城市管廊工程顶管施工技术研究

陈朝文（上海建工集团股份有限公司， 上海 200023）

1 工程背景

1.1 工程概况

某科技智慧城综合管廊二标段项目位于上海市普陀区，沿敦煌路、景泰路和永登路敷设，全长 2.29 km。本工程在景泰路段为单舱管廊，在与永登路的交叉口位置需下穿 3.5 kV 变电站，考虑到顶管施工法在一定的条件下具有优越的技术经济性能[1]，该段采用顶管施工方案。

顶管直线顶进长度为 165.50 m，内径为 3.50 m，壁厚为 0.32 m。选用Φ4 160 mm 泥水平衡顶管掘进机，自北向南顶进，北侧为工作井，南侧为接收井。顶管覆土厚度为8.6～9.6 m，顶管顶进区间主要穿越 ④1淤泥质黏土层。

1.2 地质情况

本工程地质情况如表 1 所示。地下水属潜水类型，其补给来源主要为大气降水和地表径流。勘探实测钻孔稳定地下水位埋深为 0～1.80 m。工作井与接收井位置无承压水层，基坑无突涌风险。

表1 工程地质情况

1.3 工作井和接收井概况

工作井和接收井长 8 m，宽 10 m，采用地下连续墙，墙厚 800 mm，内衬墙墙厚 400 mm，混凝土设计强度为C 35，抗渗设计等级为 P 10。墙缝外侧采用Φ2 200 mm的 MJS 工法（全方位高压喷射法）进行止水补强，桩长 24 m，水泥掺量 40%，28 d 无侧限抗压强度 ≥ 1.2 MPa。基坑共设 4 道水平支撑，其中第 1、2 道为钢筋混凝土支撑，第 3、4 道为钢支撑。

坑内采用Φ800 mm @ 600 mm 高压旋喷桩满堂加固，加固范围为坑底以下 4 m，三重管工艺，水泥掺量25%，28 d 无侧限抗压强度 ≥ 1.0 MPa。顶管洞口采用高压旋喷桩加固，共 7 排Φ800 mm @ 600 mm 高压旋喷桩。其中，涉及 2 处墙缝各 4 根旋喷桩加长至 24 m，其余加固范围为洞口及上 4 m、下 5 m，总长 13.5 m，三重管工艺，水泥掺量 25%，28 d 无侧限抗压强度 ≥ 1.0 MPa。

工作井和接收井围护采用现浇地下连续墙，基坑开挖区域坑底以下均采用高压旋喷桩作满堂坑内加固、封底。

1.4 周边构筑物沉降要求

与路政部门沟通，顶管横穿永登路道路，需保证路面允许变形量控制在 20 mm。

在开工前，项目部与各大管线单位明确施工范围内管线搬迁和保护措施，顶管施工过程中加强影响范围内的管线监测工作。监测要求为单次变化 ≤ 2 mm，累计变化 ≤ 20 mm。

3.5 kV 变电站为筏板基础、框架结构建筑。经项目部与电力单位沟通，变电站允许变形量控制在 20 mm。

1.5 沉降估算

本工程对变电站、路面和电力管线的施工沉降采用Peck 公式进行估算。Peck 在分析了大量地表沉降数据后，认为地表沉降是由地层损失引起的，由此假定地表沉降槽体积等于地层损失体积。估算公式如式（1）所示。

