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矩形土压平衡顶管技术在地铁施工中的应用

来源:1+非开挖 2020-08-27 09:46:23

1. 工程概况及地质条件1.1 工程简介

本工程矩形通道位于华强北路与振华路交汇处,是7号线华强北站和华新站之间的地下通道,单条通道长度为41m,共设3条矩形通道。地下通道采用钢筋混凝土箱型结构,设计钢筋混凝土管节75节,管节内径6000mm×4000mm,单节重约42t,连接处设置异形钢管节2节,每节长7m,钢管节总重164t。通道线路与地面的振华路呈“正交”关系,振华路作为交通要道,若采用明挖法施工,交通疏解非常困难,且地下管线多、迁改周期较长,因此采用土压式顶管法施工。


顶管始发和接收工作井利用南北两端的已成型车站建筑物内。考虑到3条矩形顶管通道之间间距较小,为减小相邻通道顶进施工的影响,3条通道施工按照“先两侧后中间”顶进的顺序,即按照①→③→②的顺序从华强北站始发,由北向南顶进。

1.2 地质条件

顶管范围右线土质主要为中砂、粗砂和少量素填土,左线土质主要为砾质黏性土和少量粉质粘土。地下水位埋深3.80m~4.60m。

1.3 施工特点

本工程地下矩形通道采用土压平衡顶管法施工,具有以下主要特点:开挖断面尺寸大、顶管通道埋深浅、通道之间净距小、距既有管线较近、地表沉降要求高。


矩形通道断面尺寸6.9m×4.9m,顶进阻力较大,顶进中易对土体原状结构产生破坏失去稳定。3条通道之间净距为2.15m,小间距顶进时,顶进中产生的侧压力易引起附近通道和土层的位移、变形。通道顶部覆土约3.5m,顶管机掘进时“背土”效应明显。通道与上方污水管正交,两者最小净距离331mm;通道与下方地铁2号线隧道正交,与2号线顶端仅550mm~670mm,施工时容易对既有污水管和2号线产生影响。通道上方地面交通繁忙,两侧多为高层商业建筑物,环境保护要求高。

2. 土压平衡式矩形顶管机介绍

本工程选用的多刀盘土压平衡顶管机,全长约6.403m,总重约205t,主要由切削搅拌系统、动力系统、纠偏及液压系统、壳体、螺旋输送机、测量显示系统、电气操作系统等组成。顶管机头采用6个切削式刀盘,其中3个Ф2600刀盘前置,3个Ф2800刀盘后置,各刀盘轴向位置布置有1寸土体改良剂注入孔,2个Ф560孔径螺旋出土机,16个150t纠偏油缸,在顶管机中部靠上位置设置两个450mm×600mm人工清障进出口。推进系统主顶装置采用顶镐16只,行程2450mm,顶力2000kN/只。机头正面图和侧视图见图1,图2。

3. 顶管法工作原理及工艺控制要点3.1 工作原理

顶管施工就是在待埋设管道段两端设工作井,借助于主顶油缸及中继间等的推力,把工具管或掘进机及紧随的管道从一端顶推穿过土层直到另一端的非开挖敷设地下管道的施工方法。本工程采用的是土压式顶管法施工工艺,是在顶进过程中,利用土仓内的泥土压力和螺旋机排土来平衡地下水压和土压力,并采取渣土改良、注浆减阻等辅助方法,保持开挖面的稳定,以减少推进对地层的扰动,从而控制施工对周边环境的影响。

3.2 顶管施工关键工艺控制3.2.1 顶管进出洞

顶管进出洞口施工是顶管推进中的一项重要环节,其中涉及到洞口土体加固、止水装置安装、测量定位、顶管机就位、掘进参数确定等诸多因素。

1)洞口土体加固采用“门式加固法”,是对管道两侧和顶部一定宽度和长度范围内的土体进行加固,加固的方式有:注浆法、高压喷射搅拌法、冻结法。本工程始发、接收端土体加固采用Ф600@450双管旋喷桩,始发端头加固长度3.2m,宽度为31.65m;接收端加固长度3.65m,宽度为33m。

