地鐵施工中頂管施工技術(shù)應(yīng)用重難點分析

杜懷珺

【摘要】以徐州城市軌道交通2號線車站出入口頂管施工為例，通過對施工過程中頂管施工的重難點分析，制定相應(yīng)的有效措施，驗證了頂管施工技術(shù)在地鐵施工中的合理性和安全性。并分析總結(jié)了其質(zhì)量保證措施及質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，為今后富水黏土層頂管施工提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】頂管;壓力;黏土層;安全性分析

隨著城市化的深入推進(jìn)，越來越多的城市開始了地鐵建設(shè)。在地鐵建設(shè)中，為節(jié)約用地、減少對城市主要道路的交通影響，保證出入口過街通道的施工安全和施工方便，頂管施工技術(shù)在城市軌道交通施工中起到了不可替代的作用。

1、概況

徐州市城市軌道交通2號線一期工程，線路長約23.9km，設(shè)站20座，全部為地下站。共5座換乘站，分別與1、3、4、5號線換乘。

為減少地鐵施工對沿線交通影響，徐州軌道交通2號線線路采用路側(cè)式設(shè)計，車站位于市政道路一側(cè)綠化用地范圍，道路另一側(cè)設(shè)置出入口，需下穿市政道路且通道較長，為避免該側(cè)出入口施工對地面交通影響，下穿市政道路部分采用矩形頂管工藝施工。經(jīng)統(tǒng)計，徐州市城市軌道交通2號線一期工程全線共有17個出入口過街通道采用矩形頂管工藝施工。

2、頂管機(jī)簡介

矩形多刀盤土壓平衡頂管機(jī)，由刀盤、刀盤驅(qū)動、前殼體、后殼體、糾偏系統(tǒng)、頂進(jìn)系統(tǒng)組成。其基本原理是電機(jī)通過安裝在隔艙板上的減速器驅(qū)動、旋轉(zhuǎn)刀盤，刀盤切削掌子面并將切削下來的泥土在土倉內(nèi)進(jìn)行土體改良形成塑性體泥團(tuán)，通過螺旋出土器控制排土量來平衡土壓力和地下水壓力。頂管機(jī)下部設(shè)有螺旋輸送機(jī)的喂料口，切削下來的土體通過螺旋輸送機(jī)排出。

3、頂管施工重難點及控制措施

3.1地表沉降及隆起控制

3.1.1原因分析

矩形頂管施工工藝為：刀盤旋轉(zhuǎn)開挖掌子面土體，旋轉(zhuǎn)同時由刀盤主軸中心預(yù)設(shè)管道及隔板預(yù)留注漿孔向掌子面及土倉注入渣土改良漿液，渣土改良后由螺旋出土器排至機(jī)內(nèi)渣土斗;出土同時由始發(fā)井內(nèi)推進(jìn)油缸向前推進(jìn)，推進(jìn)過程中通過管節(jié)預(yù)留注漿孔向管節(jié)壁后注入觸變泥漿，保持管節(jié)與土體之間潤滑以減少推進(jìn)阻力;掘進(jìn)行程滿足管節(jié)安裝空間即停止掘進(jìn)，回收推進(jìn)油缸，拆除主機(jī)電纜機(jī)各種管道，安裝管節(jié)，重新連接主機(jī)電纜及各種管道，然后開始下個循環(huán)掘進(jìn)。

由此可見，矩形頂管施工工藝特點一是所有管節(jié)均由始發(fā)井安裝，逐節(jié)向前推進(jìn);二是掘進(jìn)過程中管節(jié)與土體之間始終由觸變泥漿保持潤滑;三是管節(jié)安裝時主機(jī)需斷電，以上三點也是矩形頂管施工工藝和盾構(gòu)施工工藝的最大區(qū)別，均不利于地表沉降及隆起控制。地鐵出入口頂管施工車流量都很大，控制地表沉降及隆起是本工程的重點。

3.1.2采取的措施

⑴ 選取合理的土倉控制壓力

根據(jù)土體極限平衡原理土壓力分為主動土壓力、靜止土壓力和被動土壓力，土倉壓力控制在主動土壓力與被動土壓力之間地表不會出現(xiàn)沉降與隆起。根據(jù)頂管施工工藝特點，預(yù)留后期沉降量，掘進(jìn)土倉壓力按照靜止土壓力至被動土壓之間設(shè)定，根據(jù)掘進(jìn)情況及時調(diào)整[1]。

⑵ 管節(jié)與土體之間形成有效的泥漿套

頂管機(jī)殼體尺寸7020*5020mm，四周比管節(jié)外徑大10mm，頂進(jìn)過程需從管節(jié)預(yù)留注漿管注入觸變泥漿以減小土體與管節(jié)之間的摩擦力。采用膨潤土泥漿減阻泥漿容易被土體吸收，失去潤滑減阻效果，本工程計劃采用優(yōu)質(zhì)粘性土拌制濃泥結(jié)合膨潤土泥漿共同減阻，利用濃泥不易失水的特性確保管節(jié)與土體之間形成有效的泥漿套，解決管節(jié)頂部背土現(xiàn)象產(chǎn)生，控制地表沉降。

