上海地鐵某出入口矩形頂管施工

上海地鐵某出入口矩形頂管施工1概述(1)工程概況上海地鐵*號(hào)線某車(chē)站*號(hào)出入口人行地道工程，位于浦東****區(qū)，兩條人行地道采用矩形頂管施工，其中5號(hào)出入口為始發(fā)井，4號(hào)出入口為接收井，分布在延安東路隧道引道段的南北兩側(cè)，見(jiàn)圖1。圖1工程總平面、縱剖面圖通道由兩條長(zhǎng)各為62.25m的平行管道組成，兩條管道外壁凈間距為2.2m，管道坡度均為0.2%，管道頂平均覆土厚度約5.3m。本工程首次采用3828mm×3828mm組合刀盤(pán)土壓平衡矩形頂管機(jī)施工。通道結(jié)構(gòu)全部采用預(yù)制矩形鋼筋混凝土管節(jié)，管節(jié)接口全部采用"F"型承插式，接縫防水裝置由鋸齒形止水圈和彈性密封墊內(nèi)外兩道組成。管節(jié)外形尺寸為3800mm×3800mm，壁厚為400mm，管節(jié)長(zhǎng)度為2m。管節(jié)設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C50，抗?jié)B等級(jí)為0.8MPa。工程沿線將穿越陸家嘴路、延安東路隧道南北線浦東引道段及上水管、煤氣管、雨水管、污水管、市話線、電力線等地下管線。其中管道頂與φ450mm污水管、φ1000mm雨水管、φ800mm雨水管底凈距均為1m，與延安東路隧道南線引道段結(jié)構(gòu)底最小凈距為1.564m。(2)地質(zhì)狀況本工程頂管沿線主要穿越的地層為：灰色砂質(zhì)粉土、灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，各土層物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。各土層物理力學(xué)指標(biāo)序號(hào)土層名稱層底標(biāo)高m層厚m含水量(%)容重kN/m3孔隙比e壓縮模量MPa內(nèi)摩擦角°(1)1人工填土2.191.91(2)1褐黃色粘土0.691.5(2)2灰色砂質(zhì)粉土-2.31332.117.90.8978.94(3)灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘粘土-6.31442.718.01.2013.13(4)灰色淤泥質(zhì)粘土-11.304.9960.117.11.402.1923.6(5)1灰色粘土-15.814.5117.61.1293.6748.52.3828mm×3828mm土壓平衡矩形頂管機(jī)(1)施工原理矩形頂管機(jī)施工以土壓平衡為工作原理，通過(guò)大刀盤(pán)及仿形刀對(duì)正面土體進(jìn)行全斷面切削，改變螺旋機(jī)的轉(zhuǎn)速及頂進(jìn)速度來(lái)控制出土量，使土倉(cāng)內(nèi)的土壓力值穩(wěn)定并控制在所設(shè)定的范圍內(nèi)，達(dá)到開(kāi)挖面的土體穩(wěn)定，頂進(jìn)形成的斷面由不斷頂入的矩形管節(jié)組成矩形隧道。

(2)主要施工機(jī)械設(shè)備及各項(xiàng)性能(見(jiàn)表2)主要施工機(jī)械設(shè)備及各項(xiàng)性能表2設(shè)備名稱技術(shù)參數(shù)指標(biāo)頂管機(jī)殼體尺寸斷面尺寸3828mm×33828mmm糾偏系統(tǒng)千斤頂數(shù)量8臺(tái)前段殼體長(zhǎng)度3000mm糾偏角度±1.8°后段殼體長(zhǎng)度600mm最大頂力12000kN刀盤(pán)系統(tǒng)刀盤(pán)轉(zhuǎn)速0~1.4rpmm螺旋機(jī)系統(tǒng)輸送能力42m3/h最大扭矩175kNm轉(zhuǎn)速0~15rpm仿形刀系統(tǒng)仿形刀數(shù)量2最大扭矩25.9kNm最大行程270mm頂進(jìn)裝置千斤頂數(shù)量16臺(tái)總頂力2560t缸體長(zhǎng)度2515mm千斤頂行程1.30mm3矩形頂管進(jìn)、出洞施工技術(shù)(1)頂管出洞施工技術(shù)頂管機(jī)頂出距工作井6m范圍為出洞段。