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矩形截面顶管工艺进出洞风险控制

宋炳锐

（南京同力路桥建设工程有限公司， 210046 ）

摘 要：矩形截面顶管进出洞工序是顶管工艺的关键环节。本文结合南京市西祠堂巷地下过街通道工程，叙述了矩形顶管进出洞环节可能遇到的问题以及所采取的相应施工技术措施，对顶管进出洞口支护形式、洞口土体加固、封门设置、坑外降水井布设、洞口间隙的密封等施工技术措施作了相应的介绍，较好的控制了矩形截面顶管进出洞风险。
关键词：矩形顶管；进出洞；风险控制

1 前言
矩形截面顶管进出洞是矩形顶管法施工地下通道的关键工序，该工序施工技术的应用将直接影响到建成后地下通道的轴线质量、进出洞口处环境保护和附近道路、建筑物安全以及工程施工的成败。依据以往地下过街通道工程施工经验，矩形顶管的进出洞施工技术必须根据工程所处地层的土质、水文、环境条件和环境保护要求的等级而制定。如何科学、合理地运用各种不同的进出洞技术，使其符合各工程的特定工况条件要求，将矩形截面顶管进出洞风险降至最低点，是一项值得研究、探讨的课题。
2 工程概述
南京市西祠堂巷地下过街通道工程位于中山东路西祠堂巷巷口与全民健身中心门口，是南京第一条采用矩形截面顶管法施工的地下过街通道工程。拟建场地为城市交通主干道，两侧建筑物和地下管网密集，不具备明挖施工条件。经多方论证综合比选，主通道采用矩形截面顶管法施工。主通道长约42.3m，覆土厚度约为5m，3‰坡度推进，通道横断面净空尺寸为3m×5m，采用4m×6m多刀盘土压平衡式矩形顶管机进行掘进施工。根据市政规划，地下通道下方约4.5m为地铁2号线盾构隧道（上、下行线），方向沿中山东路走向，与矩形顶管隧道垂直。主通道采用预制矩形钢筋砼管节，管节砼强度为C50，抗渗等级为S8，外形尺寸为6000mm×4000mm，管壁厚为500mm，长度为1.5m，单节重约337t。工程总计需要管节28节，包括27节标准节和1节特殊节。
根据地质勘察报告说明，工程范围内从上至下主要有①-1杂填土、②粉土夹薄层粉砂、③粉砂、④粉质粘土等。矩形顶管的进出洞工序主要在②粉土夹薄层粉砂及③粉砂层中进行，该土层饱和软塑，渗透性强，易变形同时排水易引起周围路面沉降。
3 矩形顶管工艺流程
采用矩形顶管法建造地下过街通道顶进程序一般是在建造好的工作井内（始发井）进行矩形顶管机的组装、调试、试运转，将其准确地安放在符合设计轴线的机架上，出洞，顶管机沿设计轴线向地层内顶进，当顶管机将要到达终点时，应准确测定矩形顶管机的位置，调整和控制其姿态，使顶管机能正确无误地进入（进洞）预先建造好的接收井内的基座上。顶进工艺流程具体如下(见图1)：