式中：Smax—计算深度处土层的最大沉降量，mm；

i—地面沉降槽宽度系数；

x—沉降曲线中心线至沉降计算点的水平距离，m；

Vs—每米的超挖量，按每米出土量的 2% 计，m2；

H—计算深度处土层与管顶之间最大覆土厚度，m；

φ—土层的内摩擦角（°）（顶管所处地层为淤泥质黏土，φ=12°）；

V0—管道每米的出土量， m2；

D—管道直径， m。

在估算路面沉降时，H取 9.6 m。将相关量的取值代入式（1）得到计算结果为：

由此可知，路面最大沉降量满足路政部门提出的沉降限值要求。

在估算电力管线沉降时，由于管线埋深 0.9 m，H取8.7 m，同理计算出，管线最大沉降量满足电力公司提出的沉降限值要求。

在估算 3.5 kV 变电站沉降时，由于基础埋深为 2.0 m，H取 7.6 m，同理计算出，变电站的最大沉降量超过了限值要求，需采取加固措施。

1.6 顶管顶力估算及中继间设置

顶管总顶力F按式（2）计算。

其中：F0=π/4×d2×p设；f=f1πd

式中：F0—封闭式工具管迎面阻力，kN；

f—每延长米管外壁摩阻力，kN/m；

f1—单位面积管外壁摩阻力，本段顶管为直线顶管，摩阻力f1取 2.5 kN/m2；

L—管道长度，m，L取 165 m；

p设—设计土压力，kPa，p设取 105 kPa；

d—管道外径，m，d取 4.14 m；

由式（2）得到计算结果为：

根据顶力估算，总顶力需 6 693 kN，该顶力小于工作井的设计允许最大顶力 7 000 kN，因此该段顶管不需要设置中继间。

2 施工流程

施工流程如图 1 所示。

图1 施工流程图

3 主要施工技术

3.1 顶管机的就位

（1）顶管机的吊放。顶管机总重量为 65 t，选用徐工XCA350 型 350 t 汽车吊吊放及回收。根据现场工况，作业回转半径控制在 11 m，主臂长度控制在 25.3 m。

（2）顶管机调试以及顶进参数的设定。顶管机下井之前的调试工作由专业工程师负责，调试完毕后列出实际顶进时顶管机各部位的参数。参数如表 2 所示。

3.2 进出洞洞口的加固及凿除

（1）洞口注浆加固。洞口加固采用 7 排Φ800 mm@600 mm 高压旋喷桩加固，加固范围为洞口上 4 m、下 5 m范围，总长 13.5 m。加固采用三重管高压旋喷工艺进行，水泥掺量 25%，28 d 无侧限抗压强度 ≥1.0 MPa。注浆采用双液浆注浆工艺，水泥浆水玻璃体积比为 3∶1，水泥浆的水灰质量比为 0.7∶1，水泥等级采用 P.O 42.5 普通硅酸盐水泥。

（2）洞口凿除。顶管进出洞口加固的土体达到设计所要求的强度，并且保证自立性和渗透性等技术指标符合要求后，方可进行洞口凿除工作。首先，在洞门周围打设 8 个深度为 100 cm 的孔洞，观察是否出现渗漏状况。洞口槽壁的混凝土采用粉碎性凿除，分层进行。先凿除外层，遵循“先下部，后上部”的原则，将钢筋及预埋件彻底割除，以保证预留门洞的尺寸。洞门凿除作业由 5 名有经验的工人负责，严格按照施工方案中规定的洞门凿除施工流程执行，确保施工的质量和效率。

3.3 顶管机出洞施工

（1）初始顶进。出洞前，要确保基座达到规定的抗偏压强度，并安排专人对导轨顺直度、标高、中心轴线偏位等进行检查。最后，在基座轨道上涂抹减少推进阻力的润滑油。将顶管机出洞后的 20 m 作为顶进试验段，收集地表隆陷和地中位移等数据，并根据数据分析顶管在各种推进参数下的地层位移规律，以便及时调整施工参数。在机头接触正面土体后，应立即开启切削系统。如开启不及时，顶管机会对正面土体产生过度挤压，造成地面隆起和刀盘损伤。出洞段顶进施工过程中，对顶管机姿态要“勤测量、微纠偏”，做好轴线控制。顶进速度宜缓慢，顶进速度 ≤ 0.5 cm/min。

为防止顶管机上飘、旋转，在顶管机出洞时，要加强顶管机姿态测量。如果顶管机出现较大转角，则采用刀盘正反转的措施进行调整纠偏。刀盘切削土体时，可通过加水来降低机头的正面压力，防止其上飘。与此同时，加强对后背支撑的观测，尽快完成后背支撑。

（2）止退措施。使管节能够可靠地固定在千斤顶油缸收缩前的位置，便于在基座上焊接钢板。在每个管节顶进完成后，焊接钢板使管节固定于基座上，起到止退的作用。

（3）顶进操作及注意事项。施工期间，需保证管道内的动力和照明系统可靠。各种管线应分门别类，固定牢固。在工具管处应安装足量的应急照明灯，保证管道内的施工人员能在断电或停电等突发情况下顺利撤出。顶进过程中，需严格控制顶进造成的地层扰动，密切关注顶进至不同土质和覆土厚度位置的实时监测数据变化，以及地面构筑物的监测数据变化，认真分析数据，调整各项顶进参数。

3.4 机头跟进测量

（1）控制测量方法。在顶管内，顶进姿态测量控制系统由接收激光束的光靶传感器和数据处理系统组成。该系统用来测量以激光导向点为参照的切削舱测量板的垂直和水平位移、激光入射水平角及切削舱仰角及滚动角。