⑶ 保證主機(jī)斷電期間土倉壓力不小于靜止土壓力

管節(jié)安裝時，各種管線需要從管節(jié)內(nèi)穿過，因此需要斷電。主機(jī)斷電期間若螺旋出土器出現(xiàn)噴涌將會造成土倉失壓，引起地表沉降。為解決該問題采取如下措施，一是在斷電前保證土倉壓力高于設(shè)定壓力0.2 bar，抵消斷電期間土倉壓降;二是斷電前通過螺旋出土器預(yù)留注漿孔向出土器鋼筒內(nèi)注入濃泥起到堵水作用，減少噴涌風(fēng)險[2]。

3.2液化土層掘進(jìn)防止流砂形成

3.2.1原因分析

飽和砂土在地震、動荷載或其他外力作用下，受到強(qiáng)烈振動而喪失抗剪強(qiáng)度，使砂粒處于懸浮狀態(tài)，致使地基失效的作用或現(xiàn)象稱為砂土液化。頂管施工時，刀盤擾動前部土體，易造成砂、水分離，且在各自重力作用下下沉，形成的空隙由周邊土層中的地下水補(bǔ)給，引起更大范圍的地下水滲流，帶動臨近區(qū)域的砂土失水導(dǎo)致固有平衡破壞，引起地面沉降[3]。本工程掘進(jìn)土層以2-5-3粉土為主，為中等液化土易引起流砂，如何防止流砂現(xiàn)象發(fā)生是本工程的重難點。

3.2.2采取的措施

根據(jù)流砂形成的原理，液化土中水流帶動砂土顆粒流動引起流砂，因此防止流砂發(fā)生需從各個滲漏水環(huán)節(jié)著手，具體如下：

⑴ 加強(qiáng)洞門止水密封

始發(fā)井洞門采用橡膠止水簾布密封，不能采用水泥漿、雙液漿等進(jìn)行固結(jié)，必須保持管節(jié)滑動且不破壞橡膠簾布，頂進(jìn)過程中應(yīng)盡量減少洞門處滲漏水、杜絕漏砂。采取的措施一是頂進(jìn)全過程實時觀察壓板狀況，及時調(diào)整壓板和管節(jié)之間空隙，保證橡膠簾布不翻出;二是根據(jù)洞門滲漏水及漏砂情況，及時在洞門1至2節(jié)管節(jié)注入濃泥，采用不透水的濃泥將填充止水簾布內(nèi)側(cè)管節(jié)與土體之間的空隙形成土塞，起到密封作用。

⑵ 加強(qiáng)管節(jié)間止水密封

管節(jié)之間采用二道楔形密封膠圈止水，膠圈采用專用粘合劑固定在管節(jié)插口預(yù)留凹槽內(nèi)，管節(jié)安裝時應(yīng)認(rèn)真檢查膠圈狀態(tài)，確保膠圈能夠按照設(shè)計狀態(tài)插入承口鋼套環(huán)，若出現(xiàn)膠圈破損、翻起等情況必須重新安裝，確保膠圈起到密封作用。

⑶ 加強(qiáng)螺旋出土器閘門密封

頂管機(jī)采用雙螺旋出土器排渣，當(dāng)?shù)竭_(dá)螺旋機(jī)出口的渣土過稀且有一定壓力時就會發(fā)生噴涌，原因是土倉和螺旋機(jī)內(nèi)的土體不能完全有效的抵抗開挖面上較高的水壓力，從而在螺旋機(jī)的出土口發(fā)生噴水、噴泥現(xiàn)象。管節(jié)安裝時頂管機(jī)主機(jī)處于斷電狀態(tài)，無法進(jìn)行操作，螺旋機(jī)一旦發(fā)生噴涌很難控制，進(jìn)而會引起掌子面發(fā)生流砂現(xiàn)象，引起地面沉降。

防止螺旋機(jī)噴涌主要采用以下措施，一是土倉渣土必須充分改良及攪拌，確保螺旋機(jī)排除渣土稠度適中，且無明水排出;二是螺旋機(jī)出土?xí)r必須嚴(yán)格控制土倉壓力維持在設(shè)定壓力值，確保地面穩(wěn)定;三是主機(jī)斷電前觀察螺旋機(jī)內(nèi)渣土情況，若地層以砂為主，透水性較強(qiáng)，斷電前利用螺旋機(jī)預(yù)留注漿孔向螺旋機(jī)內(nèi)注入粘性土泥漿，利用不透水的濃泥密封螺旋機(jī);四是及時清理螺旋機(jī)閘門槽內(nèi)異物，確保螺旋機(jī)閘門閉合密實。

