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工程前沿23工程技术研究 第 8 卷 总第 140 期 2023 年 6 月摘要：在周边复杂环境下进行矩形顶管施工，且上穿地铁线，施工难度较大，对顶管设备选型、顶进速度、土压力、测量及纠偏、各项技术参数控制、监测等要求较高，一旦控制不好，将对地铁运营及安全造成重大影响。文章结合实际案例，探讨了复杂环境下大截面矩形顶管穿越既有地铁施工技术，首先介绍了工程概况、工程地质条件和场地环境，然后分析了该工程的两个施工难点及应对措施，最后从机械设备选型、主要参数控制和监测控制三个方面分析了主要技术指标控制，以供参考。关键词：大截面；矩形顶管；穿越地铁Abstract:The rectangular pipe jacking construction is difficult when it is carried out in the complex surrounding environment and crosses the subway line.The requirements for pipe jacking equipment selection,jacking speed,earth pressure,measurement and correction,control of various technical parameters,and monitoring are high.Once the control is not good,it will have a significant impact on subway operation and safety.Combined with practical cases,this paper discusses the large-section rectangular pipe jacking construction technology crossing existing subways in complex environment.Firstly,it introduces the engineering overview,engineering geological conditions and site environment.Then,it analyzes two construction difficulties and countermeasures in the engineering.Finally,it analyzes the main technical index control from three aspects:mechanical equipment selection,main parameter 复杂环境下大截面矩形顶管穿越既有地铁施工技术研究张 玲，方 翔，闫 朝，刘 洋武汉城市发展集团有限公司，湖北 武汉 430023Research on Large-section Rectangular Pipe Jacking Construction Technology Crossing Existing Subways in Complex EnvironmentZHANG Ling,FANG Xiang,YAN Zhao,LIU YangWuhan Urban Development Group Co.,Ltd.,Wuhan 430023,Hubei,China008.DOI:10.19537/ki.2096-2789.2023.12.1 工程概况黄孝河综合管廊是武汉主城区重点建设的轴线之一，起于青年路，止于汉黄路，全长约 11.3 km。此次实施范围为中一路至和谐大道部分，全长约 4.674 km，沿黄孝河明渠西岸建设，包括综合管廊工程与低位箱涵工程两部分。其中工程穿越轨道交通 3 号线段采用土压平衡矩形顶管顶进法施工，顶管全长 138 m，综合管廊和低位箱涵为左右并行顶管，间距 1.5 m。