超長大截面矩形城市綜合管廊“盾構(gòu)式”頂推施工技術(shù)

葉麗宏,蔣少煒

(1.浙江工程建設(shè)管理有限公司,浙江 杭州 310012；2.杭州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)人力資源開發(fā)有限公司,浙江 杭州 310018)

雖然我國在盾構(gòu)地下管廊和隧道施工技術(shù)上有了一定的成就,但對于超長大截面矩形“盾構(gòu)式”頂推施工的案例卻相對較少,其施工過程遇到的技術(shù)問題仍需進(jìn)行不懈地研究和積累。而盾構(gòu)技術(shù)問題主要包括隧道管片設(shè)計(jì)問題、開挖面的穩(wěn)定問題、盾構(gòu)姿態(tài)控制問題以及盾構(gòu)施工對周圍環(huán)境的影響問題[1-2]。在此,本文針對項(xiàng)目中的超長大截面“盾構(gòu)式”頂推施工特點(diǎn)進(jìn)行論述,以解決施工中遇到的以上幾個(gè)問題。

1 項(xiàng)目綜述

杭州市德勝路(機(jī)場路—九環(huán)路)地下綜合管廊工程Ⅱ標(biāo)段西起杭甬高速西側(cè),全長2 561.38 m。本次非開挖矩形頂管工程共兩段,一段為下穿杭甬高速,全長154.6 m；另一段為下穿三污干管段,全長106.5 m。矩形管廊管節(jié)外輪廓尺寸為7.5 m×5.4 m,頂板和底板厚度為0.55 m,中隔墻厚度為0.30 m,標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長度1.50 m。矩形頂管機(jī)型號：CTE7520×5 420,主機(jī)總長5 668 mm,總重約250 t。

1.1 工程概況

1.1.1 工作井概況

矩形頂管下穿杭甬高速段1、2號工作井基坑圍護(hù)采用800 mm厚地下連續(xù)墻；下穿三污干管段3、4號工作井基坑圍護(hù)采用1 000 mm厚地下連續(xù)墻。地下連續(xù)墻實(shí)施前先進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁的坑內(nèi)外三軸水泥攪拌樁槽壁加固,地下連續(xù)墻完成后對坑內(nèi)土體進(jìn)行滿堂三軸水泥攪拌樁地基加固,加固深度為坑底至坑底以下3 m。

1.1.2 頂管結(jié)構(gòu)概況

頂管采用土壓平衡式矩形盾構(gòu)頂管法施工,分南北兩幅。矩形頂管結(jié)構(gòu)下穿杭甬高速,結(jié)構(gòu)頂距離高速路面約8.6 m,結(jié)構(gòu)邊距離德勝出口匝道橋樁基礎(chǔ)最近約3.05 m,頂管工作井距離高速道路邊線最近距離約為19.8 m。矩形頂管結(jié)構(gòu)下穿三污干管,結(jié)構(gòu)頂距離三污干管底面約4.25 m。頂管完成后與構(gòu)筑物相交處進(jìn)行結(jié)構(gòu)外側(cè)側(cè)邊、頂面二次注漿加固。

1.2 技術(shù)概況

1.2.1 頂管主要施工流程

施工流程如下：

1)頂管機(jī)設(shè)備吊裝；2)頂管頂進(jìn)施工；3)頂管出渣；4)頂管管節(jié)吊裝；5)頂管管節(jié)拼裝。

1.2.2 頂進(jìn)施工過程控制

劉毅[3]采用理論計(jì)算與數(shù)值擬合相結(jié)合的方法,計(jì)算土倉和掘進(jìn)面的等效壓力,從而推導(dǎo)出隧道開挖所需的頂進(jìn)推力。

1)頂進(jìn)推力控制 頂管機(jī)頂進(jìn)推力由設(shè)置于始發(fā)工作井的頂推系統(tǒng)提供(圖1),頂推力隨頂管頂進(jìn)不斷增加,頂推系統(tǒng)中的液壓千斤頂使用數(shù)量也逐漸增加,保證頂進(jìn)過程中千斤頂所能提供頂推力的70%大于所需頂推力。

頂推油缸最大工作壓力可達(dá)到35 MPa,最大頂推力可達(dá)到60 610 kN。

圖1 頂推系統(tǒng)示意圖

2)土倉壓力控制 頂管機(jī)正面設(shè)置有隔膜壓力計(jì),施工前根據(jù)地質(zhì)情況及埋深,初步設(shè)定土倉壓力控制值,頂進(jìn)過程中通過沉降觀測及時(shí)調(diào)整土倉壓力的實(shí)際控制值。施工中利用頂管機(jī)的頂推速度和螺旋輸送機(jī)的出土速度共同來控制土倉內(nèi)土壓力。

