地鐵聯(lián)絡(luò)通道集約一體式頂管法施工技術(shù)研究

周海東

(無錫地鐵集團(tuán)有限公司，江蘇無錫 214000)

1 工程概況

無錫地鐵3號(hào)線某區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道頂管法工程項(xiàng)目位于無錫市新吳區(qū)，是全國(guó)范圍內(nèi)以集約一體式頂管法修建聯(lián)絡(luò)通道的首個(gè)示點(diǎn)工程。該聯(lián)絡(luò)通道位于新錫路站—高浪路東站段YDK35+091.500(ZDK35+091.500)處，聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)覆土19.19 m，線間距為14 m，開挖斷面處于⑥1黏土。其中聯(lián)絡(luò)通道處于長(zhǎng)江南路下方，正上方為行車道路隔離帶，西南方向?yàn)槊芗瘡S房，距離聯(lián)絡(luò)通道均大于25 m；西南方向4.05 m處存在一根DN300燃?xì)夤芫€，6.63 m處存在一根DN500雨水管線，9.16 m處存在一根國(guó)防光纜；東北方向7.02 m處存在一根DN500雨水管線等管線。

2 聯(lián)絡(luò)通道設(shè)計(jì)

2.1 頂管設(shè)備集約一體式設(shè)計(jì)

(1)弧面錐形刀盤設(shè)計(jì)。采用配有滾刀的弧面錐形刀盤來匹配凹凸曲面正線隧道的待切削面，錐形刀盤及內(nèi)凹型中心刀設(shè)計(jì)使頂管機(jī)對(duì)混凝土管片洞高適應(yīng)性，可高效率完成進(jìn)出洞工作。

(2)快速內(nèi)支撐體系。采用由液壓控制的一體化內(nèi)支撐臺(tái)車系統(tǒng)，通過伺服控制千斤頂，達(dá)到施工全過程保護(hù)微加固情況下的正線隧道管片結(jié)構(gòu)安全的目的[1]。

(3)后配套臺(tái)車。頂管法聯(lián)絡(luò)通道后配套臺(tái)車采用模塊化整機(jī)集成技術(shù)，配置主要有以下系統(tǒng)組成：掘進(jìn)、渣土輸送、泡沫、密封潤(rùn)滑、循環(huán)水、注漿、液壓、動(dòng)力供電、PLC控制及數(shù)據(jù)采集、導(dǎo)向等系統(tǒng)，各臺(tái)車配置如表1所示。

表 1 后配套臺(tái)車配置

2.2 聯(lián)絡(luò)通道管片、正線隧道特殊管片設(shè)計(jì)

(1)聯(lián)絡(luò)通道管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。綜合考慮聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)建筑限界和設(shè)備可切削性能和空間利用率，聯(lián)絡(luò)通道管片設(shè)計(jì)斷面采用圓形斷面。管節(jié)設(shè)計(jì)：外徑3 260 mm，厚度250 mm，環(huán)寬900 mm。進(jìn)出洞環(huán)采用鋼管片，其余采用混凝土管片，其中小塊管節(jié)對(duì)應(yīng)圓心角150 °，大塊管節(jié)對(duì)應(yīng)角度210 °。

(2)正線隧道特殊管節(jié)設(shè)計(jì)。正線隧道聯(lián)絡(luò)通道位置三環(huán)特殊環(huán)采用半通縫形式，管節(jié)設(shè)計(jì)采用環(huán)寬1.5 m(厚度350 mm、外徑6 200 mm)可切削的鋼-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)管片，特殊管節(jié)由預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)部分與鋼筋籠置入鋼模進(jìn)行混凝土澆筑而成，同時(shí)鋼混凝土分界面開孔增加隔腔內(nèi)混凝土填充密實(shí)度，在鋼板上植栓釘，加強(qiáng)與混凝土間固定，在管片成型后再進(jìn)行焊接封堵(圖1)。

圖1 正線隧道待切削管片結(jié)構(gòu)示意

2.3 T型接頭、防水體系的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)T型接頭設(shè)計(jì)。對(duì)擬合空間曲面的特殊管片和混凝土剛環(huán)梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在滿足地鐵隧道行車限界要求下模擬洞門接頭混凝土環(huán)梁結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期荷載下的強(qiáng)度、剛度變化以及疲勞性能，開展T型接頭在長(zhǎng)期荷載下鋼結(jié)構(gòu)焊縫強(qiáng)度及疲勞性能模擬計(jì)算。

