆注浆孔，壳体上注浆

孔在一定程度上能起到调整盾体姿态的作用，管节上的注浆孔，主要用来减小摩阻力，同时也能最大限度的解决背土问题。

2.8 导向测量系统

在始发井处设置激光经纬仪，在矩形盾构顶管内设置导向靶。通过激光在导向靶上的投射斑点的位置来判断矩形盾构顶管的当前姿态。

2.9 控制系统

矩形顶管操作控制室设置在地面上，通过Profibus协议与远程I/O模块组建顶管的控制系统。同时，设备选用工业电脑作为图形终端通过以太网协议与PLC实现数据交流。

三、大断面矩形顶管管节介绍

3.1 管节设计

矩形顶管管节一般采用矩形或类矩形（上部微拱）结构，管节设置吊装孔、触变泥浆孔及浆液置换孔等，单节长度一般为1.5m，矩形管节之间纵向连接采用承插式F型接头。

深圳地铁11号线车公庙站地下通道共计4条顶管，总长329m。设计结构形式为矩形圆倒角钢筋混凝土管节，结构净空宽 3.65m，高5.9m。

（1）顶管采用C50预制钢筋砼管，结构外尺寸为6900＊4650，壁厚500mm，抗渗等级为P10。

（2）每节管节长度为1.5m，每节管节重量约38T,每节理论出土量48.5m3。

（3）顶管通道采用纵向穿锚索的方式加强纵向刚度，锚索孔在

管节预制时预留，管节间预留阴阳榫头以保证施工时锚索孔道在一条直线上。

（4）每片管节设8个DN120mm吊装孔，10个DN25mm钢管压浆孔（顶进时减磨注浆)，18个DN60mm预应力孔道。

管节设计如图3.1-1。

图3.1-1 矩形顶管管节设计图

3.2 管节防水

（1）、外侧防水体系：

管节承口钢套环采用厚16mm的钢板，长345mm，管节插口混凝土结构外侧密贴一道楔形橡胶圈，施工时插入承口钢套环内，在插入过程中，橡胶圈被压缩，密贴钢套环，形成良好的防水体系。

（2）、嵌缝防水体系：

在管节两管节接口处设置嵌缝槽，迎土面采用聚氨酯密封胶填缝，背土面待浆液置换完成后采用低膜量聚氨酯或聚硫密封胶嵌缝。

（3）、浆液置换防水体系

顶管顶进完成后，通过设置在管节中部的二次注浆孔，对管节周边的触变泥浆进行浆液置换，固结通道。

管节防水设计见管节接口细部图3.2。

图3.2-1 顶管管节接口细部构造图

3.3 管节吊装

管节设计有吊装孔，吊装采用专用吊具进行，吊机、钢丝绳、卸扣、吊具、吊点等均须经过验算满足施工吊装要求。