3)頂進(jìn)速度控制 本工程頂管斷面大、覆土淺,必須緩慢、勻速向前推進(jìn)。初始階段一般控制在5～10 mm/min,正常施工階段可控制在10～15 mm/min。

按平均10 mm/min計(jì)算,頂管每分鐘出土量0.4 m3,土斗設(shè)計(jì)容積為9 m3,土體按照1.16倍的松散系數(shù)計(jì)算,土斗實(shí)際容納土方約7.8 m3,每斗土頂進(jìn)出土?xí)r間約為19.5 min,頂進(jìn)約0.2 m。

4)出土量控制 頂進(jìn)施工中出土量采用容積控制法,每環(huán)出土量約58 m3,每環(huán)頂進(jìn)、出土須7.5個(gè)循環(huán)。

根據(jù)每次統(tǒng)計(jì)出土量,核算1環(huán)頂進(jìn)完成后出土總量是否符合要求。頂進(jìn)速度控制流程見圖2。

圖2 頂進(jìn)速度控制流程圖

1.2.3 注漿系統(tǒng)控制

1)渣土改良 根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及施工現(xiàn)場實(shí)際情況,頂管掘進(jìn)區(qū)段為①1層黏質(zhì)粉土、①2層砂質(zhì)粉土、 ②2粉砂夾粉土,且含水量豐富。

頂管機(jī)配置膨潤土和泡沫兩套改良系統(tǒng),可單獨(dú)使用,也可同時(shí)使用。6個(gè)刀盤的每根輻條上均布置碴土改良孔,掘進(jìn)過程中,通過管路將碴土改良劑送至土倉,改良土體,使渣土具有較好的塑性、流動(dòng)性和止水性。

2)觸變泥漿 頂管管節(jié)設(shè)置16(14)個(gè)觸變泥漿注漿孔,壓注觸變泥漿填充管道的外周空隙以減少地層損失，控制地面沉降和減少頂進(jìn)阻力。頂進(jìn)時(shí)及時(shí)壓漿,注漿壓力控制在0.5～0.9 MPa,確保形成完整、有效的泥漿套,并遵循“先壓后頂、隨頂隨壓、及時(shí)補(bǔ)漿”的原則。觸變泥漿配比見表1。

表1 觸變泥漿配比

1.2.4 頂管姿態(tài)控制

1)機(jī)頭旋轉(zhuǎn)控制 矩形頂管由6個(gè)刀盤組成,兩側(cè)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)為對向啟動(dòng),保證機(jī)頭平衡(圖3)。黃健[4]論證了不同結(jié)構(gòu)的刀盤適應(yīng)于不同的工程環(huán)境。本項(xiàng)目據(jù)此針對異型盾構(gòu)技術(shù)的難點(diǎn)開展了相關(guān)的研究和工程實(shí)踐活動(dòng)：當(dāng)頂進(jìn)過程中出現(xiàn)機(jī)頭旋轉(zhuǎn)角度過大后,采取旋轉(zhuǎn)超高側(cè)增加配重，泥土泵打土，調(diào)節(jié)左右兩個(gè)螺旋機(jī)出土速度等措施逐步糾偏。

圖3 機(jī)頭旋轉(zhuǎn)控制示意圖

2)軸線偏移控制 頂管機(jī)掘進(jìn)過程中偏離設(shè)計(jì)軸線不大于±30 mm,推進(jìn)過程中密切關(guān)注導(dǎo)向系統(tǒng)測量情況,適時(shí)啟動(dòng)糾偏系統(tǒng)油缸,確保頂管姿態(tài)偏差在允許范圍內(nèi)。同時(shí),每2天進(jìn)行一次人工測量,修正導(dǎo)向系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)。

2 頂管施工過程中的重點(diǎn)控制

2.1 頂管始發(fā)或到達(dá)的安全控制

頂管的始發(fā)與到達(dá)是頂管施工中最易出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié),常會(huì)因?yàn)轫敼苁┕な及l(fā)或到達(dá)過程中定位不準(zhǔn)確,方向控制不好,或者端頭加固的質(zhì)量問題,導(dǎo)致始發(fā)、到達(dá)時(shí)出現(xiàn)坍塌、突泥、涌水,嚴(yán)重影響施工安全。同時(shí),由于盾構(gòu)頂管到達(dá)時(shí)容易造成掌子面土體破壞,頂管施工的觸變泥漿泄露,導(dǎo)致地層沉降超限,管節(jié)摩擦力超限,頂推無法實(shí)施。

