武汉轨道交通七号线出入口顶管掘进施工技术

吴克宝 吴贤国 仲景冰 覃亚伟

(华中科技大学土木工程与力学学院 湖北武汉 430074)

1 工程概况

1.1 工程概述

武汉市轨道交通七号线一期工程第十二标段土建工程包含小东门站、小东门站～武昌火车站区间(以下简称小武区间)、武昌火车站，共计2个车站和1个盾构区间3个单位工程。其中Ⅲ号出入口及Ⅳ号出入口采用顶管法施工。3处顶管均采取站内接收的方式，其中顶管始发井结合出入口(风道)设置。

1.2 工程地质

武昌火车站IV号出入口场地地层自上而下主要由7个单元层组成，即①单元层为人工填土层(Qml/)；③单元层为全新统长江冲积(Q/4al/)一般黏性土层；⑥单元层为长江冲洪积三级阶地低洼、坳沟区内沉积的一般黏性土层(Q/4al/)；单元层为上更新统长江冲洪积(Q/3al+pl/)老黏性土层；单元层为中更新统长江冲洪积(Q/2al+pl/)黏质砂土层；单元层为下更新统长江冲洪积(Q/1al+pl/)砂砾卵石层及单元层志留系(S)粉砂质泥岩。

1.3 水文地质

根据场区原始地形条件及地层的水理性质、赋水性能及地下水的埋藏条件等分析判断，在勘探深度范围内拟建场地地下水类型主要可分为上层滞水、孔隙承压水两种类型。

2 施工重难点

该工程顶管掘进机开挖断面尺寸为9820mm×5520mm，为大断面矩形顶管，施工时易产生以下4个问题。

(1)矩形掘进机壳体顶部与土层的接触面积大，容易出现掘进机机头背向土层，使得土体松动、流失，甚至会出现地面塌陷、管线断裂[1-2]。

(2)矩形顶管掘进机正面与土层的接触面积大，当拼装管节或加垫块时，主顶油缸一回缩，在掘进机正面承受的土层轴向推力作用下，掘进机连同管节易发生整体后退[3-4]。

(3)掘进机向前运转时，受到的扭矩较大，使得掘进机前进方向难于控制。

(4)由于顶管机刀盘切削面积为53.9m2，在运转过程对周边土层影响较大，导致塌陷、管线下沉，难于控制运作范围。

因此，大断面顶进条件下控制地面及管线沉降，控制顶管机姿态，防止顶管机整体后退是该工程重难点之一。

3 顶管机性能参数选择

根据工程经验和现场条件，选择顶管机性能参数如表1所示。

表1 顶管机性能参数表

4 顶管掘进施工

4.1 顶管掘进方案

(1)顶进速度

机器开始运转时，缓慢启动加速，尽量控制在10mm/min左右，达到一定的时间后，可以提高到20～30mm/min左右以正常施工，如图1所示。

图1 掘进顶推施工

(2)出土量

在开挖不断产生土的时候，严格控制出土量。根据出土量控制开挖过程，避免出现超挖与欠挖。出土量控制在理论出土量的98%～100%。出土采用履带吊直接吊至地面的集土坑内。

4.2 顶进轴线控制

顶管顶进的过程中，时刻保持顶管轴线与规划轴线在一条线上。在顶管机前方节、后方节及第一节管四周布置定位贴片，全站仪定时测量顶管机及后方管节姿态。全程动态纠偏，防止土层受到较大的扰动、管线出现偏差角过大，具体的做法是顶管前进0.5m进行一次测量[5-6]。

该案例采用的是矩形顶管，在使用过程中严格控制管道的横向水平，机头如出现转角，及时停止，并采用刀盘反转、反侧注泥、加压铁等措施应急处理。

顶进轴线偏差控制标准从两个方面出发，一是高程，二是水平偏差，要求均为±50mm。

4.3 地面沉降控制

在施工过程中，严格按照施工计划进行，以保证施工的连续性，避免出现较长的停置。在机械运转过程中根据动态施工监测的土压力数据不断调整施工参数，使得施工处于安全运转状态，并严格控制施工出土量，防止超挖、欠挖情况出现。施工过程中严格测量监控地面沉降，一旦发生沉降，立即采取补浆、注泥等措施修正，顶进结束后进行二次补泥。

4.4 管节注浆

为提高土层与管道之间的润滑度，采用触变泥浆灌注在管道外壁，形成泥浆套提高润滑度。采用的泥浆保持一定的含水率、不分层，以达到减小总顶力的效果[7]。

(1)泥浆配比(表2)

表2 泥浆配比(每立方) kg

(2)压浆系统分为2个独立的子系统

其中一个子系统是对机器内部的土体注浆，目的是改良土体的流塑性；另一个系统通过对管节外注浆，目的是形成减摩泥浆套。

(3)压浆设备及压浆工艺

压浆泵动力方式采用液压注浆泵，在使用前将其固定在始发井口，出料泥浆先注入储浆桶，并在储浆桶拌制后放置一段时间再输运到井下。该工程覆土较浅，注浆压力宜控制在0.05MPa左右。

