市政橋梁隧道施工中盾構(gòu)頂管施工技術(shù)研究

龐洪賢

（中鐵北京工程局集團(tuán)第五工程有限公司，浙江 杭州 311200）

0 引言

在國(guó)家新型城市化建設(shè)不斷推進(jìn)下，各地加大對(duì)地下空間的開(kāi)發(fā)與利用，市政橋梁隧道工程領(lǐng)域發(fā)展邁進(jìn)了黃金時(shí)期，大批量市政橋梁隧道工程在全國(guó)各地開(kāi)展，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料顯示，國(guó)內(nèi)已有38 個(gè)城市獲批修建隧道，規(guī)劃總里程已經(jīng)達(dá)到15 562.41km，市政橋梁隧道已經(jīng)成為城市基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)代化的標(biāo)志。盾構(gòu)頂管施工是市政橋梁隧道工程中一個(gè)重要施工項(xiàng)目，當(dāng)前市政橋梁隧道工程已經(jīng)形成現(xiàn)代化體系，具有規(guī)模大、成本高、線路長(zhǎng)、地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，由于施工所在區(qū)域?yàn)槭袃?nèi)，大部分工程周圍環(huán)境比較復(fù)雜，隧道穿越的管線比較多，包括電力管線、電信管線等，因此盾構(gòu)頂管施工具有一定的難度[1]。近幾年，市政橋梁隧道施工受到研究領(lǐng)域的重視與關(guān)注，眾多研究學(xué)者對(duì)其進(jìn)行研究，并已經(jīng)取得一定研究成果。如劉智等人[2]以深圳某隧道工程為依托，對(duì)超大直徑泥水平衡盾構(gòu)穿越斷層破碎帶施工技術(shù)進(jìn)行研究。其以“預(yù)防為主，防治結(jié)合，綜合治理”的施工原則，采取輔助氣壓掘進(jìn)模式穿越斷層破碎帶。鄧章鐵等人[3]以武漢市大東湖核心區(qū)污水傳輸工程為基礎(chǔ)，針對(duì)超深及復(fù)合地層條件下長(zhǎng)距離曲線頂管無(wú)法繼續(xù)頂進(jìn)的問(wèn)題進(jìn)行研究，并提出了超深長(zhǎng)距離頂管對(duì)接施工技術(shù)。以上兩種方法技術(shù)水平較低，無(wú)法保證市政橋梁隧道施工質(zhì)量，多數(shù)情況下施工區(qū)域地表隆起、沉降變形比較嚴(yán)重，并且管節(jié)接頭處沉降量也比較大，為市政橋梁隧道工程帶來(lái)一定的安全隱患?，F(xiàn)行技術(shù)存在較大的優(yōu)化空間，已經(jīng)無(wú)法滿足實(shí)際需求，為此提出市政橋梁隧道施工中盾構(gòu)頂管施工技術(shù)研究。

1 市政橋梁隧道施工中盾構(gòu)頂管施工技術(shù)設(shè)計(jì)

市政橋梁隧道施工中盾構(gòu)頂管施工大致可以分為四個(gè)部分，在正式進(jìn)場(chǎng)施工之前將施工設(shè)備與材料準(zhǔn)備，并且做好清場(chǎng)工作；采用明挖法對(duì)隧道兩端入口進(jìn)行挖取，將盾構(gòu)體進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝，為了保證盾構(gòu)頂管施工安全，以及施工順利進(jìn)行，對(duì)隧道進(jìn)出洞口進(jìn)行加固及止水。根據(jù)市政橋梁隧道工程實(shí)際情況，對(duì)盾構(gòu)頂管技術(shù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，開(kāi)展盾構(gòu)頂進(jìn)作業(yè)，在頂進(jìn)作業(yè)過(guò)程中利用矩形關(guān)節(jié)對(duì)隧道上覆土進(jìn)行支護(hù)，防止地表隆基及沉降變形，以下將從進(jìn)出洞口加固及止水、盾構(gòu)頂管體安裝、盾構(gòu)頂進(jìn)作業(yè)、矩形管節(jié)支護(hù)四個(gè)方面對(duì)盾構(gòu)頂進(jìn)施工技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

1.1 進(jìn)出洞口加固及止水

為了保證后續(xù)盾構(gòu)頂管施工順利進(jìn)行，在隧道兩端洞口采用明挖法對(duì)其進(jìn)行挖取，挖進(jìn)距離為3.45m，用于盾構(gòu)頂管體安裝。為了保證盾構(gòu)頂管施工作業(yè)安全，在挖取的洞口處采用三軸攪拌樁對(duì)其進(jìn)行加固，防止隧道洞口坍塌，攪拌樁的直徑為750mm，樁體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土，配筋率不能低于50%。如果施工區(qū)域地下水豐富，則需要在洞口安裝簾布橡膠板密封洞圈，并且在洞口處安裝2～3 個(gè)降水井，將盾構(gòu)頂管施工期間涌出的地下水導(dǎo)入到降水井，以此起到止水的作用。

