矩形顶管隧道设计

1、大断面矩形顶管工程设计汇报人：张俊岱中铁隧道勘测设计院有限公司第四设计分院2013年07月28日 一、工程背景 二、顶管法简介 三、郑州市大断面矩形顶管设计 四、一些体会主要内容一、 工程背景工程概况1.1工程地理位置示意图CBD会展中心大河路 中州大道是郑州市中心城区快速路，是连接城市南北出入口的一条重要快速通道。道路红线为100m，快车道为全封闭式双向10车道，两侧为辅道。 为缓解郑州东西向的交通压力，增加新老城区连接通道，根据政府规划，在红专路、纬四路和商鼎路新建三条下穿中州大道隧道。工程概况1.1敞口段长195m暗埋段长83m顶管段长105m暗埋段长107m敞口段长190m 本工程设计

2、起点姚寨路口，下穿中州大道后，接龙湖外环路，设计全长801.263m。道路规划红线53m。在中州大道交叉口敞口段两侧地面设地面辅道，辅道宽度为7.5m（机非混行车道）+3m（人行道）； 下穿中州大道段采用顶管法施工，顶管段长105m，在中州大道东侧设置顶管始发井，西侧设置顶管接收井。考虑行人过街及自行车推行过街，在中州大道两侧从工作井处引出4个出入口，采用梯道加坡道的布置方式。 工程概况1.1 隧道顶管段按照最小覆土4.0m控制，机动车道隧道引坡段最大纵坡为3.99%，非机动车道为3.0%。隧道顶管段为0.3%的纵坡。 隧道敞口段与地面道路接口处设置驼峰反坡，为保证进出隧道的车辆安全，机动车道

3、在隧道敞口段与地面道路平交口设置有一定的安全距离。工程概况1.1 隧道横断面按4孔布置，中间两孔为机动车道，设置为双向四车道；两侧孔为非机动车道（4m）+人行道（2m）。其中顶管段按四个断面平行布置，机动车道断面尺寸为10.1m7.25m，非机动车道断面尺寸为7.5m5.4m，各顶管断面间净间距均为1m。顶部覆土约为4m。38.2m4m7.5m1m1m1m7.5m10.1m10.1m工程概况1.1 根据地质勘查报告，本工程所处地貌单元为黄河冲积平原，地形起伏较小。勘探深度范围内地基土属第四系（Q）沉积地层地层分布较为规律，其纵横向展布较均匀，起伏变化不大，主要为人工填土、第四系全新统（Q4）粉

4、土、粉质粘土、粉砂及细砂等。 本场地勘察期间，地下水位埋深在地表下7.79.0m处，根据区域资料，场地地下水位年变幅为12m左右。 工程概况1.110浅埋暗挖法施工顶管法施工 本工程分别对明挖法、浅埋暗挖法、圆形盾构法和矩形顶管法四种工法进行了比选。 工程比选1.211 圆形盾构法采用圆形断面，空间利用率不高，需要采用大断面圆形断面，为保证覆土，设计高程较低，而下穿中州大道隧道距路口较近，不能满足隧道出入口坡度要求。 矩形顶管法与圆形盾构都采用土压平衡原理，对地层扰动较小。在同等条件下，矩形顶管可有效利用空间，减少断面，减少覆土厚度，减少引坡段长度。同时，矩形顶管配套设备小，能大幅减少工作井场

5、地。工程比选1.2 综合比较，在本工程中，采用顶管法具有较为明显的优势，可研评审后正式确定采用土压平衡式顶管法施工。类别盾构法浅埋暗挖法顶管法对环境的影响 对周围建筑物、管线 影响大，地面沉降小 对周围建筑物、管线影响大，地面沉降可控 对周围建筑物、管线影响小，地面沉降小施工风险风险小，可控风险较高风险小，可控断面利用率圆形断面，空间利用率低。马蹄形断面，空间利用率低。矩形断面，空间利用率高。占用场地占用场地多占用场地少占用场地较少自动化程度自动化程度高人工开挖自动化程度高施工进度施工速度快速度较慢施工速度快造价高较低较高比选结果不推荐不推荐推荐工程比选1.2二、顶管法简介 1、按顶管断面形式

