顶管机出洞技术

顶管机出洞技术

刘敏

刘敏

中铁十四局集团第二工程有限公司山东泰安271000

摘要：群管顶进中，相邻管道间距小，顶管出洞技术是决定隧道精度的关键，基于太原市下穿火车站通道工程DN2000群管顶进过程的施工经验，叙述了顶管出洞技术关键步骤，通过研究发现顶管进出洞工作对顶管施工的成败非常关键。顶管出洞措施完善，顶管机能从始发井安全出洞，就能保证顶管顺利进行。

关键词：顶管出洞；管线放线；后背墙平整制法；导轨铺设；洞口止水

1引言

进行单管顶进，一般作业空间大，精度要求低，采用水泥管，连接处采用承插口，容易调整顶进轴线；而对于一些管道采用钢管隧道或一些重要下穿工程或超浅覆盖情况，对顶管轴线精度高、相邻管道间距小，相互影响大。本文结合太原下穿工程实例，对群管顶进在复杂地质条件下超浅埋下穿特等火车站顶管机始发技术进行研究与探讨。

2工程概述

太原市迎泽大街下穿火车站通道工程是迎泽大街东延的控制性工程，是太原市向东拓展的主通道之一。迎泽大街在太原火车站前分为上下行，分别从车站南北两端下穿。火车站下侧地理环境复杂，是国内第一个下穿火车管幕法施工的隧道。钢管顶进施工是隧道成功的关键，本工程采用全断面管幕结构法，在新黄土、杂填土地层，以大跨度、特浅埋穿越运营的特级火车站，具有周边环境复杂、安全风险高、沉降控制难度大等特点，在国内尚属首次；管幕平均长度105.05米，南、北各管幕20根。每节管长9m，采用焊接连接，一个断面共20根管幕组成的管幕群，具体布置见图2-1

图2-1管幕布置图

3工程重难点分析

埋深浅，沉降要求严格，太原火车站是石太客运专线、大西客运专线、南北同蒲铁路、石太铁路等多条铁路线的交汇点，站内有站台4座，正线、到发线10条。钢管顶距离路基最小距离2.7m，且在施工过程中不能影响火车站正常运营，要求累计沉降不能大于10mm。

太原站为110多年的老站，期间经历过5次大型站改，20多次小型站改，南通道站改前在站台上设置的钢筋混凝土雨棚，雨棚柱桩基采用Φ1200m钢筋混凝土桩，桩深为10.0m～13.8m，桩间距为10.2m，见图3-1；旧接触网钢筋混凝土基础，埋深约3～4m，，顶管范围内还存在废弃钢轨、混凝土枕等多种障碍物。

图3-1Φ1200m钢筋混凝土桩

4顶管机出洞关键步骤及措施

我们采用2米土压平衡顶管机和敞开式顶管机进行施工。经4千米的顶管实践发现，顶管进出洞工作对顶管施工的成败非常关键。顶管出洞措施完善，顶管机能从始发井安全出洞，就能保证顶管顺利进行，如给排水试验管进入接收井间段，由于始发导轨安装误差，造成顶管机顶进时左右偏差大，顶力增大。又如：北A2在70米顶段，由于后座墙不平整，造成主顶油缸漏油，重新做后背墙填充物，造成顶管机停顿维修。因此，顶管始发是顶管施工的关键工序，必须采取切实可靠的措施，以保出洞成功。顶管出洞，是指在始发井安放就位的顶管机和第一节承插管从始发井中破洞口密封进入土体中的阶段。顶管出洞关键应做好以下几个方面的工作：测量放线、后背墙平整制法、导轨安装、洞口密封和出洞等几个方面的工作。

4.1测量放线

中轴放线是保证顶管轴线正确的关键。放线准确就能保证顶管机按设计要求顺利接收，满足施工质量要求；反之，就可能造成顶管轴线偏差，影响工程进度和工程质量，同时也会造成顶进时设备损坏，使顶管停顿。顶管管线放线，就是将始发井出洞口和接收井进洞口的中心坐标正确引入始发井内，如图4-1，指导顶管顶进的方向和距离。从理论上讲，始发井和接收井的坐标和标高在工作井都已明确，通过计算很容确定。然而由于预埋套筒在安装时候的误差，这样从理论上计算放出的线就不一定符合实际轴线。目前，顶管管线放线常常是根据始发井和接收井的实际位置，按设计要求，通过测量实际放出管线位置。具体如下：轴线标高的测量使用水准仪测得预埋套筒最底部标高，按照设计坡度，计算出平台前、中、后三点标高，调整平台高度到合适高度，目前顶管轴线常用的放线技术，就是用全站仪分别测量出始发井预埋套筒的中线和接收井预埋套筒的中线；通过计算确定顶管管线，并将其引入始发井内。详见下图：

