浅析地铁顶管施工技术

浅析地铁顶管施工技术

周婷

周婷

广州市地下铁道总公司广东广州510380

摘要：地铁车站出入口过街通道需要穿越交通繁忙的地面道路，城市道路地下管线埋设较多，须采用顶管施工工艺进行地铁车站出入口过街通道的施工，既保证地面道路交通正常通行和管线的安全，又省时省力，减少施工风险，还特别环保。文章结合工程案例探讨了地铁顶管施工的技术要点。

关键词：地铁；顶管施工；应用技术

一、工程概况

广州市轨道交通五号线中山八站I号通道位于广州市荔湾区中山八路公交站场范围内，主要包括：顶管通道、顶管始发井及接受井、I-1出入口通道及I-2出入口通道等部分。其中，顶管通道垂直于中山八路设置，采用顶管法施工；顶管始发井、接受井分别设置于通道南、北两端头；I-1出入口通道设置于中山八路南端，位于荔湖大厦前人行道上；1-2出入口通道设置于中山八路北侧，与中山八路平行设置，详见（图1）。

（图1顶管通道施工平面布置图）

中山八站1号出入口通道段上部包括1组通信管线、1条直径1米的污水管和1组11万伏高压电缆，出入口通道结构位于属于不良地层的淤泥层、淤泥质土层及淤泥质砂层范围内，局部位于粘土层、残积土层中，由于地面交通繁忙，无法中断交通，通过专家论证，最终决定采用“明挖+顶管”的施工方法。

二、工程施工要点分析

1、施工准备

①对主轴的改良：根据荔湾区中山站的矩形机头泥浆进入主轴使主轴、轴承磨损磨损严重问题。我们在主轴与泥水仓的交界面处，增设一道迷宫环，利用迷宫环进行第一道防沙防水，迷宫环之间的配合间隙要求1～3mm；重新疏通主轴的加油孔，增大主轴初始段的加油孔，并利用两台注油泵分别往每条主轴的前后不同孔注0#锂基油，不停注锂基油起到防水及润滑作用。

②对刀盘的改良：在原有刀粒的基础上再增加80把刀，单边刀盘40把。其中尖刀（45°）15把、主要在刀盘上下两端，先行梅花刀15把、每隔一、两个刀粒安放一把，平面刮刀10把、加密保护刀架。刀盘刀粒高低错位、形成前、中、后，三个不同平面，刀粒整体形状为波浪形。主要的目的就是通过刀粒的错落前后不一致来对木桩进行切屑、厮裂木桩。

③顶管机泥水仓内增加12个?30mm注浆孔，主要位于泥水仓的外轮廓，用于预防万一刀盘卡住时候，通过注浆孔注化学剂维稳泥水仓，为人工可以出仓清理障碍物做准备。

④在顶管机的内部左边安装应急施工的气压仓一个，预防万一刀盘被木桩、旧基础卡住时后无法正常处理时，可以通过气压仓加压维稳切屑端面，潜水员从气压仓过渡进入泥水仓排除障碍物，到达正常顶进施工。

⑤为了更好的达到管节止水效果我们重新设计矩形顶管管节的止水胶带，分别在四个转角位置加厚止水胶带5mm，根据拉力变形量，加厚位置的长度为456mm；我们还在管节的止水胶带处增设了10?10mm注浆孔，用于在顶管施工完成以后压注“封缝”化学剂。

⑥机头的吊装运输方面，根据施工现场的条件及道路运输条件限制，决定顶管机在基地分开两节、放倒后运输到现场，再在现场进行反转拼装；在顶管机到达接收井以后，先在接收井吊起机头，运输到工作井附近施工场地反转放倒、最后顺利运输回基地。

2、施工控制

①后座顶力问题的决解：在始发井的衬墙的制作的时候，将后靠背衬墙和顶部横梁连接，并加密衬墙钢筋的密度，使后座顶力和工作井上部横梁连成一体，从而增加受力。

②洞门的凿除：在洞门凿除的时候保留最里面一层钢筋并与混泥土成“十”形，因为安装钢丝刷需要用时比较长，预防竖墙可能会发生坍塌，在钢丝刷、止水胶板、止水压板、底部横冠梁全部安装完毕，最后完全破除钢筋混泥土。

③钢丝刷的安装：钢丝刷的安装应根据止水胶板的宽度安装，尽量使止水胶板能搭接在钢丝刷的起弧中部。以780mm宽的预埋穿墙管、500mm宽的止水胶板为例，m钢丝刷应该安装在穿墙管距离里面250mm处较合适。钢丝刷的每一个转弯角安装10块100m宽的钢丝刷，其他直边安装200mm宽的钢丝刷。