6、分类：圆形顶管，矩形顶管。 2、按顶管尺寸分类：大型顶管、中型顶管、小型顶管和微型顶管。 3、按顶进距离分类：短距离顶管、长距离顶管、超长距离顶管。 4、按管节材料分类：钢管顶管、混凝土顶管、玻璃钢顶管、铸铁顶管、复合材料顶管等。 5、按顶管设计轴线分：直线顶管和曲线顶管。 6、按埋置深度分：深埋式、中埋式、浅埋式、超浅埋式。 7、按施工作业形式分：手掘式、挤压式、半机械式管、机械式。 8、按掘进机的形式分：泥水式、泥浆式、土压式和岩石式。 8、按顶管机刀盘数量分：单刀盘式、多刀盘式。 9、按刀盘掘进方式分：旋转刀盘式，摆动刀盘式、混合刀盘式。 顶管分类2.1近些年矩形顶管的应用2.2序号外包

7、尺寸（净空尺寸）单位/m年份用途研发单位12.52.5（22）1995年试验上海隧道工程股份公司23.83.81999年地铁出入口通道上海隧道工程股份公司346（35）2003年地下通道上海隧道工程股份公司44.366.242006年地铁出入口通道上海市机械施工有限公司与日本小松公司合作54.26.9（3.36）2008年地铁出入口通道上海市机械施工有限公司64.96.9（46）2011年地铁出入口通道中国中铁二局集团近些年矩形顶管的应用2.2 近年来，我院也设计了多条大型顶管通道。主要有武汉地铁二号线王家墩东站（原青年路站）IV号出入口（4m6m）、广州地铁文化公园站的号口和号出入口（4.3

8、m6m）、广州地铁六号线海珠广场站号出入口（4.3m6m）以及佛山星汇云锦项目的C地块四条顶管通道（4.9m6.9m）。 目前，我院在郑州市红专路下穿中州大道隧道工程中设计的顶管最大断面为7.25m10.1m，是目前我国最大断面的矩形顶管工程。武汉地铁王家墩站IV号出入口佛山星汇云锦C地块商业通道 顶管法原理2.3 顶管法施工原理是先在工作井内设置支座和安装主千斤顶，管节紧跟在顶管机后，在主千斤顶推力的作用下，顶管机向土层内掘进，掘出的渣土由渣土泵或螺旋输送机排出或以泥浆的形式输出，推进一节管节后，主千斤顶缩回，吊入另一节管节，继续顶进。如此往复，直至顶管机到达接收井，管节全部铺设到位后，顶管

9、机从接收井拆除、吊至地面。 1）工作井施工 （1）土体加固 （2）围护结构施工（4）工作井结构施工 （3）工作井开挖顶管施工流程及主要技术2.4 2）顶进准备 （1）顶管机设计制造 （2）管节预制 （3）主顶装置及施工机械安装就位 （4）安装止水帘布、凿出洞门顶管施工流程及主要技术2.4 3）顶管始发及顶进 （1）顶进控制 （2）测量导向 （3）顶推施工 （4）管节吊装顶管施工流程及主要技术2.4 （6）出渣（7）地面沉降控制 3）顶管始发及顶进 （5）注减摩泥浆顶管施工流程及主要技术2.4 4）顶管接收（1）破除洞门，安装止水帘布 （2）顶管机出洞（3）顶管机吊出，顶进完成 （4）内部装修顶