2)洞门帘布橡胶板安装在预埋好的洞口钢环板上,预埋钢环采用8mm厚Q235钢板,并在延长洞门上预留注浆口等应急措施。

3)洞口测量及顶管机导轨定位采用全站仪、水准仪施工放样,确保通道的轴线、坡度、高程符合设计要求。顶管安装顺序为反力架安装→推进油缸安装一前盾安装→盾尾安装一刀盘安装一输送机安装→U型顶铁安装。

4)土压力初设值按Rankine压力理论公式计算,结合经验确定。顶进推力为初始推力与管道和土层的摩阻力之和,顶进推力随顶进距离长短而增减,出洞前降低顶推力。

3.2.2 顶管机姿态的控制

矩形顶管机方向控制难度大,为使通道按设计要求埋设,在顶进过程中,应随时掌握顶管机和已完通道的轴线空间位置数据,及时调整顶管机姿态,按照“先纠高低偏差,后纠左右平面偏差,最后纠正机头自转角”的原则进行。

1)顶管施工前,测量所使用的仪器仪表送专业机构做全面检定,并在使用过程中经常检查。

2)每次顶进后应测量管节左右平面位置、高程、转角,分析偏差,调整顶管纠偏油缸的动作。

3)顶进中顶管高程出现偏差,不宜改变土仓压力、排土量,纠偏油缸调整量不应太大。应根据土质情况,分析记录的数据,及时调整千斤顶微量纠偏。

4)顶进中顶管左右位置出现偏差,早预报、勤量测,做到勤纠、微纠。顶进速度应尽量放慢,使刀盘对正面土体全断面切削,控制排土量,稳定土仓压力并控制在设定范围内。

5)顶进中机头出现微小转角,采取刀盘纠转装置、注浆纠转等方法,应及时纠转。

3.2.3 开挖面稳定施工管理

顶管开挖面的稳定是防止地面沉降引起周边建筑物及管线影响的关键因素,根据土压平衡式顶管的基本原理,开挖面稳定的关键是顶管机前端已切削泥土压力与正面土层土压、水压力保持相等。开挖面稳定施工管理的重点在于在顶进过程中,不断分析和调整顶进速度、土压力、排土量等相关掘进参数,并结合地下地上监控量测数据,使顶管机土仓压力和开挖面土层土压、水压保持平衡。

1)顶进速度控制。顶管推进速度一方面是保证工程进度的保障,另一方面是保证开挖面稳定、螺旋机出土量均匀的主要手段。顶管机的初始顶进是为正常掘进参数累积调整阶段,初速控制在10mm/min以内,正常顶进速度控制在10mm/min~20mm/min。

顶进速度的控制通过调整机头刀盘切削转速、主顶千斤顶的顶进速度和螺旋输送机排土速度来实现。本工程砾质黏土硬度较高,刀盘扭矩较大,为减小土体的扰动,D2800刀盘的转速控制在1.35r/min,D2600刀盘的转速应控制在1.58r/min。

2)土压力控制。按Rankine公式计算的土压力,可作为土压力的最初设定值,随着顶进不断进行,土压力值应通过顶进速度、排土量、地面沉降监测数据作相应的动态调整。土压力宜控制在1.5bar~1.8bar左右,防止土仓压力不足造成洞顶水土流失,出现土体坍塌。

正常顶进过程中,土压力的增减控制和顶进速度、排土量密切相关。如果土压力值过高,应适当降低顶进速度或增加出土量;反之,要增加顶进速度或减少出土量。

3)排土量控制。由于顶管机的结构,我们无法直观得到开挖面的具体情况,只能通过排土量的大小及监测仪器数据来判定开挖面稳定状况。为此在顶进过程中,需安排专人对顶管机螺旋出土输送机的排土量进行统计、分析,严格控制出土量,防止超挖或欠挖,本工程单节管节的理论出土量为53m²,实际出土量控制在理论值的96%~100%。