综合管廊段的矩形管节断面外净空为 8.30 m5.25 m，内净空为 7.10 m4.05 m，壁厚 0.6 m，单节管节长 1.5 m。低位箱涵段的矩形管节断面外净空为 4.9 m3.9 m，内净空为 4 m3 m，壁厚 0.45 m，单节管节长 1.5 m。地铁3 号线矩形顶管段平面示意图如图 1（见下页）所示，管节平面图如图 2（见下页）所示。2 工程地质条件该场地属于河流冲积平原，为二级阶地上的湖泊堆积平原。场地地形总体起伏不大，地面标高一般为17.5 21.5 m。工程区表层多为杂填土覆盖，下部主要由第四系冲、洪积物组成。场地范围内地表水主要分布在黄孝河中，接受大气降水、地表径流及人工补作者简介：张玲，女，本科，高级工程师，研究方向为工程管理。control and monitoring control,for reference.Key Words:large-section;rectangular pipe jacking;crossing the subway分类号：TU990.324 工程前沿 2023 年 第 12 期 总第 140 期 工程技术研究桥工业园与牧畜岭交会处，沿黄孝河建设，距离黄孝河约 13 m。顶管通道从红桥工业园侧始发，下穿建设大道后，与地铁 3 号线垂直相交，上穿地铁 3 号线，顶管管节距离地铁区间最小净间距约 4 m，同时下穿牧畜岭待拆迁的 1#、2#、3#楼后至牧畜岭侧接收井。4 施工难点及应对措施4.1 难点一：顶管截面尺寸大地铁 3 号线顶管段管廊截面尺寸为 8.30 m5.25 m，高 5.25 m，刀盘上下面的高差较大，增加了施工中顶管的操控风险，为此采取以下措施：（1）顶速、土压力控制。调低顶进速度，并保持连续顶进，严格控制机头前迎面土压力，过程中根据实际正面土压、机头姿态调整顶进速度、纠偏角度及出土量。（2）测量控制。增加测量频率，并在机头内增加倾斜仪器，随时观察机头姿态情况，顶进时根据机头姿态采取纠偏顶进方式。（3）机头稳定性控制。在机头与前 4 节管道间设置纵向拉结措施，提高前 10 m 左右范围内管道的整体性。（4）应急控制。顶进时若机头姿态发生突变，立即停止顶进施工，根据机头偏差方向进行打土纠偏，提高偏斜方向土体压力，控制机头姿态。4.2 难点二：顶管上穿地铁 3 号线顶管段上穿运营的地铁 3 号线，垂直相交，净间距约 4 m。顶管施工过程中不可避免地会造成土体的移动，即沉降或隆起，对周围的构筑物、道路、管线等环境造成一定的影响，如控制措施不到位，将对人们的生命、财产安全带来不可估量的损失。采取科学的技术措施，降低施工对环境的影响，确保地铁 3 号线的安全是该项目施工的重点和难点。为此采取以下措施：（1）全自动测量系统。顶管机姿态采用“两段两姿态、五位一体”的全自动测量方法，实时反映轴线图 1 地铁 3 号线矩形顶管段平面示意图图 2 矩形顶管管节示意图（单位：mm）地层编号地层名称天然重度/（kNm-3）地基土容许承载力/kPa钻孔桩的侧阻力特征值/kPa摩阻力/kPa内摩擦角/（）岩土体与锚固体极限黏结强度标准值/kPa含水层的透水性静止侧压力系数3-2黏土18.633201040微透水0.606-1黏土19.733040351555微透水0.456-1a粉质黏土19.720036301450微透水0.50表 1 地层岩土力学参数表壁厚 8 mm壁厚 8 mm壁厚 8 mm壁厚 8 mm壁厚 8 mm壁厚 8 mm2 0004 6002 0001 6601 6601 660375 2251501501506006004004001 6265 2501 625150150150150200200200200150150150R1501 6601 6608 3002 2003001 6601 6601 6601 6601 660200200150150150150150150225375预埋 120 钢管预埋 120 钢管预埋 120 钢管预埋 120 钢管预埋 120 钢管螺栓孔预埋 120 钢管给，水位及水量受气候及人工影响明显，变化幅度可达 2.0 3.0 m。勘察期间黄孝河水位为 16.5 17.5 m，水深 2.0 3.0 m。