10、管施工流程及主要技术2.4顶管与盾构的对比2.5顶管工法盾构工法顶管与盾构的对比2.5类 别顶管法盾构法应用隧道长度一般较短长主顶进装置布置在工作井内盾构机上管节（片）是否拼装一般整环预制，不需要拼装在盾构机尾部拼装成环是否需要拼装机不需要需要管节（片）是否移动管节随顶管机移动管片拼装完成后不随盾构机移动主顶力大小需要承担所有管节摩阻力，较大只需承担盾构机掘进力，较小反力提供始终由后靠背提供所有的顶进反力开始时，提供所需的施工反力，顶进一定长度后，反力全部由管片摩擦力提供。工作井、施工场地较小较大管节实用性可以顶进圆形、矩形、椭圆形等异形管节需考虑结构是否能够满足拼装要求曲线施工矩形顶管难以曲

11、线施工可以曲线施工三、郑州市大断面矩形顶管方案设计顶管机的选型与设计3.11）顶管机刀盘选型 目国内外矩形顶管开挖形式主要有两种，一种是多刀盘旋转开挖，另一种是异形刀盘摆动开挖。 多刀盘旋转开挖切削扭矩大、搅拌扭矩低，对周围土体扰动小，同时盾体跳动小，有利于顶管姿态控制及地表沉降控制，设备本身制造加工简单，设备后期的运行可靠性高；但存在的缺点是开挖面存在一定的开挖盲区，因此不适合较硬地层掘进，若在较硬地层掘进需要增加辅助措施对盲区进行预处理。 摆动式刀盘开挖，每把刀切削轨迹小，切削扭矩小、搅拌扭矩大，开挖无盲区，可实现全断面开挖；缺点是对周围土体扰动大，不利于顶管姿态控制及地表沉降控制，设备本

12、身加工制造复杂，运行可靠性差。 根据本工程顶管断面大、覆土浅、地质条件差的特点，本工程选择多刀盘旋转式顶管机施工。 2）顶管机结构 顶管机结构主要有刀盘、盾体、主驱动、纠偏系统、电力系统、出渣系统及导向系统、控制系统、渣土改良系统等。顶管机的选型与设计3.13）顶管机断面尺寸 顶管机结构断面尺寸是结合管节结构设计尺寸拟定的，机动车道顶管机结构断面尺寸为：10120mm7270mm；非机动车道顶管机结构断面尺寸拟定为：7520mm5420mm。大、小矩形顶管机各配置了6个辐条式刀盘，采用3前3后平行轴式布置,相邻刀盘的切削区域相互交叉，开挖覆盖率能达到93%95%，考虑要通过加固区，在前盾切口环

13、全圆布置切刀，对盲区进行辅助切削，另在土仓隔板上预留高压水接口及连接风钻的万向接口，进行人工处理，使开挖率可以近似为100%。顶管机总长度为6.5m，其中机头（含刀盘）0.5m，机身4.0m，机尾钢环2.0m。7520 mm5420 mm顶管机的选型与设计3.14）顶管机针对性设计 （1） 顶管机盾体强度设计 本工程顶管为大断面矩形顶管，顶板与底板面积大，横向跨度大，造成承受泥浆及上部土体压力加大，因此壳体容易出现变形，壳体变形直接影响泥浆套的形成，顶推力急剧加大。本盾构机根据郑州地区的最不利工况进行三维计算，设计高强的的顶管机盾体，以满足施工要求。顶管机的选型与设计3.1 （2）纠偏设计顶管

14、机设计提供性能优良的泡沫和膨润土的复合渣土改良系统，泡沫采用单管单泵设计，确保土仓渣土流动性。矩形盾构顶管设计有纠偏油缸，可用于水平、垂直纠偏，纠偏角度水平1.4，垂直2.1。鉴于超大矩形断面内土仓压力不均匀性大及对偏转影响大，施工中需要特别强化碴土改良的效果，以保证土仓压力的不均匀性降到最低。 顶管机的选型与设计3.1螺旋机转速可无级调速，控制土仓左、右压力实现水平辅助调向。在前盾周圈预留有压浆口，通过注入泥浆方式进行纠偏。盾壳上设计有水平倾角传感器，实时监测滚转姿态，并设有预报警系统。6刀盘每个刀盘的旋转速度及方向都可调，从而实现盾体滚转纠偏。顶管机的选型与设计3.1 （3）小间距平行顶进