(2)防水體系設(shè)計(jì)。采用36 mm×4 mm溝槽密封墊、19 mm×7 mm矩形遇水膨脹密封條，經(jīng)理論計(jì)算及室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證，其防水效果滿足防水設(shè)計(jì)要求。

2.4 頂管推進(jìn)受力計(jì)算

根據(jù)該聯(lián)絡(luò)通道覆土19.19 m、管片(外徑3.26 m、長(zhǎng)度0.9 m)的數(shù)據(jù)，結(jié)合安全因素分析，頂管推進(jìn)克服正面阻力以克服被動(dòng)土壓力計(jì)算(被動(dòng)土壓力大于主動(dòng)土壓力)，后靠正線隧道管片及土體穩(wěn)定按照被動(dòng)土壓力計(jì)算[2]。

3 頂管法聯(lián)絡(luò)通道施工

3.1 施工準(zhǔn)備

(1)正線隧道拼裝3環(huán)特殊管片。正線隧道聯(lián)絡(luò)通道位置拼裝3環(huán)特殊管片，管片不設(shè)楔形量，拼裝點(diǎn)位固定確保正線隧道在始發(fā)及接收位置的線型。為使頂管推進(jìn)姿態(tài)利于控制，左、右線聯(lián)絡(luò)通道洞門中心相對(duì)軸線位置偏差控制不大于10 cm，相對(duì)高程姿態(tài)在±30 mm以內(nèi)。

(2)洞門預(yù)留洞門控制。始發(fā)洞門直徑φ3 400 mm，接收洞門直徑φ3 460 mm。為保證聯(lián)絡(luò)通道預(yù)留洞口不存在上下左右偏移，減少小隧道頂管機(jī)始發(fā)姿態(tài)調(diào)整量。需確保正線隧道聯(lián)絡(luò)通道處管片自轉(zhuǎn)角度不大于0.15 °。

(3)管節(jié)拼裝前進(jìn)行預(yù)排版。核對(duì)頂管機(jī)顯示里程和推進(jìn)油缸初始行程，聯(lián)絡(luò)通道中間位置安裝防火門位置拼裝有預(yù)埋鋼板的管節(jié)。進(jìn)出洞位置拼裝的鋼管節(jié)與正線隧道管片形成剛性連接，增強(qiáng)整體穩(wěn)定性。

(4)始發(fā)測(cè)量。在交接樁控制點(diǎn)檢測(cè)無誤后，進(jìn)行隧道內(nèi)施工控制網(wǎng)的加密，以滿足洞門復(fù)測(cè)、施工放樣、施工掘進(jìn)測(cè)量等的需要。將高程控制點(diǎn)引入?yún)^(qū)間正線隧道內(nèi)，并沿線路走向加密高程控制點(diǎn)。

(5)注漿微加固。對(duì)正線隧道洞門中心里程前后10環(huán)采取雙液漿封堵的方式微加固彌補(bǔ)正線隧道施工時(shí)同步注漿凝固收縮在土層中擴(kuò)散產(chǎn)生的不密實(shí)缺陷。

(6)正線隧道鋪設(shè)軌道。軌枕間距0.8 m，鋼軌規(guī)格為43 kg/m，單根長(zhǎng)度6.25 m。始發(fā)側(cè)軌道須鋪設(shè)至超過聯(lián)絡(luò)通道中心線40 m，接收側(cè)軌道須鋪設(shè)至超過聯(lián)絡(luò)通道中心線10 m。

3.2 頂管法施工操作流程

3.2.1 臺(tái)車吊裝下井組裝調(diào)試

將1～4號(hào)臺(tái)車先后吊裝下井，并由電瓶車逐節(jié)運(yùn)至隧道內(nèi)聯(lián)絡(luò)通道位置前后，連接管線調(diào)試各系統(tǒng)正常工作。5號(hào)臺(tái)車在始發(fā)前提前就位焊接，并填充厚漿保持接收端土壓穩(wěn)定性。

3.2.2 頂管始發(fā)

3.2.2.1 套筒焊接

采用厚度20 mm，高45 mm，間隔約300 mm×350 mm的筋板用于套筒(厚度30 mm)的加固筋板每段結(jié)合面均焊接法蘭，法蘭采用10.9級(jí)M20螺栓連接，中間加O形密封條。套筒和正線隧道鋼環(huán)焊接前用角磨機(jī)打磨復(fù)合管片環(huán)縫縱縫，形成坡口，坡口深度2 cm，提高洞門鋼環(huán)的整體性。