①封門(mén)形式及地基加固工作井基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)采用SMW擋土墻，即在水泥土攪拌樁內(nèi)插入H型鋼作圍護(hù)結(jié)構(gòu)，然后采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)的施工。SMW擋土墻即為工作井的洞圈封門(mén)。也就是說(shuō)，此頂管的出洞過(guò)程即為攪拌樁內(nèi)H型鋼的拔除及機(jī)頭頂過(guò)出洞加固水泥土段并進(jìn)入原狀土體的過(guò)程。工作井外側(cè)距井壁2700mm范圍內(nèi)采用5排攪拌樁作地基加固，見(jiàn)圖2，其設(shè)計(jì)強(qiáng)度為1.2MPa。在確定頂進(jìn)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況良好后，將頂管機(jī)頂入洞圈內(nèi)至距SMW擋土墻100mm左右。圖2出洞段地基加固斷面圖②洞圈止水洞圈與管節(jié)間的建筑空隙為110mm，在頂管出洞過(guò)程中極易造成外部土體涌入工作井內(nèi)的嚴(yán)重事故。為此，施工前在洞圈上安裝一環(huán)形簾布橡膠板，以密封洞圈，橡膠板由12mm壓板固定牢靠，壓板的螺栓孔采用橢圓形式，以利于在頂進(jìn)中隨時(shí)調(diào)節(jié)壓板與管節(jié)間的間隙，保證簾布橡膠板的密封性能。③土倉(cāng)內(nèi)加注粘土為防止在攪拌樁內(nèi)H型鋼拔除過(guò)程中正面土體的坍塌，并由此而造成工作井前方電纜出現(xiàn)過(guò)量沉降等施工險(xiǎn)情，在頂管靠上H型鋼后，利用螺旋機(jī)倒轉(zhuǎn)向土倉(cāng)內(nèi)壓注粘性土，并提高到一定土壓力(P=0.065MPa)。在土倉(cāng)內(nèi)加注粘土，可潤(rùn)滑土體便于螺旋機(jī)出土，同時(shí)確保刀盤(pán)受力均勻，避免頂管機(jī)旋轉(zhuǎn)。④主要施工參數(shù)摸索由于工作井與陸家嘴路距離僅為7m，且在頂進(jìn)中將陸續(xù)穿越陸家嘴路、φ450mm污水管、φ1000mm雨水管、延安東路隧道引道段、φ800mm雨水管等，所以在頂管出洞過(guò)程中應(yīng)盡量減少水土流失，控制好地面沉降。在H型鋼全部拔除后，應(yīng)立即開(kāi)始頂進(jìn)機(jī)頭。由于正面為全斷面的水泥土，為保護(hù)刀盤(pán)和仿形刀，頂進(jìn)速度不宜過(guò)快，使刀盤(pán)和仿形刀能對(duì)水泥土進(jìn)行徹底的切削，防止井壁整體移位；另外由于土體過(guò)硬，必要時(shí)可加入適量清水來(lái)軟化和潤(rùn)滑土體。在水泥土被基本排出，螺旋機(jī)內(nèi)輸出全斷面原狀土后，為控制好地面沉降、頂進(jìn)軸線，防止頂管機(jī)突然"磕頭"，宜適當(dāng)提高頂進(jìn)速度，把正面土壓力建立到稍大于理論計(jì)算值，以減小對(duì)正面土體的擾動(dòng)及出現(xiàn)的地面沉降。在頂管的出洞段施工中，應(yīng)不斷根據(jù)地面沉降的數(shù)據(jù)反饋進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，迅速摸索出各類(lèi)參數(shù)最佳設(shè)定值。(2)頂管進(jìn)洞施工技術(shù)頂管機(jī)頂進(jìn)至距接收井6m范圍為進(jìn)洞段。