地下水工程场地浅部地下水属潜水类型，常年平均地下水位埋深 0.5 0.7 m。场地地下水主要为上层滞水、孔隙承压水及基岩裂隙水。地铁3 号线综合管廊顶管段顶覆土 5.0 6.0 m，低位箱涵顶管段顶覆土 6.0 7.0 m，主要穿越地层为 3-2 黏土、6-1 黏土、6-1a 粉质黏土。地层岩土力学参数如表 1所示。3 场地环境地铁 3 号线顶管段场地环境较复杂。项目位于红 工程前沿25工程技术研究 第 8 卷 总第 140 期 2023 年 6 月偏差。在顶管机头安装 5 个电控棱镜装置，通过自动全站仪将测量数据实时传输到监控中心，做到顶管姿态数据化、偏离分析实时化、纠偏措施科学化，通过对顶管姿态的实时监测减少对地铁的影响。（2）矩形顶管组合式动态纠偏技术。现场采取以下纠偏技术：旋转偏差纠偏；刀盘正反转纠偏、平面偏差纠偏；油缸纠偏、顶管顶进整体趋势偏差纠偏；主顶油缸调节纠偏、机头管节局部纠偏；顶管平衡泥纠偏、组合式纠偏。根据具体情况采取上述措施组合纠偏。（3）顶进参数控制。根据理论分析及大量项目施工经验，确定合理的顶管顶进参数1。顶进过程中，实时观测顶管顶力、顶速、土压力、轴线偏差、沉降监测等参数2。（4）固结浆液注入控制。当完成管道顶进施工后，要保证周围土体状况及管道的稳定性，利用惰性浆液替换顶进过程中的触变泥浆，采用纯水泥浆置换，同时严格控制换浆压力3。（5）土体改良措施。土压平衡顶管机为尽可能实现全断面的土体切削，采用多刀盘组合式顶管，多刀盘组合导致控制参数较多，多次扰动工作面土体，较大断面单刀盘的顶管机维持工作面稳定性的难度更大，因此对土舱内土体的性质要求更高4。采用土体改良剂，通过刀盘面板上注水孔及土舱内注水孔进行注入，与原状土混合搅拌，可达到土体改良效果5。（6）顶管机改造措施。针对该项目上穿地铁线的具体情况，对顶管机设备增设防背土装置，主动防止设备壳体背土。（7）顶进管道拉结措施。通过管节预埋件用槽钢对顶进过程中管节进行拉结，管节在井下拼装完成后拧紧管节内置的连接螺栓，提高管节的整体性，防止管节自重过大造成管节或顶管机下沉，对地铁线造成扰动或影响。5 主要技术指标控制5.1 机械设备选型根据地质勘探报告，结合该段顶管穿越土质及穿越地铁线的情况，选用土压平衡矩形顶管掘进机。土压平衡矩形顶管机采用多刀盘设计，刀盘错层布置，增加了刀盘切削面积和搅拌率，减小了盲区，通过刀盘切削土体和两台出土螺旋出土机出土控制土压力平衡，实现顶管机的掘进。多刀盘土压平衡式矩形顶管机如图 3 所示。图 3 多刀盘土压平衡式矩形顶管机5.2 主要参数控制5.2.1 总顶力估算顶力由推进机前端的迎面阻力和管壁外周摩阻力决定，主顶力随顶进距离的增加而增大。在正常推进中，要注意主顶力的增大应是缓慢的，不允许有突变。总顶力计算公式如下：F=F1+F2（1）式中：F 为总顶力，kN；F1为管道与土层的摩阻力，kN；F2为顶管机的迎面阻力，kN。F1=(a+b)2L f（2）式中：a 为管道外径；b 为管道壁厚；L 为管道顶进长度；f 为管道外壁与土的平均摩阻力，采取注浆减阻措施，可取 2 7 kN/m2。根据实际施工经验，在注浆效果好，管外壁与土体之间形成有效浆套的情况下，摩阻系数 f 取值可以小于 1。F2=(a+b)0（3）式中：0为顶管机下部 1/3 处的静止土压力。0=k0z（4）式中：k0为土体的侧向系数，为土的容重（平均值），kN/m2；z 为顶管机 1/3 高度处的覆土深度。k0=1-sin（5）式中：为内摩擦角。该项目 3 号线 8.30 m5.25 m 规格顶管段的顶推力最大，因此以该顶段计算最大顶推力，各参数取值以使计算结果最大化为准。F1=(8.3+5.25)2138(2 7)=7 500 26 000 kN；F2=8.35.25(1-sin10 )19.7(6+3.5)=6 800 kN；F=(7 500 26 000)+6 800=14 300 32 800=1 430 3 300 t。综上，矩形顶管主顶系统配置 16 台 300 t 千斤顶，即 300160.8（安全系数）=3 840 t 3 300 t，可以满足顶管对顶推力的需求。