④止水胶板：止水胶板的质量要求，必须保持橡胶的硬度为50、拉伸强度400%以上，转角起皱折形状，利于顶管机进入时候能有一定的伸展。

⑤定位板的安装：在钢丝刷的前面上、左、右、边各焊接三块带有斜坡口，梯形状20mm厚的定位板，下边焊接4块。根据顶管机的外尺寸6000*4300*4900，上下左右只留5mm余量来决定定位板的具体高度，防止顶管机始发磨竖墙的时候摆动过大卡死刀盘。洞口防水详见（图2）。

⑥开仓处理：如果发现顶管顶进速度非常缓慢，顶力和刀盘扭矩相对较大；在保证安全的前提下，现场决定开仓处理。发现素墙较硬，且素墙内残存钢筋等障碍物导致顶力较大，顶进速度慢是由于素墙有残留的钢筋影响。可通过刀盘安全检查孔人工清理部分被卡钢筋，达到正常顶进。

（图2）（图3现场施工图）

⑦泥水压力平衡控制：泥水平衡顶管施工是通过泥水循环的压力来控制仓内的泥水压力达到平衡状态，维护切削面土体的稳定。要配制优质的泥浆，泥浆配制采用膨润土在拌浆池里膨化24小时后搅拌使用，配制好的泥浆的比重为1.2～1.3g/㎝3，粘度大于25S；根据覆土深度、地下水、地质情况和路面结构等设定仓内的泥水平衡压力控制在0.06～0.08MP之间；在排浆泵安装了变频器，通过变频器调节排浆泵的电流，通过排浆量大小来调节仓内的泥水平衡压力，仓内的浓泥浆通过排浆泵排至泥水分离器进行再处理使用。

⑧顶进刀盘的控制：根据施工探测显示木桩主要在顶管轴线的中上部，在顶进时候一般使用刀盘外转顶进，尽量利用刀盘外转将左右两边的木桩往外拨开，往上推，减少对木桩的切屑从而减轻堵管的问题。

⑨顶管姿态控制：在顶进30多米的时候，由于覆土浅、地下基础的影响，机头有上偏趋势，而且是每顶进1.5米最大上偏5mm，纠偏作用不明显。为此采用顶管机机头压重物的办法，最终稳住纠偏，满足施工姿态要求。

⑩障碍物处理：顶管机遇到旧基础等不明障碍物时，刀盘电流跳到的厉害，顶管机震动较大。将顶管机的所有纠偏千斤顶都伸出30～60mm，放慢顶进的速度，在刀盘被卡的时候，将通过纠偏千斤顶的伸收、泥水仓的平衡保压，正方启动刀盘，控制进、排泥水流量等，慢慢顶进通过地下障碍物。

水下到达施工：顶管按正常的顶进施工，当刀盘接触到接收井洞门加固区时，通过计算调整千斤顶的推力、顶进速度、管节注浆、泥浆粘度等参数；当顶管机刀盘接触到接收井加固区时，先停止顶进施工，按要求尽快凿除洞口砼、安装洞口止水橡胶板等；准备工作完成后，在接收井满水至稳定的水压位置；顶管机进洞顶进速度控制在3mm/min内，慢慢磨穿加固体到达接收井；顶管施工完成后，尽快注水泥双液浆加固，先固结通道二端洞门管口，再注浆加固中间通道；待通道安全稳定后，接收井排水吊出顶管机。

3、工程质量控制

①安装止水圈与加固机头出洞口

因地质属淤泥质粉细砂层，并受珠江潮夕水位的影响，原旋喷桩洞口加固体效果不理想，满足不了顶管始发开凿洞口的要求；在洞口底部进行钻50mm探孔，有泥水带砂流出；在洞口止水无保障时大面积开凿洞口将会使洞口前土体流失，造成地面坍塌，影响到中山八路。为了能顺利凿开洞口的连续墙混凝土，在原洞口旋喷桩位置紧粘井外边施工一道800mm宽的素混凝土墙，墙深比管底深2m，宽度从管外壁延伸2m。

②轴线控制测量与纠偏

在顶管掘进过程中，后方激光经纬仪射出的激光打在测量靶上，测量靶后面有感光屏。可以自动将激光点位置传送到PLC处理系统；掘进机前后段还安装有倾斜仪，数据可分别传送到PLC处理系统，PLC处理系统将收集到的数据经过换算处理，可以量测出机头前后体姿态及掘进机偏离设计轴线状况，控制顶管顶进姿态。由于管顶覆土太浅，管道成型后因施工原因导致的轴线偏差为：高程偏差+3cm、左右偏差为5cm。

③沉降监测与控制

顶管机前后段周边有触变泥浆孔，在顶进时及时填充顶管机外壳与外土体空隙，防止土体坍塌裹住顶管机，边顶边压，停顶补充。在前3节管应设置触变泥浆管，顶进时不间断压浆；其余管节每隔2～4节管设置一道，顶进时间断补浆。压浆原则：先注后顶、随顶随注、及时补浆。压浆压力宜控制在0.08MPa左右。这样能快速填充管外壁与土体的空隙，减少摩擦并引起人们担心的矩形顶管顶部背土现象，使到整段管道总顶力只有1800t。工程顶进过程中处于高架桥底的绿化带附近有部分监测点沉降超过20mm，在后续注浆加固过程中各测点均有少许回升，施工结束后各监测点沉降数据均不超过13mm。