3.2.2.2 待切削洞門范圍處理

對(duì)始發(fā)及接收洞門處6塊復(fù)合管片的鋼結(jié)構(gòu)空腔部位進(jìn)行混凝土封堵，然后焊接連為整體；洞門采用可削切的混凝土管片，內(nèi)部鋼筋采用可削切的玻璃纖維筋，始發(fā)前洞門范圍內(nèi)管片之間的連接的螺栓拔出，將洞門范圍內(nèi)的吊裝孔取出。

3.2.2.3 洞門取芯

采用鉆孔方式對(duì)洞門正線隧道混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行削弱[3]?？讖?0 mm，孔深175 mm，鉆孔間距120 mm×120 mm，橫縱均勻布置。通過對(duì)洞門結(jié)構(gòu)的弱化使始發(fā)階段和接收階段減少刀盤切削時(shí)間，同時(shí)又能保證洞門結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性(圖2)。

圖2 洞門取芯圖示

3.2.2.4 填倉建壓

套筒尾部焊接3道尾刷，尾刷焊接牢固，始發(fā)前涂抹油脂保證始發(fā)套筒密封性；進(jìn)行清水耐壓試驗(yàn)，注入清水保壓至0.16 MPa；耐壓試驗(yàn)完成后，向始發(fā)套筒內(nèi)注入膨潤(rùn)土和水玻璃混合液填料；接收套筒填注厚漿，并通過注漿臺(tái)車補(bǔ)充膨潤(rùn)土建壓保持接收套筒內(nèi)土壓穩(wěn)定。

3.2.2.5 支撐體系加載

頂伸支撐體系，調(diào)整支撐體系油缸壓力；使正線隧道均勻分布?jí)毫4]。設(shè)備運(yùn)輸至聯(lián)絡(luò)通道位置后連接各管路及構(gòu)件，伸出支撐體系油缸使支撐體系緊貼管片內(nèi)壁，支撐體系張開后分級(jí)加載，每級(jí)加載間隔5 min。

3.2.2.6 始發(fā)托架的精準(zhǔn)定位

頂管始發(fā)姿態(tài)擬合始發(fā)軸線附近。頂管始發(fā)姿態(tài)調(diào)整，復(fù)測(cè)套筒軸線，調(diào)頂管始發(fā)姿態(tài)擬合整套筒姿態(tài)；頂管機(jī)調(diào)整里程位置過程中，套筒隨盾構(gòu)機(jī)頂進(jìn)，在套筒靠緊洞門后對(duì)套筒前端進(jìn)行焊接；焊接完成后，待自然冷卻完成頂進(jìn)盾構(gòu)機(jī)，使頂管機(jī)刀盤抵至管片。

3.2.3 掘進(jìn)過程

3.2.3.1 管節(jié)運(yùn)輸

管節(jié)分為上下兩節(jié)，采用現(xiàn)場(chǎng)焊制管節(jié)托架進(jìn)行管節(jié)的運(yùn)輸，大塊管節(jié)采用a型托架，小塊管節(jié)采用b型托架。管節(jié)分塊拼裝，由上下兩部分組成，第一環(huán)先拼裝大塊，后拼裝小塊，下一環(huán)先拼裝小塊，后拼裝大塊，采取錯(cuò)縫拼裝。管節(jié)進(jìn)入隧道前根據(jù)當(dāng)前環(huán)管片拼裝位置進(jìn)行翻身處理(圖3)。

圖3 托架示意

3.2.3.2 渣土改良及保壓

采用膨潤(rùn)土結(jié)合水玻璃混合液進(jìn)行土倉建壓和渣土改良，在頂管機(jī)切削至洞門混凝土破碎后，開挖面的水土壓力傳至鋼套箱內(nèi)，通過鋼套箱預(yù)留注入管道注入膨潤(rùn)土達(dá)到試壓值1.64 bar，用來平衡外界壓力。

3.2.3.3 刀盤切削正線隧道鋼-混管片

施工階段的刀盤轉(zhuǎn)速、套筒油脂壓力、推力、刀盤扭矩、推進(jìn)速度等施工參數(shù)，初試刀盤切削試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行采集，并以此控制，根據(jù)不同工況差異微調(diào)，同時(shí)做好掘進(jìn)機(jī)控制防自轉(zhuǎn)措施，切削過程中向土倉內(nèi)注入膨潤(rùn)土潤(rùn)滑。