1.2 盾構(gòu)頂管體安裝

盾構(gòu)頂管體主要由盾構(gòu)機(jī)與頂管機(jī)兩部分組成，頂管機(jī)主要負(fù)責(zé)頂進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)負(fù)責(zé)管內(nèi)巖土挖出，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)盾構(gòu)頂管體進(jìn)行安裝。采用運(yùn)輸設(shè)備將盾構(gòu)機(jī)與頂管機(jī)運(yùn)輸?shù)剿淼蓝纯?，在隧道底板?0cm 插入下托板，將盾構(gòu)主體、頂管主體固定在下托板上，頂管主體在前，盾構(gòu)主體在后，將盾構(gòu)頂管主體相互焊接，并將其與下托板外露部分焊接在一起。按照隧道軸線放出盾構(gòu)頂管各墩柱底板開(kāi)鑿邊線，對(duì)槽基底利用鋼筋混凝土對(duì)其進(jìn)行硬化處理，將盾構(gòu)頂管墩柱與預(yù)埋托板平整焊接。在隧道洞口搭設(shè)臨時(shí)平臺(tái)，在該平臺(tái)上制作盾構(gòu)頂進(jìn)體主梁，采用17.55mm 厚鋼板制作盾構(gòu)頂管體外殼，將外殼安裝在盾構(gòu)頂進(jìn)主體上，安裝后的外殼寬度應(yīng)大于隧道總寬度約25.55mm。利用焊接技術(shù)將盾構(gòu)頂管體外殼與主梁、頂板底面焊接，以此完成盾構(gòu)頂管體安裝。

1.3 盾構(gòu)頂進(jìn)作業(yè)

安裝完盾構(gòu)體后，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)盾構(gòu)頂管機(jī)正面土壓力、主頂力等技術(shù)參數(shù)設(shè)定，在盾構(gòu)頂進(jìn)作業(yè)過(guò)程中，盾構(gòu)頂管機(jī)要承受正面土壓力，根據(jù)彈性土壓力理論確定盾構(gòu)機(jī)正面土壓力參數(shù)，其計(jì)算公式為：

式中，U表示盾構(gòu)頂進(jìn)正面土壓力，單位為MPa；M表示市政橋梁隧道盾構(gòu)頂管覆土深度，通常情況下管道上部取3.45m，管道下部取11.35m；ε表示容重；g表示隧道盾構(gòu)頂進(jìn)土體側(cè)向系數(shù)[4]。以上計(jì)算得到的是盾構(gòu)頂管機(jī)正面土壓力理論值，但是在實(shí)際中當(dāng)盾構(gòu)頂管機(jī)從隧道洞口加固區(qū)頂進(jìn)到原狀土?xí)r，需要將盾構(gòu)頂管機(jī)正面土壓力值增加，使其大于理論計(jì)算值[5]。為了保證盾構(gòu)頂管施工效率，根據(jù)盾構(gòu)頂管機(jī)迎面阻力與初始拉力，確定盾構(gòu)頂管作業(yè)的主頂力參數(shù)，盾構(gòu)頂管機(jī)迎面阻力計(jì)算公式為：

式中，1F表示盾構(gòu)頂管迎面阻力值；z表示盾構(gòu)頂管機(jī)寬度；k表示盾構(gòu)頂管機(jī)高度；w表示盾構(gòu)頂管頂進(jìn)長(zhǎng)度；表示盾構(gòu)頂管外壁與周圍巖土體的平均摩擦阻力，其計(jì)算公式為：

式中，s表示盾構(gòu)頂管外摩擦系數(shù)；α表示盾構(gòu)頂管外周長(zhǎng)；η表示每米盾構(gòu)管節(jié)的重力；δ表示管節(jié)重力在巖土體中的摩擦系數(shù)，通常情況下該摩擦系數(shù)取值范圍為0.15～0.45[6]。將數(shù)值代入到上式（3）中計(jì)算出盾構(gòu)頂管迎面阻力值，再根據(jù)盾構(gòu)頂管的初始拉力確定盾構(gòu)頂管的主頂力參數(shù)值，其計(jì)算公式為：