26 工程前沿 2023 年 第 12 期 总第 140 期 工程技术研究5.2.2 土压力控制在顶管掘进机顶进过程中，要控制好土仓的土压力，既要大于主动土压力，又要小于被动土压力。该段顶管覆土变化较大，主动土压力、被动土压力变化范围较大，将控制土压力设置在静止土压力 P020 kPa范围内。顶进过程中，根据土层、覆土深度变化和地表沉降监测等情况随时调整土压力。通过机头前土压力表实时观测土压力数值，进行调整施工。土压力采用 Rankine 压力理论计算，如表 2 所示。P=K0rz+P1（6）式中：P 为顶管机的正面土压力，MPa；K0为土体的侧向系数；r 为顶管周围土体的有效半径；z 为覆土深度；P1为超载系数，取 20 kN/m2。表 2 土压力表5.2.3 推进速度控制为保持土仓压力的稳定，推进速度必须与螺旋输送机的转速相符合，确保触变减阻泥浆均匀填实管节与地层的空隙，起到润滑作用。根据施工的实际情况确定并调整推进速度，控制推进油缸的推力。初始阶段控制在 5 10 mm/min，正常施工阶段控制在10 20 mm/min。5.2.4 推进方向控制受地层不均一、隧道曲线和坡度变化及操作等因素的影响，土压平衡矩形顶管推进不可能完全按照设计的轴线前进，会产生一定的偏差。推进方向控制与调整采取以下方法：（1）推进自动导向系统和人工测量辅助进行土压平衡矩形顶管姿态监测。该系统配置了导向、自动定位、显示器等，能在土压平衡矩形顶管主控室动态显示土压平衡矩形顶管当前位置与隧道设计轴线的偏差及趋势，并按此调整控制土压平衡矩形顶管推进方向，使其始终保持在允许的偏差范围内。（2）操作土压平衡矩形顶管铰接油缸控制顶管推进方向。根据线路条件制订分段轴线拟合控制计划，结合隧道地层情况和导向系统反映的顶管姿态信息，通过操作顶管的铰接油缸控制推进方向，同时在顶管壁注浆，通过压力差变化调整方向。5.3 监测控制顶管段上穿地铁 3 号线，施工不当会对地铁产生不良影响，因此必须加强施工过程中的监控，同步跟踪观察上穿地铁线施工过程，把施工引起的一系列动态变化信息及时反馈到施工单位，采取相应措施，以免事故发生。为保证地铁线路的安全和正常运营，在施工期间，必须 24 h 监控地铁线路实施。为掌握基础施工期间地铁 3 号线受施工影响的变形情况，科学指导顶管施工，按照有关规范设置以下监测内容：（1）3 号线隧道结构变形、上浮和沉降监测，轨道上浮和沉降监测；（2）地下管线垂直位移、水平位移监测；（3）地表土体垂直位移监测；（4）基坑四周地表垂直位移监测。通过监测掌握岩土动态，及时掌握原有构筑物变化的参数，预防工程破坏事故和周边环境事故的发生。通过现场量测结果与预测值相比较，判别前一步施工工艺和施工参数是否符合预期要求，确定和优化下一步施工参数。同时对施工过程中可能出现的大变形量进行分析，复测异常数据，保证监测数据处于受控状态，随时根据监测情况提出处理方案。6 结束语文章针对大截面矩形顶管穿越既有地铁，制定相应的技术措施，包括“五位一体”全自动测量方法、组合式动态纠偏技术、固结浆液控制、土体改良、顶进管道拉结措施、各项技术参数控制、监测控制等，有效降低了施工风险，工程顺利实施，验证了各项措施的合理性和有效性，可为类似项目提供参考和借鉴。参考文献1 张海洋.矩形顶管施工技术在下穿既有雨水箱涵施工中的应用J.江苏建筑,2023(1):69-72.2 彭立敏,王哲,叶艺超,等.矩形顶管技术发展与研究现状J.隧道建设,2015,35(1):1-8.3 贺志刚.大型土压平衡矩形顶管施工技术研究J.珠江水运,2017(24):48-49.4 许有俊,梁玮真,刘忻梅,等.大断面矩形顶管隧道开挖面土体稳定性研究J.现代隧道技术,2017,54(5):70-77,85.5 毕成双.综合管廊上跨既有地铁隧道顶进技术研究J.施工技术,2019,48(17):89-92.顶段矩形管节规格/m顶进距离/m管顶覆土/m 土压力/MPa上穿地铁3 号线综合管廊段8.305.251384.3 5.50.74 0.89上穿地铁3 号线低位箱涵段4.93.91384.3 5.50.74 0.89