3.2.3.4 減摩注漿

為了減小管節(jié)與土體間摩擦力的作用，需采用鈉基膨潤(rùn)土作為減摩注漿，其配比為鈉基膨潤(rùn)土∶水=1∶8(質(zhì)量比)，攪拌均勻并靜置24 h；注漿壓力：控制在20～50 kPa，注入量：壓漿量控制為理論空隙的2～3倍。施工過程及時(shí)注入減阻泥漿，減小摩擦力的同時(shí)填充管片背后與土體間的空隙，并根據(jù)地質(zhì)情況、監(jiān)測(cè)信息及地表沉降量和環(huán)境要求，及時(shí)調(diào)整速度、出土量和注漿等相關(guān)參數(shù)，減少地表沉降和隆起等變形。

3.2.3.5 頂進(jìn)糾偏及管節(jié)拼裝

頂進(jìn)過程中遇姿態(tài)出現(xiàn)偏差，優(yōu)先通過調(diào)整頂推油缸的壓力分配調(diào)整頂管機(jī)姿態(tài)，如效果不明顯，通過調(diào)節(jié)頂管鉸接調(diào)整強(qiáng)化糾偏，開啟鉸接后須密切關(guān)注成型管節(jié)的變形情況，管節(jié)拼裝按照管節(jié)拼裝排版進(jìn)行。

頂管頂進(jìn)最大偏差量不超過±50 mm，在確認(rèn)管節(jié)拼裝良好并經(jīng)驗(yàn)收合格，所有機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)正常的情況下，即可開始頂進(jìn)。管節(jié)翻身在隧道外進(jìn)行，進(jìn)洞后采用單梁進(jìn)行吊裝，推進(jìn)行程到達(dá)1 400 mm停止推進(jìn)，安裝止推桿，其一端焊接在洞門鋼環(huán)上，另一端設(shè)置銷孔，管節(jié)頂進(jìn)至一定里程后，管節(jié)上的預(yù)留孔和銷孔對(duì)齊，此時(shí)安裝插銷防止前段頂管機(jī)和已拼裝管節(jié)倒退。

3.2.3.6 出渣

頂管出渣采用一根直徑20 cm的帶肋鋼絲內(nèi)筋塑料軟管連接螺旋機(jī)出渣口至渣斗，實(shí)現(xiàn)快速出渣。通過測(cè)定渣土改良坍落度測(cè)定渣土改良和易性，保證渣土流塑性較好，提高渣效率。

3.2.3.7 填充注漿

頂管結(jié)束頂進(jìn)后，需對(duì)外壁膨潤(rùn)土進(jìn)行置換，保障地面建筑物安全；同時(shí)壓力在0.35 MPa以內(nèi)的水泥-水玻璃漿液進(jìn)行填充注漿，結(jié)束后必須對(duì)注漿孔進(jìn)行封閉處理。洞門后土體加固止漏是洞門密封的關(guān)鍵，對(duì)洞門位置采用二次注漿方式進(jìn)行微加固處理。

3.2.3.8 施工監(jiān)測(cè)

(1)正線隧道受力變形情況。通過埋設(shè)于正線隧道管片接縫處和管片內(nèi)的應(yīng)變計(jì)實(shí)時(shí)反映頂管頂進(jìn)前、頂進(jìn)過程中、頂進(jìn)結(jié)束三個(gè)階段的受力情況，有效保證了正線隧道的受力安全。

(2)地面沉降觀測(cè)。施工過程中重點(diǎn)關(guān)注地表沉降變化，經(jīng)監(jiān)測(cè)地表最大沉降約22 mm；橫剖面沉降槽寬度約60 m；縱剖面影響范圍約50 m；整體地表沉降符合預(yù)期，效果較好(圖4)。

圖4 地面沉降

3.2.4 頂管接收

3.2.4.1 工藝流程

(1)將接收套筒在端頭井內(nèi)組裝，通過電瓶車運(yùn)至指定位置，對(duì)接收洞門微加固、管片焊接、套筒焊接及螺栓吊裝孔拔除。

(2)當(dāng)機(jī)刀盤到達(dá)接收端管片時(shí)，復(fù)核頂管機(jī)頭的坐標(biāo)位置和姿態(tài)，調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，保證順利、安全進(jìn)入接收套筒。

(3)檢查套筒的密閉性，接收套筒內(nèi)注入厚漿，預(yù)防頂管機(jī)栽頭或被洞門卡住，減少刀盤對(duì)地層擾動(dòng)，注意沉降監(jiān)測(cè)，向套筒內(nèi)注入膨潤(rùn)土漿液，以保證套筒內(nèi)的壓力與外界水土壓力平衡。