图4-1测量预埋套筒实际轴线

这种放线优点是视线比较直观，减少了放线过程中的计算量，方便操作；缺点是放线过程中需反复移动全站仪，操作人员容易疲劳，放线容易产生误差。另外，在始发井和接收入井之间在100米以上距离长，视线不能通视，放线误差大。当始发井和接收井的管线轴线测量完毕后，在始发井平台上用全站仪放样出实际中线，具体为靠近始发密封一个点、后靠墙一个点，平台中部一个点，用以确定管线顶进轴线，如图4-2。

图4-2工作平台轴线确定

4.2后背墙平整制法

后靠背平整是保证顶管正常顶进过程中的一项关键措施。由于始发井施工过程中，后背墙平整度误差大，直接将井壁当后背墙会影响压力板安装精度，先安装压力板，用水准尺调节水平，压力板四周用泡沫胶填充，在缝隙处添加高强微膨胀灌浆料并与始发井共同受力作为后座墙，如同4-3。后背墙填充物与顶进轴线成直角，待其强度达到80%以上强度后方可进行顶管的顶进工作，否则就可能造成顶管过程出现各种意想不到的事故，影响顶管顶进。这在北A2始发井顶段中就曾发生过，北A2后背墙南北方向偏差大缝隙灌浆不密实，当时由于对后背墙填充物的重要性认识不足，采取措施不够妥当，致使在顶管过程中造成顶力过大，钢管焊缝开裂，使顶管不得不中途停顿，重新增加顶进油缸及焊缝加强后，才继续顶进。对于后背墙平整的做法，根据现场41次使用，建议采用以下方法：

（1）后背墙填充以后的工作面必须与顶管管线垂直。

（2）后背墙填充的厚度应满足最大顶力的强度，厚度根据工作井井壁平整度而定。

（3）后背墙填充做法采用灌浆料在强度M50以上，主顶油缸反复作用会造成反复受力，疲劳损坏，影响顶进质量，还会导致主顶设备损坏。

图4-3高强砂浆灌浆量填充物

4.3导轨铺设

平台导轨是安装在始发内为顶管机出洞提供一个基准的设备。导轨要求具备坚固、加工误差±5mm，顶管机压上去不变形。。由于D2000顶管机重量28T，每根钢管重达10吨，为此我们采用了复合型导轨。导轨安装应注意顶进轴线、导轨标高和导轨固定几个方面的问题。

（1）顶进轴线：根据顶进轴线测量结果，铺设轨道时，将导轨中线与顶进轴线重合。

（2）管线标高：由于采用的是复合型轨道，在安装导轨的时候要注意导轨组成的尺寸。复合型轨道详见图4-4。

导轨倾斜面是与顶管机接触的。设计时，导轨上水平面H型钢与平台底标高在一个水平面，因此在铺设导轨时，根据实际测得的管内底标高以调整导轨标高即可，导轨与平台的间隙采用薄钢板垫平。

（3）当导轨标高和轴线确定好后，即可进行导轨的支撑。由于导轨在顶管顶进时，不允许位移，因此支撑必须稳固，一般在导轨与工作井井壁间用多根型钢支撑，同时把型钢与导轨焊牢。

图4-4复合型顶管机导轨

4.4洞口止水

顶管工程中，为使顶管机能顺利从工作井内出洞，一般采取工作井预留洞口比管节外径略大些（一般为100mm）的方式，顶进时此间隙需采取有效措施进行封闭，否则地下水和泥砂就会从该间隙流到工作井内，会造成洞口上部地表的塌陷，甚至会造成事故，殃及周围的建筑物和地下管线的安全。因此，顶管过程中洞口止水是一个不容忽视的环节，必须认真、仔细地做好此项工作。

目前，我们采用的洞口止水方法是在做工作井时，预先在洞口预埋一个10mm厚钢套筒，在钢套筒外侧焊上法兰接螺栓，安装15mm和30mm厚的双层橡胶法兰，用10mm厚钢压板压紧，详见图4-5。[1]