式中，F(xiàn)表示盾構(gòu)頂管主頂力參數(shù)值；2F表示盾構(gòu)頂管的初始拉力[7]。通過(guò)以上計(jì)算對(duì)盾構(gòu)頂管正面土壓力和主頂力兩個(gè)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定[8]。設(shè)定好技術(shù)參數(shù)后，開(kāi)展盾構(gòu)頂進(jìn)作業(yè)，為了減小盾構(gòu)頂進(jìn)過(guò)程中周圍巖土體對(duì)頂管體的摩擦，以及減少巖土體對(duì)盾構(gòu)頂管機(jī)刀具的損壞，快速且順利地完成頂進(jìn)作業(yè)，采用混合注漿減摩方法開(kāi)展頂進(jìn)作業(yè)；在盾構(gòu)頂管體外層安裝一個(gè)泥漿套，泥漿套與管材之間為滲透塊。漿液采用潤(rùn)滑性良好的膨潤(rùn)土泥漿，在水泥砂漿中加入膨潤(rùn)土添加劑，膨潤(rùn)土的添加量為35.16g/m2，利用注漿泵將制備好的膨潤(rùn)土泥漿注入滲透塊內(nèi)，注漿壓力控制在2.45～4.15MPa 之間[9]。在盾構(gòu)頂管頂進(jìn)過(guò)程中，在注漿壓力的作用下膨潤(rùn)土泥漿通過(guò)滲透塊向周圍巖土體滲透和擴(kuò)散，滲透到土體顆粒之間的空隙中，在短時(shí)間內(nèi)滲透到巖土體顆粒之間的膨潤(rùn)土泥漿會(huì)變成凝膠體，從而減少盾構(gòu)頂管體與巖土體的摩擦，直至達(dá)到頂進(jìn)長(zhǎng)度為止。

1.4 矩形管節(jié)同步支護(hù)

考慮到盾構(gòu)頂進(jìn)作業(yè)會(huì)對(duì)周圍巖土結(jié)構(gòu)造成不良影響，可能會(huì)造成地表沉降或者隆起變形，因此在盾構(gòu)機(jī)頂進(jìn)過(guò)程中，同步矩形管節(jié)支護(hù)作業(yè)，管節(jié)的壁厚非常關(guān)鍵，其直接關(guān)系到管材支護(hù)效果。通過(guò)反復(fù)對(duì)管節(jié)荷載驗(yàn)算，確定管節(jié)壁厚[10]。支護(hù)矩形管節(jié)要符合管節(jié)軸向允許推力要求，其計(jì)算公式為：

式中，V表示矩形管節(jié)軸向允許推力；W表示矩形管節(jié)受力面積；S表示管材抗壓強(qiáng)度，通常情況下矩形管材為C50 鋼筋混凝土，其抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為23.1N/mm2；p表示矩形管節(jié)后座反力[11]。利用上述公式對(duì)關(guān)節(jié)荷載反復(fù)驗(yàn)算，直至管節(jié)允許推力大于關(guān)節(jié)最大受力為止，以此確定管節(jié)壁厚。管節(jié)形狀設(shè)計(jì)為矩形，在頂進(jìn)過(guò)程中通過(guò)同步注漿，形成矩形管節(jié)，為了保證注漿均勻，注漿管路采用并聯(lián)方式，在注入漿液中配筋，植入的鋼筋間距控制在30～50mm，鋼筋直徑為5.45mm[12]。在每頂進(jìn)10m 后完成一次二次注漿，二次注漿量是一次同步注漿的0.45 倍，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)頂進(jìn)到隧道洞口時(shí)，加大二次注漿量，此時(shí)注漿量為一次同步注漿的0.75 倍，以此保證隧道洞口的穩(wěn)定性。通過(guò)矩形管節(jié)同步支護(hù)作業(yè)，提高市政橋梁隧道上覆土層的穩(wěn)定性，當(dāng)矩形管節(jié)初凝后，對(duì)矩形管節(jié)的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行檢驗(yàn)，如果沒(méi)有達(dá)到抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，需要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)漿處理，直至符合驗(yàn)收要求為止。頂管機(jī)頂進(jìn)的同時(shí)，利用盾構(gòu)機(jī)挖出土體，以一個(gè)管節(jié)為一個(gè)盾構(gòu)頂進(jìn)周期，每一管節(jié)頂進(jìn)完成后，再重復(fù)上述步驟對(duì)下一個(gè)管節(jié)頂進(jìn)，直至通道貫通，以此完成市政橋梁隧道施工中盾構(gòu)頂管施工。