(4)到達(dá)接收里程后對(duì)兩側(cè)洞門位置進(jìn)行二次止水注漿，在注漿位置附近打探孔檢測(cè)止水效果，確保無滲漏水及管片結(jié)構(gòu)變形穩(wěn)定后，方可拆除負(fù)環(huán)(圖5)。

圖5 接收端洞門注漿示意

(5)在正環(huán)管片與負(fù)環(huán)管片之間設(shè)置臨時(shí)支座并放置機(jī)械千斤頂，松開正環(huán)管片與負(fù)環(huán)管片之間的連接螺栓，通過支撐體系的橫撐油缸與機(jī)械千斤頂同時(shí)加力，使負(fù)環(huán)管片與正環(huán)管片脫離，沿著洞門焊縫將套筒割除，將套筒、管片、支撐體系隨臺(tái)車一同運(yùn)送至隧道外。

3.2.4.2 洞門施工

聯(lián)絡(luò)通道掘進(jìn)完成，設(shè)備拆除撤場(chǎng)后，開始施做洞門接口。采用P10抗?jié)BC40鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，施工前，需對(duì)洞門周邊進(jìn)行注漿填充，確保無滲漏水后開始施工。

3.2.4.3 人防門框施工

人防門框?qū)挾?00 mm，頂部與管節(jié)內(nèi)壁連接，為鋼筋混凝土連接。人防門框處管節(jié)預(yù)埋鋼板，便于與人防門框連接。

3.3 后期需要完善的施工技術(shù)

(1)止退桿插銷設(shè)計(jì)建議不采用圓形插銷設(shè)計(jì)，因其受力集中容易損壞混凝土管節(jié)，優(yōu)化止退方式為可旋轉(zhuǎn)止推桿于管節(jié)斷面進(jìn)行止退。

(2)在4號(hào)臺(tái)車尾部增加輔助吊點(diǎn)以便在正線隧道內(nèi)就可以進(jìn)行管節(jié)翻身調(diào)頭。

4 結(jié)束語

該聯(lián)絡(luò)通道頂管法施工案例為國(guó)內(nèi)首座以集約一體式頂管法施工的聯(lián)絡(luò)通道項(xiàng)目本項(xiàng)目的具有以下特點(diǎn)：

4.1 微加固、強(qiáng)支護(hù)、全封閉、集約

聯(lián)絡(luò)通道集約一體式頂管法修建過程中采用可切削洞門和特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)微加固施工。

鋼套筒始發(fā)與接收，實(shí)現(xiàn)了全封閉的施工過程；采用機(jī)械化支撐體系，確保施工全過程結(jié)構(gòu)安全，實(shí)現(xiàn)狹小空間全機(jī)械化施工。

4.2 依據(jù)科學(xué)方法指導(dǎo)設(shè)計(jì)、施工

(1)通過T形接頭受力特性、變形機(jī)理模擬及理論計(jì)算模型試驗(yàn)等結(jié)構(gòu)受力研究；全環(huán)境模擬試驗(yàn)研究反饋驗(yàn)證設(shè)計(jì)模型以及參數(shù)；研究管節(jié)結(jié)構(gòu)、斷面形式、結(jié)構(gòu)受力形式、結(jié)構(gòu)防水研究進(jìn)而對(duì)錐形刀盤研制及半自動(dòng)化拼裝系統(tǒng)。

(2)根據(jù)聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研發(fā)刀盤設(shè)計(jì)、快速內(nèi)支撐體系和后配套臺(tái)車設(shè)計(jì)等集約一體式頂管機(jī)設(shè)備。

(3)優(yōu)化管節(jié)止退拼裝技術(shù)、高精度測(cè)量技術(shù)、自動(dòng)化管控技術(shù)、結(jié)構(gòu)變形控制技術(shù)、微擾動(dòng)施工控制技術(shù)等進(jìn)行總結(jié)形成頂管法聯(lián)絡(luò)通道成套施工工法。

4.3 優(yōu)點(diǎn)顯著，利于推廣

該工法具有機(jī)械化、速度快，安全性能高，對(duì)周邊環(huán)境影響小等特點(diǎn)，具備極大推廣應(yīng)用前景，極大地推進(jìn)了地下工程向全機(jī)械化、全系統(tǒng)化發(fā)展進(jìn)程。