①頂管機(jī)姿態(tài)的復(fù)核測(cè)量當(dāng)頂管機(jī)逐漸靠近接收井時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)測(cè)量的頻率和精度，減小軸線偏差，以確保頂管順利進(jìn)洞。頂管貫通前的測(cè)量是復(fù)核頂管機(jī)所處的方位、確認(rèn)頂管機(jī)狀態(tài)、評(píng)估頂管機(jī)進(jìn)洞時(shí)的姿態(tài)和擬訂頂管進(jìn)洞的施工軸線等的重要依據(jù)，使頂管機(jī)在此階段的施工中始終按預(yù)定的方案實(shí)施，以良好的姿態(tài)進(jìn)洞，正確無(wú)誤地座落到接收井的基座上。②各施工參數(shù)的調(diào)整在頂管到達(dá)距接收井6m時(shí)，停止第一節(jié)管節(jié)的壓漿，并將壓漿位置逐漸后移，保證頂管機(jī)在進(jìn)洞前有6m左右的完好土塞效應(yīng)，避免在進(jìn)洞過(guò)程中減摩泥漿的大量流失而造成管節(jié)周邊摩阻力驟然上升。在頂管機(jī)切口進(jìn)入接收井土體進(jìn)洞加固區(qū)后，應(yīng)立即調(diào)整機(jī)頭姿態(tài)，使其與頂進(jìn)軸線相平行，盡可能將頂管機(jī)和后部管節(jié)間出現(xiàn)的接縫間隙減為最小。同時(shí)適當(dāng)減慢頂進(jìn)速度，加大出土量，逐漸減小正面土壓力，以保證洞口處結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和頂管機(jī)設(shè)備完好。③洞圈封堵在頂管機(jī)切口到達(dá)混凝土攪拌樁后，停止頂進(jìn)，并在接收井洞圈外攪拌樁的四個(gè)角開(kāi)觀察孔，以確切探測(cè)出頂管機(jī)的實(shí)際位置，在確保頂管機(jī)能正確落在接收井洞圈范圍內(nèi)時(shí)，開(kāi)始鑿除攪拌樁。在攪拌樁被完全鑿除后，迅速、連續(xù)頂進(jìn)管節(jié)，縮短頂管機(jī)進(jìn)洞時(shí)間。頂管機(jī)頂進(jìn)到位后，立即將鋼板與其焊成一個(gè)整體，并用水硬性漿液填充管節(jié)和洞圈的間隙，減少水土流失。4頂管頂進(jìn)施工技術(shù)(1)主要施工技術(shù)參數(shù)的控制①正面土壓力的設(shè)定作為土壓力的最初設(shè)定值。在實(shí)際頂進(jìn)后，通過(guò)頂進(jìn)參數(shù)、地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將設(shè)定土壓力值調(diào)整到0.12MPa左右時(shí)，出土量、地面沉降情況較為理想。

②出土量控制一節(jié)管節(jié)的理論出土量為3.8×3.8×2=29m3。在頂進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)精確地統(tǒng)計(jì)出每節(jié)管節(jié)的出土量，盡量使之與理論出土量保持一致，以保證正面土體的相對(duì)穩(wěn)定，減小地面沉降量。③頂進(jìn)速度頂管頂進(jìn)速度是保證切口土壓力穩(wěn)定、正面出土量均勻的主要手段。所以在頂進(jìn)時(shí)，應(yīng)不斷調(diào)整頂進(jìn)速度，找出頂進(jìn)速度、正面土壓力、出土量三者的最佳匹配值，以保證頂管的頂進(jìn)質(zhì)量，確保頂進(jìn)設(shè)備以最佳狀態(tài)工作。④各施工參數(shù)的相互關(guān)系(見(jiàn)圖3)圖3施工參數(shù)雷達(dá)圖減小正面土壓力可適當(dāng)減小刀盤(pán)扭矩，但同時(shí)將增大地面沉降量。增加潤(rùn)滑泥漿壓注量，可減小頂進(jìn)阻力，同時(shí)適當(dāng)提高頂進(jìn)速度。