3.3液化土層加固

3.3.1原因分析

徐州市軌道交通2號線地質(zhì)情況為頂管底板以下土層為粉土，局部夾雜粉砂，以均為中等液化土，為消除液化沉降風(fēng)險，頂管完成后采用花管注漿的方式對液化土層進(jìn)行加固。

管節(jié)底板預(yù)埋φ50mm注漿管，每節(jié)16個，共計16×38 = 608個。頂管完成后采用φ42 mm、長6000 mm花管進(jìn)行注漿。注漿漿液為水泥漿，水灰比0.5～1，注漿壓力0.5～1 Mpa，加固后的地基應(yīng)具有良好的均勻性和自立性，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為不小于0.8MPa，滲透系數(shù)不大于1.0×10-8cm/s，加固完畢后應(yīng)對加固體進(jìn)行檢驗。注漿完成后應(yīng)采用微膨脹水泥砂漿填充封堵，保證砂漿與螺紋緊密相連，最后進(jìn)行收面抹平。底板預(yù)留孔滲漏水、成型通道變形風(fēng)險，且注漿效果檢測困難，是本工程的難點。

3.3.2采取的措施

⑴ 采取有效措施防止注漿孔漏水及流砂

管底注漿工序：管節(jié)預(yù)留孔鉆孔→花管插入→注漿→封孔，管節(jié)預(yù)留注漿孔底距管節(jié)外壁50 mm，注漿前采用水鉆取芯鉆孔。管節(jié)混凝土開孔后，通道和通道底土層聯(lián)通，土層中地下水在水頭差的作用下降流向通道內(nèi)，水流帶動周邊砂土，一旦形成徑流通道將發(fā)生涌水涌砂險情[4]。為防止險情發(fā)生，采取以下措施，一是準(zhǔn)備帶有密封墊片的專用堵頭，利用管節(jié)預(yù)埋注漿孔內(nèi)螺紋進(jìn)行臨時封堵，一旦發(fā)生涌水立即采用堵頭封堵注漿孔;二是花管端頭設(shè)置內(nèi)螺紋及堵頭，花管插入及注漿前封堵花管;三是注漿完成后加強(qiáng)注漿孔封堵，采用膨脹水泥砂漿進(jìn)行封堵，為保證安全在膨脹水泥砂漿頂部增設(shè)水膨脹密封膠，加強(qiáng)堵漏效果。

⑵ 加強(qiáng)監(jiān)控量測控制通道變形

管底注漿過程中，實時對通道變形進(jìn)行監(jiān)測，無變形按照既定注漿方案進(jìn)行注漿;若注漿過程中發(fā)生隆起、水平位移等情況立即停止注漿，待通道穩(wěn)定后再開始管底注漿，必須保證成型通道變形不超過設(shè)計指標(biāo)。

⑶ 優(yōu)化注漿參數(shù)確保注漿效果

注漿施工前，首先進(jìn)行注漿試驗，對水灰比、注漿壓力、注漿量等參數(shù)進(jìn)行試驗，采取試驗參數(shù)進(jìn)行試注漿，注漿完成后檢驗注漿質(zhì)量，達(dá)到設(shè)計要求后方可進(jìn)行正式施工。注漿按照注漿壓力和注漿量雙控，以注漿壓力為主，計算管底土層被動土壓力，嚴(yán)格控制注漿壓力不超過被動土壓力，大于被動土壓力立即停止注漿，以免因壓力過大引起地表隆起。

結(jié)論：

頂管施工技術(shù)將是今后地鐵施工中應(yīng)用到的最為安全的一項施工技術(shù)，但根據(jù)不同的地質(zhì)條件及周邊環(huán)境，頂管施工技術(shù)所需要注意的安全風(fēng)險和施工重難點不盡相同，本文根據(jù)徐州地鐵2號線的現(xiàn)場施工經(jīng)驗，對液化土層中頂管施工重難點進(jìn)行科學(xué)的分析并制定了相應(yīng)的控制措施，通過現(xiàn)場應(yīng)用證明制定的控制措施是科學(xué)有效的，為以后的液化土層頂管施工提供了科學(xué)的實踐依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙全峰.淺談砂卵石地層人工頂管施工檢測技術(shù)[J].中小企業(yè)管理與科技，2020年11月下旬刊：188-189.

[2]王延市.關(guān)于市政工程頂管施工技術(shù)的探究[J].低碳世界，2020年11期，：175-176.

[3]吳楨，姚蕊，張國林.頂管穿越大范圍全斷面黏土地層綜合施工技術(shù)[J].水利水電施工，2019年02期：30-32.

[4]王凱，張曉川，徐昕，等.土工基礎(chǔ)[J].2019年05期：13-15