（2）测量频率。利用经纬仪将其调到与设计轴线完全一致的角度，在操纵台上的显示屏直接观察机头中心与设计轴线的偏离值。动中纠偏，使机头的轨迹与设计轴线始终一致。 顶进 150 m 以后，由于随着距离的增加，激光点越来越弱，加上管道内上部与下部的空气密度不完全相同，激光发生折射会导致测量产生较大误差。因此，顶进 150 m以后必须改为人工测量。正常情况下，每顶进 3 m 测量一次，如测量成果与设计轴线有偏差时，适当加大测量密度。顶进里程距离接收井 20 m 以内，测量频率改为每顶进 1.5 m一次。

（3）精度控制。选择在阴天或温差不大的时候，进行地面导线与临时水准控制点的测量；临时水准点测量采用往返测量，闭合差控制在 ± 40 mm 以内；地面导线测量采用闭合导线测量，闭合差控制在 1/2 000 以内。

3.5 触变泥浆减摩

注浆工艺顺序如图 2 所示。

图2 注浆工艺顺序

（1）注浆原则。要合理布置注浆孔，注浆后在管道外壁形成一层均匀的泥浆套。压浆时遵循“先压后顶、随顶随压、及时补浆”十二字方针，注浆压力控制在0.3～0.4 MPa。

（2）注浆质量控制措施。保证润滑泥浆在施工期间不固结、不失水、不沉淀；严格按压浆工艺流程和操作规程施工；尽可能保持连续顶进施工，缩短中断时间。

3.6 变电站沉降控制措施

为减少变电站建筑物的沉降，在顶管施工中，利用管内的注浆系统，对管外壁压入填充物。填充物采用水泥粉煤灰浆液，浆液配比：水泥∶粉煤灰∶水=3∶7∶3。使用压浆泵将浆液压至顶管外壁，加固范围为建筑物下方 60 m 内。每天注浆 1 次，每天注浆吨位为 10～15 t，以将顶管顶进过程中的土体流失逐步填充加固。注浆加固的同时配合进行沉降观测，注浆施工在顶管贯通后持续 20 d，具体结合后期沉降变化情况确定何时停止注浆。

3.7 顶管机进洞施工

（1）接收排架。洞口凿除之前，接收井内接收排架应安装完成。由于泥水平衡机头 2/3 的重量都处于机头前端，为防止进洞时机头前倾导致 1 号、2 号混凝土管脱节，在机头前端进入洞口 50 cm 时，前方必须要有托架托住机头。

（2）进洞口变形控制。顶管机前端靠近洞门时，为避免顶管机正面顶力过大而造成洞门变形，进而产生水土涌入井内的后果，在顶管机距离洞门约 3 m 时，立即打开预先设置在洞门上的 2 个应力释放孔，以此释放顶进引起的挤压应力。

（3）轴线复测。在机头切口到达接收井前 60 m 左右时，进行一次顶管轴线复测，以达到以下目的：测定顶管机的里程，计算出刀盘与洞门之间的距离，在刀具接近洞门时采取相应的措施；校核顶管机的姿态，以便及时调整。

4 沉降预防措施

（1）对管道顶进轴线的偏差，采用勤纠微调的方法进行纠偏，避免纠偏幅度过大造成土层扰动。

（2）地表沉降监控方法可采用地表观测和深层雷达物探。监测数据每天进行更新和统计分析。沉降监测数据作为顶管机的重要纠偏依据，在实际施工中根据地面的沉降情况合理地调整坡度。

（3）加强对洞口注浆、初期注浆、二级注浆和工后注浆的管理。应确保注浆设备和管路具有良好的耐压和密封性能。采用水硬性注浆材料，达到迅速控制地表沉降的目的。

5 结 语

经过实测，顶管穿越段的市政道路最大沉降量为 15.3 mm，电力管线最大沉降量为 16.9 mm，与采用 Peck 公式估算的结果接近。变电站的累计沉降量为 19.2 mm，采取的沉降控制措施取得了良好的效果。在顶进过程中，通过对开挖面的土压力与出土量的控制、注浆压力与注浆量的控制、轴线纠偏的控制、施工参数的控制，确保道路、管线、变电站的沉降量在允许范围内。如发现沉降监控数据异常，应立即按施工应急预案进行处置，确保周边构筑物和管线的正常运行。在施工过程中，通过加强施工管理，特别注意进出洞施工，保证施工质量。