三、五号线中山八站I号通道施工措施

中山八站1号通道位于中山八路的公交站场范围内，垂直于中山八路设置，通道采用顶管法施工穿越中山八路，该出入口设置于荔湖大厦B座前的人行道上，紧贴荔湖大厦B座，出入口采用明挖法施工。施工单位先后完成了始发井底板、临时侧墙结构施工，出入口及接收井靠中山八路一侧钻孔桩施工，接收井基坑开挖、底板及侧墙结构施工，并完成顶管机顶进施工。根据工程进度计划，顶管施工完成掘进后将依次进行出入口明挖部分基坑开挖及结构施工，出入口通道机电安装及装修工程等施工。主要施工风险及应对措施：

1、中山八站1号通道的出入口及接收井紧贴荔湖大厦，在土建施工过程中可能造成荔湖大厦、广佛汽车站等房屋下沉、倾斜、开裂等病害，造成房屋相关住户投诉、上访，进而引发成信访问题，为了防止上述情况发生，设计单位制定了切实可行的房屋保护方案：该出入口钻孔围护桩施工时，钻孔桩离荔湖大厦B座结构位置只有2米，为A12框架砼结构，房屋建筑年代久远，桩基础为Ф480mm锤击灌注桩，基础承载力及低，房屋范围内淤泥层、淤泥质沙层厚达13～18米，施工风险非常高。设计方案采用沿荔湖大厦A、B座及广佛汽车站与始发井、I-I号通道之间，施做单排或双排￠600mm＠450mm双重管旋喷桩隔水，使出入口及接收井四周形成一道止水帷幕以加强基坑围护结构隔水效果；此外，在止水帷幕外侧沿上述房屋方向加设袖阀管加固房屋基础。由于加固方案措施有力，在施工阶段中严格按方案实施，在出入口及接收井围护结构施工及基坑开挖过程中房屋未发生沉降、开裂等病害。

2、接收井及出入口施工范围内管线种类众多，而且部分管线权属关系复杂，主要有7种管线需要迁改，其中迁改难度最大的是1组10千伏的高压电缆，由于施工场地非常狭小，缺乏管线迁改的场地，为此，后续工程部多次召集市道扩办、各管线相关权属单位、管线施工单位到现场研究管线迁改方案，经过反复修改、优化，最终形成了一个既占地小，又能保证各工序有效衔接的最佳管线迁改综合方案，随着五号线中山八站I号通道顶管接收井施工区域内最后一条电缆迁移完成，就此持续一年零五个月管线迁移工作终于划上句号，这标志着困扰中山八站I号通道施工的前期问题全部攻克。

3、顶管掘进局部遇上软下硬不良地层，影响顶管机掘进姿态：该通道顶管全长34米，覆土深度6米，掘进地层主要为淤泥质沙层、淤泥质土层及少部分红层岩强风化地层，顶管穿越管线有直径0.9米通信管廊、直径1米雨水管、1.2×1米110千伏安电力。该项目顶管掘进中遇到了进入底部开挖范围约6米长、2米宽、0.2-0.4米高的红层岩强风化地层，该地层给顶管的掘进姿态控制造成极大的困难,由于上软下硬顶管机头极难控制，为此项目部从出土渣土中筛选硬颗粒岩土进行分析，采取针对性了措施，决定放慢顶进速度，在土仓内注入足量高分子复合改良液对红层岩进行软化。

4、顶管机一次出洞困难，需二次出洞吊出，前期地下管线限制的原因，接收井内净空尺寸被迫缩小，因此，无法满足顶管机一次性整体接收吊出的条件。因此，顶管机不得不分两次解体接收分体吊出，顶管机前半部到达预定位置必须进行洞门临时封堵后及时进行人工分解机体，这期间在顶管机机壳及管节后部采取一系列补助措施确保地下水不得通过洞门造成喷涌的出洞风险。项目部在充分评估周边环境及风险后，根据积累的类似施工经验制定了专项的“顶管机二次出洞接收方案”并细化方案中的作业环节经过连续24小时连续奋战终于完成了顶管机的顺利接收。

结论

顶管施工是很复杂的工艺过程，严格控制各项指标是确保质量的前提，中山八站在采用顶管机进行施工中克服了加固体素混凝土墙内残存钢筋、地层密布旧木桩和花岗岩条石、水下进洞端残存旋喷桩钻杆致刀盘被卡等困难，使出入口人行隧道顺利贯通，并很好地控制了路面沉降，具有一定借鉴意义。

参考文献

[1]马保松.顶管施工技术及验收规范[M].人民交通出版社.2007

[2]葛春辉.顶管工程设计与施工[M].中国建筑工业出版社.2012