排土量的控制采取调整螺旋机转速、出土闸门开度的方法来实现。

3.2.4 注浆减阻

注浆减阻技术是大断面顶管施工中一项重要的减少顶进阻力的措施。常用的减阻注浆润滑主材有膨润土、人工合成的高分子材料。为使管节周边形成“泥套”,减轻顶进阻力,泥浆要具备不失水、不沉淀、不固结,既要有一定的粘度,也要有良好的流动性。注浆管路通常布置在顶管机前盾和成品管节预留注浆孔中,注浆孔要求均匀地分布于管道周围。顶进结束后应及时进行减阻泥浆的置换,置换时严格控制注浆压力及注浆量,保证工程质量。

3.2.5 监测量控管理

施工前对周边地上地下建筑物及管线实地详勘,制定合理的监测方案和保护措施。施工监测主要包括顶管平面轴线和高程监测以及管道周边环境沉降监测。顶管机平面轴线和高程监测通过设于井内的测量墩进行,发现偏差应及时采取措施;管道周边环境沉降监测则通过埋设的沉降观测点进行监测。


监测量控管理的重点是监测量控方案的可行性、信息传递的及时性、预警反应机制、应急方案的可操作性等方面。

3.2.6 小间距大断面顶进

本工程3条通道之间净距为2.15m,中间通道小间距顶进时,侧压力的作用易对已施工完成的两侧通道管节和地面环境沉降产生影响。为减少小间距顶进过程的影响,须采取以下措施:

1)3条通道施工按照“先两侧后中间”的顶进顺序,即按照①→③→②的顺序;采取“先保护后顶进”的施工程序,即①和③号通道顶进完成后,采取保护措施后方可进行②号通道的顶进作业。

2)两侧顶管通道施工时,尽量不超挖,优化减阻泥浆的参数,减少对中间土体的扰动。两侧通道顶进结束后,及时置换泥浆,对通道施加预应力,加强纵向整体刚度。

3)中间通道初始顶进时,应控制好顶管机姿态偏差,及时纠正偏差,保持土仓压力与土体水土压力的平衡、保持切削土量与排土量的平衡,匀速顶进。

4)加强地面沉降、地下顶管机姿态监测管理,信息化指导施工,严格控制施工参数,减小轴线偏差和地表沉降。

3.2.7 上穿2号线施工

本工程通道上穿2号地铁隧道,顶管施工中由于隧道上方土体开挖卸荷,易引起通道底部地铁隧道上浮或沉降,严重时将造成原有隧道结构变形。为保证地铁2号线的安全运营,须采取以下措施:

1)近邻地铁隧道顶进施工时间安排在列车运营间隙期进行,必要时降低列车在此段的行车速度。

2)近邻地铁隧道顶进过程中,严格控制顶进推力、顶进速度及顶管机的姿态,做好开挖面土压平衡管理。

3)采用预加固法、堆载压重法等方法,保证地铁隧道变形控制在允许范围内。

4)在顶管上穿地铁2号线期间,对地面和2号地铁隧道内进行实时监控,依靠监测信息指导施工,按建立的不同安全级别预警机制,制定针对性强的突发应急方案。

4. 结语

本例顶管施工几乎涵盖了当前顶管工程中遇到的覆土浅、大断面、多管小间距、上穿近邻地铁隧道、周边环境保护要求高等复杂、特殊的施工条件。


施工中通过合理部署施工工序、严控各项施工技术参数、严控纠偏量,精心组织开挖面土压平衡管理,优化渣土改良,重视注浆管理和监控量测信息管理,确保了本工程安全、顺利实施。从监测数据来看,贯通误差±30mm、沉降量18mm、隧道位移6mm以内,保证了工程质量。

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