顶管工艺流程图

安装机架、后靠、主顶装置

设备调试

测量放样

顶管出洞

顶管顶进

吊放垫块或管节
置

顶进测量

顶管机进洞

顶管机分解、吊出接收井
置

浆液置换

拆除管内设备、嵌缝、清理、接头处理
置

顶管始发井内平面布置图 顶管始发井内剖面布置图
图 1
顶管机顶进洞圈至顶管机切口距工作井6m范围内为（进）出洞段。（进）出洞的施工步骤设备调试→顶管机头靠上支护桩封门→支护桩破除→顶管机切削加固土体→机头切口进入原状土。
4 顶管进出洞施工中易出现的问题
① 顶管机头“磕头”现象：矩形顶管机头设计总重量约130t，顶管机在机头自加固区进入原状土过程中，由于前后土体强度差异较大，在自重作用下易引起机头“磕头”，机头一旦“磕头”，在方向纠偏上难度极大，极易造成质量问题。
② 顶管机无法准确出洞：矩形顶管机在进洞过程中，未按照设计轴线顶进；或矩形顶管机姿态控制不符合要求，导致机头方向跑偏，使得顶进主通道偏离设计轴线，无法正常施工
③ 出洞时洞口处土体涌入井内：机头在出洞期间，洞口封门拆除后，洞内土体不能自立，洞圈的密封装置不能有效阻挡土体，土体随之进入井内，若土体塌方量过大，造成地面沉陷，严重影响洞口附近地下管线和地面建筑物的安全，同时造成井下无法施工。
④ 进洞时洞口处涌入泥水、砂水:因接收井洞门和管节间存在15cm的周边间隙，且接收井一侧无始发井的橡胶袜套结构（止水措施），顶管机头进洞时容易因“背土”引起水土流失，严重时会导致路面沉降、损害地下管线。
5 矩形顶管进出洞施工技术措施
① 工作井围护结构的选择：西祠堂巷地下过街通道工程工作井围护结构为Φ850SMW工法桩，混凝土挡墙内预埋钢洞圈，SMW工法桩即为工作井的洞圈封门（接收井封门除SMW工法桩围护结构外，在接收井洞门内还预先浇筑20cm厚的钢筋混凝土挡墙），矩形顶管的出洞过程即为搅拌桩内拔除H型钢和顶管机头经过出洞段加固区并进入原状土体的过程。采用SMW工法桩作为矩形顶管工作井的围护结构，既能有效的阻止地下水的涌入工作井内，又能方便快捷的拔出H型钢，减少机头进出洞过程的时间，有效的降低进出洞阶段的风险。在施工场地和水文地质条件允许的情况下，SMW工法桩应为矩形顶管工艺工作井围护结构的第一选择。
② 对进出洞口区域进行土体加固：矩形顶管工艺进出洞口区域的土体加固可以采用深层搅拌、压密注浆、化学注浆等方法，目的是将洞口处一定范围内土体预先固结，达到进出洞时所需的强度，能使洞口封门拆除后洞口处暴露的土体自立。但地基加固后的土体强度均匀性差，特别是在软土地层中尤为突出，所以必须加强检测，使加固土体的强度、均匀性及其加固范围等均达到加固设计的标准。在加固设计时应考虑到加固土体的强度与矩形顶管机机头切削刀盘的刚度及出渣输送的匹配。
本工程进出洞口加固区采用高压旋喷桩加固，出洞为围护外3.5m，进洞为围护外1.2m，深度均为顶管顶以上3m至顶管底以下4m，设计强度要求qu>1.0MPa，经现场取芯水泥土强度达到5MPa，针对高强度的水泥土，在机头刀盘做了加强处理，从而了保证矩形顶管机在水泥加固土体中正常顶进，同时也提高了洞口区域土体的稳定性，保证其在一定时间和范围内能够达到自立的效果，降低了进出洞时洞外土体塌入井内的风险
③ 出洞口采用双层袜套止水密封圈：出洞洞门密封圈的安装是矩形顶管出洞施工重要措施之一。由于洞圈与管节间存在着10cm的施工空隙，在顶管出洞及正常顶进过程中极易出现外部泥水、砂水涌入始发井内的严重质量安全事故。为此，施工前在洞圈上安装帘布橡胶板密封洞圈，即外袜套，橡胶板采用12mm厚钢压板作衬托，压板的螺栓孔采用腰子孔形式，以利于顶进过程中可随管节位置的变动而随时调节，保证帘布橡胶板的密封性能。针对西祠堂巷工程地下水位高，渗透系数强的特点，在钢洞圈内又设置一层橡胶板密封圈，即内袜套。采用“双保险”的方式有效的阻止出洞口周圈涌入泥水、砂水，降低出洞过程中的风险(见图2)。
内袜套
外袜套

图2 双袜套技术措施在西祠堂巷地下过街通道的设置
④ 进洞口设置钢筋混凝土临时封面：为了减少接收井附近上方路面塌方的风险，节约清理时间，做到安全、迅速进洞。同时使机头靠上封墙时已搁置在洞圈上，避免了等待凿除封墙时间内机头有可能的下沉。西祠堂巷地下过街通道工程在进洞口紧贴围护处设置临时封面，具体做法是在进洞钢洞圈内紧贴围护放置400mm后泡沫板，形状（包括圆角尺寸）按照洞圈预制，宽度与洞圈同宽，高度范围内下部200mm铺设黄沙垫层，洞圈靠近井内的200mm浇筑钢筋挡墙挡墙（见图3），可以有效的降低进洞过程中的安全风险。