2.2 頂管施工的沉降控制

由于頂管和管節(jié)頂板面積巨大,上覆土形成受力拱的作用大大減弱,上覆土發(fā)生沉降的敏感度較強(qiáng)。

同時(shí),由于頂管機(jī)開挖橫斷面增大后,存在碴土改良的不均勻性,超大斷面矩形土倉內(nèi)各點(diǎn)的土壓力可能會(huì)有差別,對開挖面的穩(wěn)定帶來不利影響。而螺旋輸送機(jī)數(shù)量的增加,又增加了各點(diǎn)出土量控制的難度,開挖面有可能出現(xiàn)局部超挖。

2.3 頂管施工的姿態(tài)控制

由于矩形盾構(gòu)頂管橫斷面尺寸增大,同時(shí)可能存在開挖面各點(diǎn)壓力差別,調(diào)向糾偏的難度增大,或者超大斷面矩形盾構(gòu)頂管在推進(jìn)的過程中可能由于側(cè)向受力不均,或者地層不均勻?qū)е戮匦味軜?gòu)頂管扭轉(zhuǎn)或者姿態(tài)難以控制；特別是由于橫斷面尺寸大,頂管或管節(jié)發(fā)生滾轉(zhuǎn)偏差對管廊凈空位置的影響明顯,滾轉(zhuǎn)的糾偏也因此變得困難。

3 施工風(fēng)險(xiǎn)對策

3.1 頂管始發(fā)、到達(dá)的安全風(fēng)險(xiǎn)對策

加強(qiáng)頂管在始發(fā)、到達(dá)段的推進(jìn)控制?？刂坪庙敼茏藨B(tài),在保證出碴量正常的前提下,盡量快速完成頂管的始發(fā)與到達(dá)。

3.1.1 頂管始發(fā)

按照要求完成端頭加固,對加固區(qū)域進(jìn)行垂直取芯,檢查其加固的完整性和強(qiáng)度。控制始發(fā)臺(tái)安裝和調(diào)試后,對地下水應(yīng)該嚴(yán)格控制,設(shè)置端頭降水井,降低地下水水位。動(dòng)態(tài)防水、洞圈保壓功能采用雙層橡膠簾布板+雙層折頁板裝置。頂管始發(fā)期間,控制頂進(jìn)速度5～10 mm/min勻速推進(jìn)。

在洞門鑿除前,對要鑿除的洞門范圍內(nèi)邊角及中心位置分別進(jìn)行水平和傾斜探孔,孔深以不打穿加固體為好,一旦發(fā)現(xiàn)存在問題即進(jìn)行二次補(bǔ)充加固,確保加固體的整體、連續(xù),無加固盲區(qū)。預(yù)先安裝洞門圈預(yù)埋鋼環(huán),始發(fā)時(shí)采用延長洞門加2道簾布橡膠板道作為洞門密封,并在延長洞門上預(yù)留注漿口,避免在始發(fā)過程中及整個(gè)推進(jìn)過程中管節(jié)長時(shí)間摩擦洞門密封導(dǎo)致密封被破壞,以確保工程安全。

3.1.2 頂管接收

頂管機(jī)達(dá)到接收范圍前,安排測量組對頂管機(jī)姿態(tài)進(jìn)行復(fù)測、糾偏。

在頂進(jìn)最后三環(huán)管節(jié)時(shí),在盾構(gòu)頂管機(jī)后注入高稠度泥漿,防止到達(dá)時(shí)漏漿。

頂管頂進(jìn)至設(shè)計(jì)位置后,對頂管機(jī)尾部管節(jié)采用水泥漿進(jìn)行固結(jié)施工,固結(jié)完成后方可采用脫管油缸進(jìn)行機(jī)管分離,防止?jié){液流失。到達(dá)加固體后、掌子面前,低推力,低轉(zhuǎn)速,盡可能的多出土,晚破壞掌子面；掌子面破壞后要快速地推出,以防止漏泥漏水。