15、设计 下穿中州大道由两大两小隧道组成，隧道间距只有1m，当完成第一个隧道完成后，相邻隧道施工时会造成两侧土压力不等，就会造成顶管机姿态控制困难。主要设计内容：采用6刀盘旋转切削设计； 采用圆刀盘旋转切削相对摆动刀盘，对周围土体扰动小，有利于控制小间距顶进的姿态及沉降控制。 盾壳侧面预留压降孔； 顶进过程中出现，两侧压力不同造成顶进偏移，采用注浆方式平衡压力差及纠偏。顶管机的选型与设计3.1管节断面拟定3.2 根据本隧道规划，顶管管节均按矩形顶管设计，一般矩形顶管断面为顶底板及侧墙均为直线段，四个角点处设置圆倒角。 本工程机动车道顶管采用顶板采用起微拱设计。断面较大，宽度达10.1m，若采用平顶

16、设计，结构厚度需70cm，重量较重,重约78t，不利于施工的运输与吊装。而且管节横向跨度较大，不利于顶板受力。管节顶板起微拱后，结构厚度可以减小为60cm，重量减小为65t，不仅节省了材料，同时减小了结构的重量，方便了施工时的吊装与拼接。同时结合机械设计，减小了断面切削盲区，利于顶管机的掘进。管节方案设计3.2 目前，顶管管节一般为整环设计，由于本工程机动车道顶管断面加大，为解决管节吊装和运输问题，顶管结构曾考虑分节，顶推前拼装设计。 由于顶管断面横向跨度较大，经过结构计算，管片环向拼接处剪力很大，需较多的螺栓连接，管壁预留较多的螺栓孔，会削弱顶管断面刚度。同时，管节拼装会增加较多的环向接缝，

17、增加隧道漏水风险和防水材料的造价，而且增加管节的拼装时间，影响施工工期。 经过综合考虑，本次设计不考虑管节分块拼装设计，采用顶板起拱整体式管节设计。顶管管节布置3.3 隧道横断面按4孔布置，中间两孔为机动车道，设置为双向四车道；两侧孔为非机动车道（4m）+人行道（2m）。顶管段也按四个断面平行布置，机动车道断面尺寸为10.1m7.25m；非机动车道断面尺寸为7.5m5.4m.顶部覆土约为4m。为保证顶管施工时洞门止水帘布的安装空间，减小顶管顶推施工时的相互影响，各顶管断面间净间距为1m。38.2m4m7.5m1m1m1m7.5m10.1m10.1m管节注浆管和吊装孔布置3.4吊装孔注浆孔减摩注

18、浆管注浆孔减摩注浆管吊装孔机动车道A型顶管管节设计机动车道B型顶管管节设计注浆孔减摩注浆管减摩注浆管吊装孔吊装孔非机动车道A型顶管管节设计非机动车道B型顶管管节设计注浆孔顶管接头设计3.5 为了满足接缝防水要求，管节外侧接头采用“F”型承插式接头形式。为满足接口处的刚度，承插口钢套环采用厚18mm的钢板，与承口混凝土结构密贴。在顶管顶进施工时，为避免顶管接头混凝土刚形体接触不均匀受力破坏，在接缝处填充多层胶合板作为传力衬垫。为防止管壁内侧接缝处棱角吊装过程中破损，在棱角处进行倒角处理。为减小顶管顶进时的摩阻力，插口端设置减摩注浆管，为防止渣土掉入减摩注浆管，造成堵管，在减摩注浆管顶端设置单向阀。顶管接头设计3.5土体加固设计3.6 为保证顶管顶推时，后靠背能够提供足够的反力，防止顶推施工时后靠背产生过大变形而导致结构破坏，影响施工，对工作井顶推施工工况进行了三维模拟计算。 计算采用三维有限元MIDAS-gts软