城市下穿通道矩形顶管施工工法

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：测量放样设备安装及调试顶管出洞顶管顶进吊放垫块或管节置顶进测量监测及偏差调整顶管机进洞顶管机分解、吊出接收井置浆液置换嵌缝及接头处理置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＝K0γZ；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；Pt=γ（H+2D/3）tg2(45°+∮/2)；γ——土的容重,kN/m3；H——管顶土层厚度，m；D——顶管掘进机高度，m；∮——土的内摩擦角,度；F——采用注浆工艺的摩阻系数，可通过实际试验确定，其值一般取f=4～6kN/m2；L——机头或管节周长，m；l——顶进长度，m。2.主顶力随顶进距离的增加而增大。顶管掘进机头出洞，在进入原状土且正面土压力没有建立之前，要控制主顶力不能过大。在正常推进中，要注意主顶力的增大应该是缓慢的，而不允许有突变。3.在顶进过程中，应尽量精确地统计出每节的出土量，力争使之与理论出土量保持一致，确保正面土体的相对稳定，减少地面沉降量。4.顶管在正常顶进施工中，必须密切注意顶进轴线的控制。在每节管节顶进结束后，必须进行机头的姿态测量，并做到随偏随纠，且纠偏量不宜过大，以免土体出现较大扰动及管节间出现张角。由于是矩形顶管，因此对管道的横向水平要求较高，所以在顶进过程中对机头的转角要密切注意，机头一旦出现微小转角，应立即采取刀盘反转、加压铁等措施回纠。顶进轴线偏差控制要求：高程±100mm；水平：±100mm。5.为减少土体与管道间摩阻力，在管道外壁压注触变泥浆，在管道四周形成一圈泥浆套以达到减摩效果。在施工期间要求泥浆不失水，不沉淀，不固结，既要有良好的流动性，又要有一定的稠度。压浆通过压浆泵浆泥浆压至管道内的总管，然后经压浆孔压至管壁外。注浆压力控制在0.05MPa左右。为了保证压浆效果，在隧道掘进机四周布置数个压浆孔，其中在机头顶部安装了两排共8根压浆管，并开设压浆槽，使土体与壳体上平面形成泥浆膜，以减少土体同壳体的摩擦力，防止背土现象的发生。在管节的端部环向均匀布置了8只压浆孔。隧道掘进机后面的3节混凝土管节上都有压浆孔，以后每隔一节设置一节有压浆孔的管节。压浆总管用2寸白铁管，除隧道掘进机及随后的3节混凝土管节外，压浆总管上每隔3m装一只三通，再用压浆软管接至压浆孔处。5.2.5吊放垫块或管节整个通道管节采取分节预制，在施工过程中随道顶管机的不断向前掘进，管节通过专门的运输车辆运至现场后再利用场地内的50t履带吊进行吊放安装，同时掘进过程中的土方也利用履带吊进行垂直运输，集中堆放后再集中运至指定的弃土场。5.2.6顶进测量监测及偏差调整1.顶进测量监测施工过程中的监测主要有两个方面的内容，即顶管机姿态监测以及地面及管线沉降监测，顶管机姿态监测主要通过设置于始发井内的观测台进行观测，监测过程中发现偏位应及时采取纠编措施，对地面及管线沉降监测则通过埋设的沉降观测点进行监测，见图5.2.6沉降观测点布置示意图，具体如下：1）.每个垂直于顶进轴线的断面布置3个点，分别位于轴线上及左右各3m位置。2）.断面间距为3~4m，社会道路上尽量布置在车道分隔线上。3）.在距离始发井约5m处三个断面设置深层沉降点。图5.2.6沉降观测点布置示意图2.顶管偏差控制调整措施1）.高程控制：在顶进过程中一旦顶管出现上抛现象，不宜采取降低地面土压力、增大出土量、过量向下纠偏等动作。应在顶进时将机头高程始终控制在负值，这样即使在机头下沉较大时，所采取的纠偏措施也和地面沉降控制相统一。2）.平面控制：由于受第一条顶管顶进时挤压、压浆等影响，在已成管道周边土体强度较原状土大，在第二条顶管顶进时，机头平面可能有偏离已成管道的现象，顶进时应把机头平面始终控制在靠已成管道方向。3）.转角控制：矩形管道的横向水平要求较高，在顶进过程中对机头的转角需密切注意，机头一旦出现微小转角，应及时纠转。(1).纠转装置纠转：安装于壳体两侧的纠转装置根据需要旋转角度，将翼板伸出壳体插入土体内，在机头向前推进时，土体在翼板上产生一侧向分力，形成一力偶使机头按所需的方向旋转，以达到纠转目的。(2).压浆纠转：压浆纠转是利用壳体上压浆管注浆，翅板将浆液分隔成四个区域，根据纠转方向的要求，选择适当的压浆点，使压出的浆液在机头形成一力偶，使机头按所需的方向旋转，以达到纠转目的。(3).利用变角切口纠转：安装于机头切口环二恻的左右各二个变角切口，其千斤顶的伸缩可控制翻板的角度，顶进时产生一定的超挖，使壳体二侧土体产生一条槽形空间，并同时在机头一侧配合注浆，使机头产生一力偶，以控制机头的姿态，达到纠转的目的。4).机头纠偏控制：顶管在正常顶进施工过程中，必须密切注意顶进轴线的控制。在每节管节顶进结束后，必须进行机头的姿态测量，并做到随偏随纠，且纠偏量不宜过大，以避免土体出现较大的扰动及管节间出现张角。5).地面沉降控制(1).利用土压平衡矩形顶管机对矩形断面进行全断面切削。严格控制施工参数,防止超、欠挖。(2).解决矩形顶管机机头顶部背土问题：在矩形顶管机的机头壳体顶部安装压浆管，并开有压浆槽，使浆液均匀分布于整个上顶面，在土体和壳体平面之间形成一泥浆膜，以减少土体同壳体的摩擦力，防止背土现象的发生。(3).在顶进时,每隔一段时间应对顶管机后部已成管道高程作一次复测,一旦出现管道下沉情况严重时,应对下沉部位进行底部注浆,防止由此引起的地面沉降。6).顶进过程大型箱涵保护(1).在箱涵前端1.5m位置设置两排泄压孔。泄压孔直径600mm，中心间距1m，深度5m，设置在顶进轴线两侧各5m范围。泄压孔采用小型钻机施工，成孔后孔内灌水至地面标高。当顶进压力过大时，可避免压力直接作用到箱涵上。(2).在箱涵的前端、中部和后端各设置1排直接监测点，顶进时根据箱涵沉降情况及时调整顶进参数。5.2.7顶管机进洞H型钢拔除后，为了防机头进洞时洞内土体的塌方，在接收井洞门内预先浇注20～30cm厚的素混凝土挡墙，作为接收井的封门形式。顶管机进洞时除了要拔除H型钢，还要凿除混凝土挡墙。砼挡墙可使机头进洞前出光土体，避免进洞时水泥土搅拌桩在顶管推力的作用下倒入井内，增加井附近上方路面塌方的风险，节约清理时间，做到安全、迅速进洞，具体见图5.2.7接收井混凝土挡墙剖面示意图。图5.2.7接收井混凝土挡墙剖面示意图1.在顶管到达距接收井6m后，开始停止第一节管节的压浆，并在以后顶进中压浆位置逐渐后移，保证顶管进洞前形成完好的6m左右的土塞，避免