(2)頂進(jìn)軸線的控制軸線控制是矩形頂管頂進(jìn)的一大難題，由于頂管機(jī)外殼與外部土體間是4個(gè)面積為12m2的面面接觸，所以在頂進(jìn)時(shí)一旦出現(xiàn)較大量的偏差并形成導(dǎo)向，將增大糾偏難度。頂管在正常頂進(jìn)施工過(guò)程中，必須密切注意頂進(jìn)軸線的控制。在每節(jié)管節(jié)頂進(jìn)結(jié)束后，必須根據(jù)頂管機(jī)的姿態(tài)，做到隨偏隨糾，且糾偏量不宜過(guò)大，以避免土體出現(xiàn)較大的擾動(dòng)及管節(jié)間出現(xiàn)張角。①高程控制考慮到頂管上部管線眾多，在頂進(jìn)過(guò)程中一旦頂管上拋過(guò)量，不宜采取降低地面土壓力、增大出土量、過(guò)量向下糾偏等動(dòng)作。在頂進(jìn)時(shí)，將高程始終控制在負(fù)值，這樣即使在頂管機(jī)下沉過(guò)量時(shí)，應(yīng)采取的糾偏措施也和地面沉降控制要求相統(tǒng)一。②平面控制由于受第一條頂管頂進(jìn)時(shí)擠壓、壓漿等影響，在已成管道周邊土體強(qiáng)度較原狀土大，以至在第二條頂管頂進(jìn)時(shí)，平面將偏離已成管道。頂進(jìn)時(shí)將平面始終控制在靠已成管道方向，以利于頂管軸線控制。③轉(zhuǎn)角控制由于矩形隧道今后是作人行通道用，因此對(duì)管道的橫向水平要求較高。在頂進(jìn)過(guò)程中需密切注意頂管機(jī)的轉(zhuǎn)角，一旦出現(xiàn)微小轉(zhuǎn)角，就應(yīng)立即采取刀盤(pán)反轉(zhuǎn)、加壓鐵等措施往回糾。④形成良好導(dǎo)向在頂進(jìn)時(shí)每隔1m對(duì)頂管機(jī)姿態(tài)進(jìn)行復(fù)核，隨偏隨糾。在出洞段就形成一個(gè)與設(shè)計(jì)軸線相吻合的頂進(jìn)軌道，使頂管始終沿此導(dǎo)向向前延伸，減小頂管軸線控制的難度。⑤注漿糾偏如管節(jié)軸線偏離后不及時(shí)糾正，導(dǎo)向一旦形成，會(huì)造成頂管機(jī)更大的偏離。在管節(jié)不同部位注漿，起到糾偏效果。在整個(gè)頂進(jìn)過(guò)程中，軸線嚴(yán)格控制在質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。頂管機(jī)切口及尾部偏離軸線最大值為：切口平面+38mm，高程-25mm；尾部平面-47mm，高程+52mm；(3)管節(jié)減摩為減小土體與管壁間的摩阻力，控制好地面沉降，提高工程質(zhì)量和施工進(jìn)度，在頂管頂進(jìn)的同時(shí)，向管道外壁壓注一定量的潤(rùn)滑泥漿，變固固摩擦為固液摩擦。加強(qiáng)潤(rùn)滑泥漿的壓注管理，一方面要保證一定的壓注量，另一方面還應(yīng)保證所注泥漿要有質(zhì)的要求。為保證壓漿效果，主要采取了以下技術(shù)措施：①對(duì)泥漿原材料進(jìn)行驗(yàn)收，保證其質(zhì)量；制定合理的泥漿配比，保證潤(rùn)滑泥漿的穩(wěn)定；經(jīng)常對(duì)拌好的泥漿進(jìn)行測(cè)試，確保潤(rùn)滑泥漿的質(zhì)量。②壓漿順序地面拌漿→啟動(dòng)壓漿泵→總管閥門(mén)打開(kāi)→管節(jié)閥門(mén)打開(kāi)→送漿(頂進(jìn)開(kāi)始)→管節(jié)閥門(mén)關(guān)閉(頂進(jìn)停止)→總管閥門(mén)關(guān)閉→井內(nèi)快速接頭拆開(kāi)→下管節(jié)→接2寸總管→循環(huán)復(fù)始。單節(jié)管節(jié)注漿量計(jì)算：V=2×(3.8282-3.82)×500%=2.1m3③制定合理的壓漿工藝，嚴(yán)格按壓漿操作規(guī)程進(jìn)行。為使頂進(jìn)時(shí)形成的建筑間隙及時(shí)用潤(rùn)滑泥漿所填補(bǔ)，形成泥漿套，壓漿時(shí)必須堅(jiān)持"隨頂隨壓、逐孔壓漿、全線補(bǔ)漿、漿量均勻"的原則，注漿壓力控制在0.5MPa左右。