图4-5测量预埋套筒实际轴线

在我们完成的顶管中，采用15mm和30mm厚的双层橡胶法兰止水，未发现地下水和泥砂流入工作井内，同时橡胶法兰和压板可以加收，效果很好，有较强的止水效果。

4.5出洞

从打开洞口围护桩，将顶管机顶出始发井外，这一过程称为出洞。出洞是顶管施工中的一道重要工序，因为出洞后顶管机方向的准确与否将会给以后管道的方向控制和井内管节的焊接工作带来影响。出洞时，首先要防止井外的泥水大量涌入井内，严防塌方和流泥。其次要使顶进方向不偏离轴线，顶进方向要准确。[2]

（1）当顶管机出洞时，钢筋等杂物将进入绞笼，损坏绞刀，致使顶管不能正常顶进。我们在北通道A16顶段中，由于顶管机出洞碰上钢筋笼盘条，导致刮刀损坏，钢筋随渣土堵到螺旋机口，顶管停顿期间，螺旋机仓门无法紧闭，地下水涌出，顶管机土仓保压力不够，引起了一些其它的故障，处理起来时很麻烦。

（2）若土质较软或有流沙，则必须在钢管顶进方向距离工作井边一定范围，对整个土体进行改良或加固，视情况一般采用井点降水、注浆、旋喷桩、深层搅拌幕墙等措施，以提高这部分土体的强度，防止顶管机出洞时塌方。

（3）当顶管机准备出洞时，应先破除砖封门并将杂物清理干净，将顶管机刀盘进入井壁中，当止水橡胶法兰与顶管机充分结合后，将夹板上紧。

（4）顶管出洞时，顶管机要调零，通过全站仪和自动纠偏系统，详见图4-6。

图4-5顶管机测量系统调零

（5）要防止顶管机出洞时机头下沉。下沉的原因一是出洞初期，因入土较少，顶管机机头的自重仅由两点支承，其中一点是导轨，另一点是入土较浅的土体。这时作用于支撑面上的应力很可超过允许承载力，使顶管机下沉；二是工作井凿除围护桩扰动洞口土体且顶进区域位于水位线以下。为防止顶管机下沉，可采取土体加固、加延伸导轨、增加洞口下部斜板见4-6图、顶力合力中心低于管中心（约R/5--R/4）或将前部钢管（一般3节左右）同顶管机用连接件连接成整体，同时顶管机头亦可抬高一些。[3]

图4-6焊接洞口下部斜板

（6）防止顶管机和前几节钢管后退。产生这种现象主要是因为顶管机的主顶面上主动土压力大于顶管机和钢管的周边摩阻力和它们与导轨间摩阻力的总和。一般采取在主顶油缸回缩前，用螺旋出土机部分土适当卸压，或在洞口两侧安装手拉葫芦拉住，使其不向后退。由于顶管出洞是制约顶管顶进的关键工序，一旦预管出洞技术措施采取不当，就有可能造成顶管在顶进过程中停顿。而顶管在顶进途中的停顿将会引起一系列不良后果（如：顶力增大、设备损坏等），严重影响顶管顶进的速度和质量，甚至造成顶管失败。[4]

5结束语

（1）顶管出洞关键包括：测量放线、后背墙平整制法、导轨安装、洞口密封和出洞等几个方面。

（2）进洞是要保证机头有一定角度上扬，主要是防止顶管机在自重影响下而产生的下沉。

（3）迎泽大街下穿太原火车站通道，通过采用土压平衡顶管机和敞开式顶管机完成4202米顶进，顶管施工完达到了设计及规范要求，取得良好的经济和社会效益。通过施工总结了一套可靠的施工工艺，对新管幕法施工具有重要的指导意义。

参考文献：

[1]李达，孔恒，郭飞，王雅建，李明浩，许有俊.土压平衡矩形顶管施工引起的地表沉降规律研究[J].中国安全生产科学技术，2018，14（10）：144-150.

[2]罗德芳，成斌.圆砾地层顶管上跨既有运营地铁施工安全风险分析及控制研究[J/OL].中外公路，2018（05）：163-166.

[3]靳楠.市政给排水施工中的长距离顶管施工技术分析研究[J].智能城市，2018，4（17）：94-95.

[4]靳楠.泥水平衡机械顶管施工技术在市政截污工程中的应用初探[J].智能城市，2018，4（16）：111-112.