最新城市下穿通道矩形顶管施工工法.docx
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最新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
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＝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，避免在进洞过程中减摩泥浆的大量流失而造成管节周边摩阻力骤然上升。
2.在顶管机切口进入接收井洞口加固区域时，应适当减慢顶进速度，调整出土量，逐渐减小机头正面土压力，以确保顶管机设备完好和洞口结构稳定。
3.顶管机切口距接收井H型钢50cm左右时，顶管机暂停顶进，等待H型钢的拔出。
H型钢拔除后，顶管机继续推进，缓缓地靠上临时砼封门。
此时要掌握好实际顶进距离和主顶的压力，当主顶压力突然升高，立即停止推进，等待临时砼封门的凿除。
4.当临时砼封门凿除完毕后，应立即进行推进，将顶管机头部分推进至接收井内，推进长度根据现场吊装尺寸决定，要求满足机头前段出井需要，随即拆卸连接顶管机前后两段的全部螺栓，用300T吊车将顶管机头前段吊出接收井；然后将后段机头推进到位，并将后段机头与管节脱开，进行后段机头的吊装。
5.2.8顶管机分解、吊出接收井
顶管机进入接收井后，利用300t汽车吊进行拆解吊出运离施工现场。
5.2.9浆液置换
1.顶管机头吊出接收井后，马上用砖头砌墙，将两头洞门与管节间的间隙封堵。
注入双液浆，置换出触变泥浆，对管节外的土体进行加固。
双液浆的水玻璃和水泥重量比为1：
6。
2.浆液置换结束后尽快将管节和工作井钢洞门用钢板焊接连成一体，浇注混凝土，和工作井内壁浇平。
5.2.10嵌缝及接头处理
顶管施工结束拆除管内设备后，管节间的缝隙采用双组分聚硫密封膏填充。
嵌缝前必须将缝隙内的杂质、油污清理干净，做到平整、干净、干燥。
配制好的聚硫膏在缝两侧先刮涂一遍，第二次在缝中刮填密封膏到所需高度。
要求压紧刮平，防止带入气泡而影响强度和水密性。
密封膏表干时间为24h，7天后才达到80％强度，在密封膏在未充分固化前要注意保护，防止雨水侵入。
6.材料与设备
6.1材料
顶管施工的主要材料包含预制管线所需的钢筋、水泥、砂石等，在顶进过程中的主要材料为普通水泥+水玻璃双液浆，触变泥浆中所需的膨润土、纯碱、CMC，在管节接缝处理中所需的聚硫密封膏。
6.2设备
顶管法施工所需的主要施工机械设备见表6.2主要施工设备表。
表6.2主要施工设备表
序号
机械或设备名称
型号/规格
数量
用途
备注
1
土压平衡式矩形顶管机及配套设施
4m×6m（外尺寸）
1台
掘进施工
2
主顶装置
自制
1套
顶进施工
3
注浆泵
SYB50-50-1
1台
压注触变泥浆
4
汽车吊
300T
1台
顶管机安装拆除
5
履带吊
150T
1台
管节及土方吊运
6
潜水泵
2.2KW
1台
抽排水
7
污泥泵
NL100-16
1台
8
电焊机
ZXG-300
2台
接头焊接
9
空压机
3m3
2台
接头清理
10
全站仪
SET230RK
1台
控制测量
11
经纬仪
J2-JDE
1台
轴线控制
12
水准仪
NA2
1台
高程控制
7.质量控制
7.1顶管应遵照国家标准A《地下铁道工程施工与验收规范》、C《混凝土结构工程施工质量验收规范》、D《地下防水工程质量验收规范》和M《盾构法隧道施工与验收规范》及其他有关规定。
表7.1质量控制标准
序号
管片的混凝土强度和抗渗性能应符合设计要求
M第6.7.2-2条
1
几何尺寸（宽度/厚度）
±1/+3，-1
2
高程
±50
3
中线偏移
±50
4
每环相邻管片高差
5
5
壁后注浆应根据工程地质条件、地表沉降状态、环境要求及设备情况等选择注浆方式和注浆参数并满足设计要求
M第10.1.1条
6
防水材料的品种、规格、性能必须符合设计要求
D第5.4.8条
7.2质量保证措施
7.2.1管节生产质量保证措施
