5.5超大断面矩形顶管施工技术

第五章顶管施工技术大连理工大学建设工程学部宋永发课程内容contents顶管技术的基本原理及组成国内外顶管技术的发展5.15.2顶管施工的分类及特点5.3超大断面矩形顶管施工技术顶管工程关键技术分析5.45.55.5超大断面矩形顶管施工技术5.5超大断面矩形顶管施工技术顶管技术由于断面利用率大、覆土浅、施工成本低等优点，近年来被广泛地用于城市交通人行地道、地下共同沟、轨道交通区间隧道施工。目前，小断面（3m×5m左右）矩形顶管隧道，主要应用于共同沟、电力隧道、水利隧道以及小型地下通道、地铁车站出入口等建设，技术水平已经相当成熟；但大断面（5m×9m左右）矩形顶管隧道在国内应用较少，尤其是超大断面（7.5m×10.4m）的矩形顶管隧道，因存在顶管顶进施工技术、地面沉降控制、管节制作运输等诸多困难，实际应用更是寥寥无几。概述5.5.1工程概况新建裕民南路下穿G1501地道工程，目的是为了打通该南北断头路，使其承接起连接新城区和旧城区的功能。穿越G1501高速公路采用矩形顶管，其中车行通道断面尺寸为10.4m×7.50m，壁厚700mm，管节长1.5m。顶管覆土层厚度5.19m-6.85m。顶管距离60m。顶管穿越砂质粉土、淤泥质黏土和粉质黏土土层。工程概述5.5.1工程概况始发井出洞加固范围纵向为8m，深度17m，宽度为34.5m，端头加固采用Φ850@600三轴搅拌桩Φ800@600双重管高压旋喷桩加固。接收井进洞加固范围纵向5m，深度17m，宽度33.2m，由于接收井位置离G1501上海绕城高速较近，加固空间有限，因此接收井进洞口加固采用MJS工法满堂加固。工程概述5.5.1工程概况顶管机外形尺寸为10420mm×7520mm×5700mm；采用6只大小刀盘组合，3只前置（D4160mm），3只后置（D3350mm）；纠偏油缸（30台）单只油缸最大推力200t、公称压力31.5MPa；脱管油缸（4只）单只油缸最大推力200t、公称压力31.5MPa；配备2台螺旋出土机，直径D670mm、功率2×37kW、最大排土量120m³/h，如图所示。工程概述5.5.2本工程关键技术本工程采用五位一体矩形顶管自动导向系统和人工复核两种方法进行姿态测量，导向系统在顶进过程中实时更新顶管姿态精确指导顶进，而人工复核是用传统的前后标的方式测得顶管姿态对自动导线系统进行检核，定期地对顶管姿态进行人工复核，能确保自动导线系统姿态的准确性，如图所示。（1）全自动测量技术5.5.2本工程关键技术在小型的顶管项目中，一般采用人工测数据反馈，人工启闭注浆阀门进行外部的注浆控制，这样的做法在施工时效和控制精度上都不高。在本工程的施工过程中，超大截面给人工注浆操作带来一定的难度，传统的施工工艺流程已经不能满足现场工况需要。采用全自动注浆系统，由PLC程序控制柜发出指令，使注浆电动阀门启闭，切换到下一孔注浆，如此循环实现自动压浆。通过监测数据测算出管节的注浆量来控制压浆时间，由管节上的压力表控制压浆的压力，来实现压浆的保压。（2）全自动注浆技术5.5.2本工程关键技术本工程顶管施工穿越G1501高速，共布置121个沉降监测点，考虑到数据采集的频率及安全性，数据采集使用全自动测量监控系统，每4h测量一次。监测点布置分为试验段和正常段监测点，除试验段监测点在高速范围外，其余监测点都在高速范围内。（3）全自动沉降监测技术5.5.3其他施工关键技术超大断面矩形顶管的大小刀盘有着不同的切削方式，同时由于断面大且土仓底部螺旋机进土口处呈平底状，因此对于渣土的流动性要求极高，必须对土体改良进行针对性研究。主要研究内容包括：改良添加剂比选与配比研究；砂性土地层土体改良参数、改良施工工艺研究及效果分析。