图3 进洞口临时封面示意图

⑤ 进洞口坑外增设降水井：坑外降水可有效地疏干砂性土中的地下水，提高该土层的密实度，但不能大幅度提高土体的强度。如洞口敞开面积大、埋深大、敞开时间长，仍会有土体失稳坍塌的问题存在，此时降水仅能作为辅助措施：由于降水效果还受到降水深度、土质条件、周围环境条件等的限制，所以只能在许可条件下使用。本工程地下水初见水位埋深1.2～1.35m，稳定水位埋深1.15～1.30m，水位标高8.97～9.17m；勘察期间最高地下水位标高为7.86m，即地面以下2.5m。经过多方专家科学论证，在接收井围护外侧设置6口Φ300钢管降水井，与主通道呈扇形分布，井管内径Φ273，深度21m，降水深度控制在11m左右（见图4）。待顶管机头靠上接收井封门前2天开始降水，一直到顶管机进洞并吊出、完成洞门封堵后关闭，即进洞的整个过程保持降水井开启。降水过程中同时加强对周边道路地面沉降和地下管线的垂直位移监测。
由于降水时间短，降水井布设科学，降水深度控制合理，有效降低了进洞过程中地下水夹土夹砂涌入井内的风险，未对周围路面、地下管线、建筑物、构筑物、地铁隧道造成不良影响。

图4 进洞口坑外降水井布设平面图
⑥ 顶管施工中的轴线控制和防止“磕头”措施：根据西祠堂巷地下过街通道工程经验，矩形顶管定位的准确程度主要取决于矩形顶管基座的安装和调节，故在安装矩形顶管机机头时，必须保证其位置与设计轴线方向一致。顶管在正常顶进施工中，必须密切注意顶进轴线的控制。在每节管节顶进结束后，必须进行机头的姿态测量，并做到随偏随纠，且纠偏量不宜过大，以免土体出现较大扰动及管节间出现张角。由于是矩形顶管，因此对管道的横向水平要求较高，所以在顶进过程中对机头的转角要密切注意，机头一旦出现微小转角，应立即采取刀盘反转、加压铁等措施回纠。顶进轴线偏差控制要求：高程：±100mm；水平：±100mm。通过上述控制有效杜绝进出洞过程中的轴线偏差风险。
机头自加固区进入原状土过程中，由于前后土体强度差异较大，在自重作用下易引起机头的“磕头”，本工程针对性的设置了拉杆螺丝，拉紧机头和前三节管节，同时适当提高顶进速度，防止机头磕头，保持良好姿态。
6 矩形顶管进出洞过程的安全控制
① 在进出洞作业前，施工单位应对进出洞施工影响范围内的雨污水管进行探测。根据探测情况形成书面报告，内容有：平面关系图、纵断面关系图、雨污水管病害探测情况（渗水、漏水、裂缝、错位等）、修理建议等。
② 根据探测情况报告，并结合工程所处的水文地质及周边工况等条件，施工单位必须编制矩形顶管进出洞专项方案并经专家审定通过，以保证进出洞安全。
③ 在城市重要干线和敏感地段（包括施工影响范围内有重要建(构)筑物、重要管线或管道和密集住宅小区等）盾构进出洞作业，设置深层监测点，加强对路面沉降的监测；在施工影响范围内有大口径管线的，应对管线布设直接监测点。
④ 顶管进出洞作业前，请建设单位组织召开进出洞作业涉及的各类地下管线单位会议。确定工程出险后地下管线单位的抢险配合工作，并形成会议纪要，并报工程质量安全监督站备案。
⑤ 施工单位编制的矩形顶管进出洞专项方案应包括应急预案，应急预案应明确工程一旦出险后的施救技术路线，确保相关抢险设备和专业抢险队伍能及时赶到现场救援。并按照应急预案要求储备应急物资。
7 结束语
西祠堂巷地下过街通道矩形截面顶管工艺进出洞的风险控制成功在于采用科学、合理的施工技术措施。作为工程技术人员应针对工程的实际情况，认真的分析工程所在地的水文地质条件，结合矩形顶管工艺特点，制定出切实可行的矩形顶管施工专项方案，指导施工中的风险控制和风险管理工作。进出洞的风险控制只是整个矩形顶管工艺的技术措施一个环节，将所有的关键环节风险控制到位，就能顺利完成一项矩形顶管地下过街通道的建设任务。

收稿日期：2009-04-10；
作者简介：宋炳锐（1984- ）,大学本科，助理工程师，国家注册建造师、国家注册安全工程师，
现主要从事市政工程施工管理工作。