(4)压浆施工要点

①压浆专人负责，保证触变泥浆的稳定，在施工期间不失水，不固结，不沉淀。

②严格按压浆操作规范施工，在顶进作业及时灌注触变泥浆，填补施工产生的空隙，在管节周围制造泥浆套，减少顶进阻力和地表沉降。

③压浆遵循“先压后顶、随顶随压、及时补浆”原则，严格按照施工要求进行。

④压浆顺序

地面拌浆→启动压浆泵→总管阀门打开→管节阀门打开→送浆(顶进开始)→管节阀门关闭(顶进停止)→总管阀门关闭→井内快速接头拆开→下管节→接6.67cm总管→循环复始。

(5)减阻压浆量的计算(每节管节)

为使减阻注浆在运用时达到最佳效果，根据经验总结其总注浆量取理论值的3～5倍(扩散系数为3～5倍)。

理论间隙每环：(9.82+5.52)×2×0.02×3×1.2=2.21m3/m。经计算，该工程减摩注浆泥浆理论方量为2.21×37=81.7m3。

4.5 渣土改良的方法与添加剂

渣土改良是专用装置向刀盘面、土仓或螺旋输送机内注入添加剂，通过这些设备的搅拌使添加剂与土渣混合，其目的是使渣土流塑性好、稠度适宜、透水性和摩阻力小，以满足在各种复杂地质条件下相应的掘进方式。添加剂主要有聚丙烯酰胺和膨润土。

由于聚丙烯酰胺具有中和阴阳离子的功能，达到降低粘土的吸附性，从而进一步提高渣土的流动性与润滑效果，根据实验确定选用1‰阴离子聚丙烯酰胺溶液按土体比重5%添加，达到的做泥效果最佳。

4.6 管节防水

管节中重要的一个工作是接口的拼接，接口拼接密实性一定程度上保证了顶管工作顺利进行，因此在施工时着重考虑接口的制作过程。

对于混凝土管节，管节接头采用“F”型承插式接头。拼装时，接口上均匀涂刷一层硅油，接口插入后，将探棒插入钢套环空隙中，并四周校对止水圈位置，如有偏移等情况，即拔出重新粘接和插入。施工时如若发现止水条质量不合格，立即上报技术部门，调整后再使用。

相邻管节之间为了缓冲混凝土应力，采用中等硬度的木制材料作为衬垫，板接口接口方式为企口方式，采用的板厚为20mm。粘贴前进行基面清理，拼装有脱落的立即进行返工，确保整个环面衬垫的平整性、密闭性，如图2所示。

顶管拼接工作施工结束，管节间的缝隙采用单组分聚硫密封膏填充。嵌缝前清理杂质、污垢，保持表面平整、干净、干燥。将配置好的聚硫膏先在管节接口两侧涂一遍，然后勾缝到所需高度。整个施工要求压紧刮平，防止填充中出现气泡而影响接缝强度和水密性。密封膏表干时间为24h,7d后达到80%强度，在密封膏未充分固化前要注意防水措施，保持周围环境适宜。

图2 管节钢套环及衬垫

5 结语

武汉市轨道交通七号线Ⅲ号出入口及Ⅳ号出入口采用顶管法施工，顶管掘进机开挖断面尺寸为9820mm×5520mm，为大断面矩形顶管，根据工程经验和现场条件，选择合适顶管机性能参数。确定顶管掘进方案，控制顶进速度，严格控制出土量，防止超挖或欠挖，控制顶进轴线、地面沉降、管节注浆、渣土改良等环节，工程顺利实施，取得良好效果。规范操作程序，指导现场施工，确保顶管掘进过程安全顺利，为顶管施工提供可行性施工经验，确保顶管施工工期的节点目标。

[1] 徐前卫,尤春安,李大勇.盾构近距离穿越已建隧道的施工影响分析[J].岩土力学,2004,25(S1):95-98.

[2] 贾连辉.超大断面矩形盾构顶管设计关键技术[J].隧道建设,2014,34(11):1098-1106.

[3] 彭立敏,王哲,叶艺超,等.矩形顶管技术发展与研究现状[J].隧道建设,2015,35(1):1098-1106.

[4] 王剑,邓宗伟.某超大直径断面顶管施工引起的地层位移分析[J].铁道科学与工程学报,2014,11(2):95-100.

[5] 郭延华,吴龙海.南京地层地铁隧道施工的 Peck 公式修正[J].河北工程大学学报(自然科学版),2013,30(1):41-44.

[6] 卢海林,赵志民,方芃,等.盾构法隧道施工引起土体位移与应力的镜像分析方法[J].岩土力学,2007,28(1):45-50.

[7] 张海波,殷宗泽,朱俊高.地铁隧道盾构法施工过程中地层变位的三维有限元模拟[J].岩石力学与工程学报,2005,24(5):755-760.