1.各类原材料进场由材料部门组织验收，根据料单核对规格、数量及材料质量保证书或合格证，及时分类并做好台账登记，同时及时通知试验部门取样复试，复试合格认可后，方可投入预制构件制作使用。
2.管节制作各道工序均应设有专职质检人员，负责各道工序的制作质量和上道工序的交接检查，并认真、整洁、如实填写各项自检和互检资料。
3．管节制作各道工序在混凝土浇捣前的综合检查，由专职质检员负责全面检查，在自检基础上必须由质量主管进行隐蔽工程验收，认可后方可进行混凝土浇捣。
4．管节制作中重要工序的操作工必须持有相应的技术等级和有证上岗，以保证重要工序的操作质量。
7.2.2顶进施工质量保证措施
1.主要施工技术参数的控制：
顶管顶进速度是保证切口土压力稳定、正面出土量均匀的主要手段，所以在顶进时，应对顶进速度作不断的调整，找出顶进速度、正面土压力、出土量三者的最佳匹配值，以保证顶管的顶进质量，也能让顶进设备以最和顺状态工作。
2.顶进轴线的控制：
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。
3.管节减摩：
制定合理的压浆工艺，严格按压浆操作规程进行。
为使顶进时形成的建筑间隙及时用润滑泥浆所填补，形成泥浆套，达到减少摩阻力及地面沉降。
压浆时必须坚持“随顶随压、逐孔压浆、全线补浆、浆量均匀”的原则，注浆压力控制在0.1MPa左右。
4.顶进技术措施
1）.穿越前对全套机械设备进行彻底检查，保证其顶进时具有良好的性能。
2）.严格控制顶管的施工参数，防止超、欠挖。
3）.顶管顶进的纠偏量越小，对土体的扰动也越小。
因此在顶进过程中应严格控制顶管顶进的纠偏量，尽量减小对正面土体的扰动。
4）.施工过程中顶进速度不宜过快，一般控制在15mm/min左右，尽量做到均衡施工，避免在途中有较长时间的耽搁。
5）.在穿越过程中，必须保证持续、均匀压浆，使出现的建筑空隙能被迅速得到填充，保证管道上部土体的稳定。
8.安全措施
8.0.1严格遵照国家颁发的《建筑安装工程安全技术规程》对施工现场安全的有关规定。
8.0.2动力电缆转换接插前，要先切断电源，后拔出插头，同时应使用安全电压。
8.0.3混凝土管吊运时，管下严禁站人。
8.0.4管道内的电力电缆、控制电缆应悬挂固定，严禁随地铺设,吊车行走路线上不得有任何电源线。
8.0.5外部照明要充足，安放高度不得低于3m。
8.0.6及时检查各操作员的操作程序，严防违章操作。
8.0.7及时检查各压力管接头的可靠性，防止压力管爆裂伤人。
9.环保措施
9.0.1做好施工弃渣的处理措施，严格按批准的弃渣规划有序地堆放和利用弃渣。
9.0.2保持施工区和生活区的环境卫生，进入现场的材料、设备必须置放有序，防止任意堆放器材、杂物阻塞工作场地周围的通道和破坏环境。
9.0.3设专人负责环保工作，加强对施工期污水、废水处理及施工区域的自然环境、水土保持的力度，及时清除现场废渣、污油、油性杂物或其他可能造成污染的物质。
9.0.4设置临时集水池接纳施工用水，经沉淀后尽可能回用，严禁向市政管网排放未经沉淀处理的污水。
9.0.5施工过程中做好统筹安排，将产生过大噪间污染的施工工序安排在白天施工，避免对周边环境造成噪声污染。
10.效益分析
10.0.1采用矩形顶管法施工过街通道相对于明挖法具有施工速度快，对周边环境影响小，无拆迁等优点，无论从施工速度及经济成本上考虑都有明显的优势，尤其是在城市过街通道施工中，优势更加明显。
10.0.2矩形顶管法施工工艺所需施工场地小，施工受外界影响较小且采取了土压平衡、注浆降沉等一系列技术，顺利的解决了在高承压水、软土地质条件下暗挖安全风险高的问题，为类似工程积累了经验。
10.0.3由于采用矩形顶管法施工，避免了大量管线的拆迁及道路的占用，虽然在工程直接成本上较明挖法或暗挖法有所增加，但统合考虑拆迁费用及社会效益，总的成本大大减少，同时规避了施工风险，确保施工安全，取得了良好的社会与经济效益。
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