2 實(shí)例分析

2.1 工程概況

以某市政橋梁隧道工程為工程背景，該工程位于市中心，隧道走向?yàn)槟媳毕?，橫穿多條道路和管道，并且周圍分布有市政工程相關(guān)管線。工程施工區(qū)域地質(zhì)條件比較復(fù)雜，上覆土層為人工填土，并有少量的淤泥質(zhì)土，上覆土層厚度為10.25m，該隧道設(shè)計(jì)挖深為12.45m，底層土質(zhì)比較堅(jiān)硬，為砂卵石，厚度為5.41m，隧道長(zhǎng)度為135.45m，隧道主道凈寬為8.45m，凈高為5.36m，隧道兩端進(jìn)出口采用明挖法施工，主通道采用盾構(gòu)頂管技術(shù)施工。該工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且施工對(duì)周邊環(huán)境影響比較大，具有一定的施工難度。

2.2 施工結(jié)果與討論

結(jié)合上述工程實(shí)際情況，采用本文設(shè)計(jì)的施工技術(shù)開(kāi)展盾構(gòu)頂管施工，將盾構(gòu)頂進(jìn)機(jī)正面土壓力設(shè)計(jì)為135.46MPa，將其主頂力設(shè)計(jì)為148.62MPa，將矩形管節(jié)壁厚設(shè)計(jì)為600mm?？紤]到地表沉降與管節(jié)接頭處沉降變形是盾構(gòu)頂管施工中重要控制對(duì)象，同時(shí)也是市政橋梁隧道施工驗(yàn)收的重要項(xiàng)目，故在施工完成后為施工區(qū)域地表沉降量與管節(jié)接頭處最大沉降量進(jìn)行檢測(cè)，隨機(jī)選取五個(gè)區(qū)域，使用IHFF-7fa8 全站儀對(duì)區(qū)域地表沉降情況進(jìn)行測(cè)量，并且隨機(jī)選擇五個(gè)管節(jié)接頭處作為測(cè)點(diǎn)，同樣使用全站儀對(duì)管節(jié)接頭處沉降進(jìn)行測(cè)量，使用電子表格對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)記錄，具體數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 盾構(gòu)頂管施工沉降變形測(cè)量結(jié)果

如表1 所示，相關(guān)規(guī)范要求市政橋梁隧道盾構(gòu)頂管施工地表最大沉降量不能超過(guò)20.45mm，管節(jié)接頭處最大沉降量不能超過(guò)15.45mm。該工程施工后地表沉降量最大值僅為6.95mm，管節(jié)接頭處最大沉降量?jī)H為3.15mm，均符合規(guī)范要求，說(shuō)明該工程盾構(gòu)頂管施工未發(fā)生較大的沉降變形。由于盾構(gòu)頂管施工中如果注漿不合理，或者推頂力等技術(shù)參數(shù)設(shè)定不合理，會(huì)造成地表隆起變形，因此為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)方法的適用性與可行性，隨機(jī)選擇十個(gè)測(cè)點(diǎn)，在施工后利用全站儀對(duì)地表隆起量進(jìn)行測(cè)量，使用電子表格對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)記錄，具體數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 盾構(gòu)頂管施工隆起變形測(cè)量結(jié)果

如表2 所示，相關(guān)規(guī)范要求市政橋梁隧道盾構(gòu)頂管施工地表最大隆起量不能超過(guò)50.55mm，該工程施工后地表最大隆起量為22.14mm，在規(guī)定范圍內(nèi)，符合規(guī)范要求，說(shuō)明本次采取的施工技術(shù)能夠有效保證施工質(zhì)量，具有良好的施工效果，該技術(shù)適用于市政橋梁隧道施工中盾構(gòu)頂管施工。

3 結(jié)論

盾構(gòu)頂管施工作為市政橋梁隧道施工中一個(gè)重要項(xiàng)目，其施工質(zhì)量對(duì)整個(gè)工程質(zhì)量具有重要影響，此次參考相關(guān)文獻(xiàn)資料，在原有施工技術(shù)基礎(chǔ)上，對(duì)市政橋梁隧道施工中盾構(gòu)頂管施工技術(shù)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一個(gè)新的施工技術(shù)，有效解決了盾構(gòu)頂管施工地表沉降、隆起變形問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)原有技術(shù)的優(yōu)化與創(chuàng)新。本次研究為市政橋梁隧道施工中盾構(gòu)頂管施工提供了參考依據(jù)，有助于提高盾構(gòu)頂管施工技術(shù)水平，為市政橋梁隧道工程施工提供了技術(shù)支撐，具有一定的研究?jī)r(jià)值。但是本文設(shè)計(jì)技術(shù)尚未在實(shí)際工程中得到大量的應(yīng)用與操作，在某些方面可能存在一些不足之處，今后會(huì)在技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面展開(kāi)進(jìn)一步研究，市政橋梁隧道施工中盾構(gòu)頂管施工提供有力的理論支撐。