5周?chē)h(huán)境保護(hù)的施工技術(shù)措施由于工程沿線將穿越延安東路隧道浦東引道段及上水管、煤氣管等諸多地下管線，見(jiàn)圖4，在頂進(jìn)過(guò)程中的地面沉降控制極為重要。圖4管線分布圖(1)地面沉降機(jī)理在頂管頂進(jìn)過(guò)程中，由于頂管機(jī)周?chē)馏w的擾動(dòng)和地層損失，造成地表沉降。從理論上講，頂管法施工引起隧道周?chē)乇沓两抵饕甘┕こ两怠⒅鞴探Y(jié)沉降、次固結(jié)沉降三者之和。由于次固結(jié)沉降量相對(duì)較小，一般認(rèn)為總沉降量等于施工沉降加上主固結(jié)沉降。施工沉降是指在施工過(guò)程中由于地層損失而引起的地表沉降。產(chǎn)生施工沉降的主要原因有：①在頂進(jìn)過(guò)程中，由于切口水壓過(guò)低、實(shí)際出土量大于理論出土量，引起周?chē)馏w不斷涌到頂管機(jī)正面，使土層出現(xiàn)應(yīng)力重分布；②頂進(jìn)時(shí)，同步注漿未能及時(shí)填補(bǔ)盾尾和管節(jié)之間形成的建筑空隙，致使周?chē)翆討?yīng)力釋放，填補(bǔ)了這段空隙；③在頂管糾偏時(shí)，引起一側(cè)土體擠壓，另一側(cè)土體附加應(yīng)力釋放，形成空隙。主固結(jié)沉降主要由于頂管頂進(jìn)過(guò)程中對(duì)土層產(chǎn)生擾動(dòng)，使隧道周?chē)翆赢a(chǎn)生超孔隙水應(yīng)力，而在這部分超孔隙水應(yīng)力消散后，引起土層壓密。主固結(jié)沉降與土層厚度有著密切的關(guān)系，土層越厚，主固結(jié)沉降占總沉降的比例就越大。(2)地面沉降控制技術(shù)①合理使用仿形刀裝置本工程采用組合刀盤(pán)矩形頂管機(jī)，由于沿線有大量重要管線，對(duì)地面沉降要求較高。而圓形刀盤(pán)對(duì)正面土體的切削率僅為78%，僅靠刀盤(pán)切削土體，勢(shì)必將對(duì)地面土體產(chǎn)生較大的擾動(dòng)。為此，本矩形頂管機(jī)專門(mén)安裝了一套仿形刀裝置，對(duì)矩形頂管機(jī)的四個(gè)死角內(nèi)土體進(jìn)行仿形切削，以配合大刀盤(pán)充分切削正面土體。②嚴(yán)格控制頂進(jìn)技術(shù)參數(shù)頂進(jìn)速度不宜過(guò)快，一般控制在15mm/min左右，盡量做到均衡施工，避免在途中有較長(zhǎng)時(shí)間的耽擱。嚴(yán)格控制頂管的出土量，防止超、欠挖。嚴(yán)格控制頂管頂進(jìn)的糾偏量，盡量減小對(duì)正面土體的擾動(dòng)。保證持續(xù)、均勻壓漿，使出現(xiàn)的建筑空隙能被迅速得到填充，保證管道上部土體的穩(wěn)定。③盡量避免頂管"背土"由于矩形頂管頂部是一個(gè)3.8m寬的面，在頂進(jìn)時(shí)猶如一條慢速運(yùn)行的傳送帶，這就極易發(fā)生管節(jié)頂部"背土"現(xiàn)象，造成已成管節(jié)段由于土體的不斷損失而出現(xiàn)持續(xù)的地面沉降。為消除此工程難點(diǎn)，一方面通過(guò)壓注觸變泥漿盡量避免"背土"現(xiàn)象發(fā)生，另一方面在頂進(jìn)過(guò)程中專門(mén)對(duì)出洞段管節(jié)上部進(jìn)行注漿，隨時(shí)填堵由于管節(jié)"背土"而出現(xiàn)的建筑空隙，保證管線安全。④信息化施工，調(diào)整各施工參數(shù)沉降監(jiān)測(cè)是指導(dǎo)工程施工的眼睛，了解各類(lèi)管線、隧道引道段動(dòng)態(tài)情況的科學(xué)依據(jù)是判斷頂進(jìn)技術(shù)措施合理與否的標(biāo)準(zhǔn)。頂進(jìn)前，在頂進(jìn)軸線全線及幾個(gè)重要橫斷面上進(jìn)行布點(diