城市下穿通道矩顶管施工工法

城市下穿通道矩形顶管施工工法

1. 前言

长期以来，城市过街通道一直采用传统的明挖法、矿山法施工。明挖法施工对城市地面交通和居民的正常生活有影响，其管线改迁、交通疏解工作量巨大，协调工作困难，且矿山法施工容易引起地下水流失,从而引起地面沉降或隆起；在施工中处理不当,容易引起地面坍塌,从而造成对周边环境的影响和引发事故。矩形顶管法是上世纪70年代末由日本最先研发并使用，它作为过街通道施工的新方法在实际运用中有着施工进度快、无噪音、无振动，对地面交通及沿线建筑物、地下管线和居民生活等影响很小等优点，上世纪90年代中期在江浙等沿海地区开始推广应用，其断面尺寸由2.5m×2.5m的小断面发展到现在的6m×4m大断面，施工技术也日趋成熟。

2. 工法特点

2.0.1顶管法施工占地面积少，与同管径的明挖施工相比可节约用地。

2.0.2施工移入地下使地面活动不受施工的影响，可保持交通运输畅通无阻。

2.0.3穿越铁路、公路、河流、建筑物等障碍物时可减少沿线的拆迁工作量，节约资金和时间，降低工程造价。

2.0.4利用土压平衡矩形顶管机可对矩形断面进行全断面切削,保持土压平衡，对周围土体扰动小。施工过程中能做到不破坏现有的管线及构筑物，不影响其正常使用。

2.0.5施工无噪音，减少对沿线环境的污染。

2.0.6施工不受季节、风雨等气候条件影响。

2.0.7通过可编逻辑程序控制器及各类传感器等随时监测施工状况，确定施工参数，使整个施工过程处于受控状态，从而有效控制矩形隧道顶进轴线、转角偏差及地面沉降。

3. 适用范围

3.1本工法适用于粘土、淤泥质粘土、粉质砂土及砂质粉土等地层或不宜大开挖的错综复杂的各类地下管线下的地铁车站出入口通道及各种过街人行、车行通道施工。

3.2根据国内外已经施工的各种工程实例，通常还可将矩形顶管法应用于以下工程：

3.2.1穿越城市繁华街道的地下通道工程；

3.2.2穿越江河、湖泊、港湾水体下的供水、输气、输油管道工程；

3.2.3穿越城市建筑群、繁华街道地下的上下水、煤气管道工程；

3.2.4穿越重要公路、铁路路基下的通讯、电力电缆管道工程；

3.2.5水库坝体涵管重建工程等。

4. 工艺原理

矩形顶管法施工是借助主顶油缸及管道间中继间等的推力，将工具管或掘进机从工作坑内穿过土层一直推到接收坑内吊起。与此同时，也就把紧随工具管或掘进机后的管道埋设在两坑之间。对于长距离顶管，由于主油缸的顶力不足以克服管壁四周的土体摩阻力和迎面阻力，常将管道分段，在每段之间设置由一些中继油缸组成的移动式顶推站即中继间，且在管壁四周加注减摩剂以利于长距离管道的顶推。

整个控制系统以土压平衡为工作原理，通过大刀盘及仿形刀对正面土体的全断面切削，改变螺旋机的旋转速度及顶进速度来控制排土量，使土压仓内的土压力值稳定并控制在所设定的压力值范围内，从而达到开挖切削面的土体稳定。

5. 施工工艺流程及操作要点

5.1 施工工艺流程见图5.1。

图5.1 顶管施工工艺流程图

5.2 操作要点

5.2.1测量放样：利用全站仪及水平仪将顶进轴线及标高控制点引入始发井内，并在始发井安设固定的经纬仪控制顶管机的安装及顶进姿态。

5.2.2设备安装及调试：设备到场后利用大型汽车吊将设备吊入工作井内进行安装，并将后台压浆设备及施工场地清理平整到位，然后对全套顶进设备作一次系统的调试，应特别注意仿形刀在穿越加固层时的切削性能。

5.2.3顶管出洞

顶管机出洞是施工过程中应控制的关键环节，顶管机顶出洞圈至顶管机切口距工作井6m范围为出洞段，通常工作井的围护型式多为SMW工法桩，同时为防止背后土体在拨除型钢时产生突然坍塌，后背出洞段范围采取加固处理，顶管的出洞过程即为搅拌桩内拔除H 型钢和顶管机头经过出洞段加固区并进入原状土体的过程。其施工步骤如下：

顶管机头靠上搅拌桩封门→ H型钢拔除→顶管机切削加固土体→机头切口进入原状土、提高正面土压力值至理论计算值。

1．型钢拨除：H型钢拔除前工程技术人员、施工人员应详细了解现场情况和封门图纸，分析可能发生的漏水情况，并准备相应措施，制订拔桩顺序和方法，分工明确，并由专人统一指挥。

2．在洞圈内的H型钢全部拔除后，应立即开始顶进机头，由于正面为全断面的水泥土，为保护刀盘，顶进速度应放慢。另外，可能会出现螺旋机出土困难，必要时可加入适量清水来软化或润滑水泥土。顶管机进入原状土后，为防止机头“磕头”，拉紧机头和前三节管节之间的拉杆螺丝，同时适当提高顶进速度，使正面土压力稍大于理论计算值，以减少对正面土体的扰动及出现地面沉降。

3. 为了防止泥浆从管节外壁和工作井之间的间隙中流出，而使水土流失造成地面沉降，同时影响触变泥浆套的形成而降低减摩效果，在洞圈上预设阻浆密封装置。

5.2.4顶管顶进

1.土压平衡式顶管机是利用土压力平衡开挖面土体，达到支护开挖面土体和控制地表沉降的目的，平衡土压力的设定是顶进施工的关键。土压力随着顶进施工，土压力值应根据实际顶进参数、地面沉降监测数据作相应的调整。其最初的各种参数按以下计算方法确定：1）.正面土压力的设定

土压平衡式掘进机土仓内的压力设定值是根据掘进机正面土压力计算值而确定的。开挖面土压力采用Rankine压力理论进行计算：P＝K0 γZ；

式中P——管道顶部或底部的侧向土压力(MPa)；

K0——软粘土的侧向系数（参考《基坑开挖手册》）；

γ——土的容重(kN/m3)；

Z——覆土深度(m)；

以上数据为理论计算值，作为土压力的最初设定值。在掘进机出洞进入原状土后，通过出土量、顶进速度、路面和管线隆沉等监测数据，适时调整土压力的设定值。

2）.主顶力的计算

封闭式顶管的顶力R估算由掘进机前端的迎面阻力N和注入触变泥浆的管壁外周摩阻力F组成，其公式表示为：R = N + F = S×Pt + f×L×l

式中S——机头截面积，m2；

Pt——机头底部以上1/3高度处的被动土压力，kN/m2；