（1）超大矩形开挖面渣土改良技术5.5.3其他施工关键技术减摩护壁泥浆是影响顶管顶力、提高长距离顶进效率，以及控制背土和地面沉降的重要技术。基于超大断面矩形顶管的特性，在顶管的顶部和底部会存在大面积的减摩护壁泥浆，减摩护壁泥浆的质量优劣更是关系到顶管顶进成功与否的关键，因此必须对减摩护壁泥浆技术进行针对性研究。主要研究内容包括：减摩护壁泥浆材料的比选研究；减摩护壁泥浆配比及性能指标研究；减摩护壁泥浆形成、影响和模拟试验研究；减摩护壁泥浆全断面自动注浆及控制工艺研究。（2）减摩护壁泥浆技术5.5.3其他施工关键技术超大断面矩形顶管进出洞风险不亚于超大直径盾构进出洞。另外，由于矩形的特殊形式，角部位置在进出洞期间更是渗漏高风险部位。因此，必须研究新型的进出洞密封装置用以控制大断面矩形顶管始发、推进直至接收过程中土水渗漏的风险。主要研究内容包括：风险控制装置结构形式设计研究；风险控制装置安装及施工工艺研究。（3）超大断面矩形顶管进出洞风险控制装置研究5.5.3其他施工关键技术超大断面矩形顶管在砂性土地层中将面临中继间设置、姿态纠偏问题。中继间的设置位置和数量将影响长距离顶管顶进的效率和经济性，设置不当甚至将产生顶力不足无法顶进的后果；超大断面矩形顶管的纠偏难度大，如形成不利导向将影响成型隧道的质量。主要研究内容包括：砂性土地层的中继间的设置优化研究；超大断面矩形顶管纠偏控制技术研究。（4）砂性土地层顶进控制技术5.5.3其他施工关键技术在顶管施工整体流程中，除了前期的管节制作和过程中关键的顶管施工控制技术，还需要后期辅助措施来保证顶管施工后隧道的整体稳定和地面沉降可控，其中重要的辅助技术就是适应砂性土地层的大断面矩形顶管置换泥浆技术。顶管施工过程中使用的减摩护壁泥浆为非固化浆液，待顶管完成后需进行置换处理，但超大断面矩形顶管的断面大、减摩护壁泥浆体量大，如何有效置换是保证隧道后期稳定以及地面后期沉降的关键。主要研究内容包括：新型防渗微膨胀置换泥浆配比研究；大断面矩形顶管置换泥浆施工工艺研究。（5）超大断面矩形顶管辅助技术5.5.4超大断面矩形顶管施工重难点及应对措施投入两套高精度钢模板，高温水蒸气养护设备。管节混凝土平直浇筑，组合钢模板经高精度大型机床加工而成，内外模外边线平面误差控制在2mm以内，且在1米长度内误差控制在0.5mm内，模具组装完成后，矩形框对角线误差控制在2.5mm内，以确保管节预制精度。（1）确保管节预制精度5.5.4超大断面矩形顶管施工重难点及应对措施确保顶管机在富水软弱地层中安全顺利掘进，降低漏水风险是本工程的重点。始发、接收井施工完成后，端口采用多重复合水泥系加固止水工艺，确保加固效果，同时设置四口降水井降水减压，从而降低始发、接收漏水风险；顶管掘进过程中，注入大量触变泥浆，始发洞门采用多重止水密封，增设洞门防突涌装置，确保洞门密封效果；矩形管节之间，纵向连接预埋钢套环，设外、中、内三道防水，同时，在顶管推进过程中采用大螺杆将相邻管节拉紧，保证管节接缝防水效果。（2）顶管施工防渗漏水风险控制5.5.4超大断面矩形顶管施工重难点及应对措施该顶管隧道推进距离长，结构断面大，顶管机推进过程中超宽矩形断面内渣土流动性差，土仓压力不均匀，易造成顶管机发生轴线偏转，如何控制是工程的难点。注入活性剂保证渣土改良效果，将土仓压力的不均匀性降到最低；严格螺旋机出土量控制，通过调整千斤顶顶力、铰接油缸伸长量等措施进行姿态纠偏；双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；采用盾圈及管节压浆技术，进行轴线纠偏。（3）顶管机轴线纠偏控制5.5.4超大断面矩形顶管施工重难点及应对措施长距离、超大断面顶管机掘进，减少对原状地层扰动，减小地面和管线变形，确保城道行车安全是工程的难点。