頂管機(jī)脫離管節(jié)后,距洞門環(huán)梁混凝土澆筑存在較長時(shí)間,且該部位管節(jié)周邊空隙較大,頂管機(jī)脫離后須立即對空隙進(jìn)行封堵,防止?jié)B漏水的形成?？障斗舛虏捎么u砌墻+鋼板進(jìn)行,封堵完成后進(jìn)行洞門環(huán)梁施工。

3.2 沉降風(fēng)險(xiǎn)對策

頂管以剛度作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo),確保矩形平面結(jié)構(gòu)在外土壓力下不變形或變形在允許范圍內(nèi),確保泥漿套的平滑和連續(xù)。頂管土倉內(nèi)上下左右配置9個(gè)具有高靈敏度的壓力傳感器,能精確控制土倉壓力并進(jìn)行土壓管理,以滿足地表沉降控制在允許的范圍內(nèi)。管節(jié)也采用性能可靠的傳感器進(jìn)行全面的各點(diǎn)壓力控制。

在頂進(jìn)過程中密切關(guān)注壓力表數(shù)值,嚴(yán)控土倉壓力值,壓力上下波動(dòng)值控制在0.2 bar以內(nèi)。以防止施工過程中土壓控制出現(xiàn)“拉風(fēng)箱”,破壞原狀地層。在保證土倉壓力的情況下嚴(yán)格控制出渣量和推進(jìn)速度,頂進(jìn)施工應(yīng)勻速連續(xù),頂進(jìn)速度不超過10 mm/min。根據(jù)頂進(jìn)距離嚴(yán)格控制出碴量,出碴量以98%～102%為好,在遇到富水砂層等不良地層時(shí),改用膨潤土、聚合物等進(jìn)行針對性碴土改良。

當(dāng)頂進(jìn)過程中出現(xiàn)出土量超多,導(dǎo)致地面沉降的情況,可采用泥土泵進(jìn)行打土回填,填充密實(shí)后再繼續(xù)向前掘進(jìn)施工。管節(jié)制作過程中確保外壁光滑,能夠有效地減少推進(jìn)阻力和“背土”現(xiàn)象,有效控制沉降。

3.3 姿態(tài)糾偏對策

1)在盾體設(shè)計(jì)上將頂管前盾的長度設(shè)計(jì)得稍短,以便減少鉸接點(diǎn)到刀盤的距離,使鉸接力能夠有效地傳遞到刀盤便于轉(zhuǎn)向。

2)當(dāng)發(fā)生滾轉(zhuǎn)偏差和尾盾中線偏差時(shí),說明前盾的糾偏力已經(jīng)不足,此時(shí)借助于在盾體上的預(yù)留孔和糾偏泥漿注入系統(tǒng),在需要的位置向地層注入糾偏泥漿,依靠泥漿對地層的壓力和地層微量的壓縮性進(jìn)行糾偏。

3)對于導(dǎo)向系統(tǒng),采用激光導(dǎo)向系統(tǒng),控制頂管推進(jìn)5個(gè)方向自由度,保證頂管頂進(jìn)方向的正確。

4)通過6個(gè)刀盤的同向轉(zhuǎn)動(dòng)使頂管獲得某個(gè)方向的反扭矩,達(dá)到輔助滾轉(zhuǎn)糾偏目的。

4 結(jié) 語

截至2018年11月7日，本工程全線順利貫通,下穿滬杭甬高速公路的矩形頂管段長度位居全國第一,亞洲第二,同時(shí)也是浙江省矩形頂管口徑最大的綜合管廊。建設(shè)期間,高速路網(wǎng)不封閉、不降速、不限流,完全不受施工影響。下穿三污干管矩形頂管段是本次工程中施工難度最大的一段,通過科研攻關(guān),最終將每天的沉降量控制在1 mm以內(nèi),累計(jì)沉降不超過20 mm,確保了三污干管運(yùn)營萬無一失。

超長大截面矩形盾構(gòu)式頂管技術(shù)目前在國內(nèi)僅在上海、鄭州、天津、寧波等城市運(yùn)用,杭州是首次采用該技術(shù)工藝。本工程地質(zhì)主要為粉質(zhì)黏土,極易造成地面下沉,同時(shí)超大斷面又增加了掘進(jìn)難度,對施工工藝要求極高。本工程2臺(tái) “雙子星”矩形頂管機(jī),通過兩層六刀盤布置形式,相鄰刀盤的切削區(qū)域相互交叉,極大地提高了斷面開挖覆蓋率；同時(shí)多刀盤小范圍掘進(jìn)方式加上輔助糾偏系統(tǒng),對地層擾動(dòng)少,地表沉降大大降低。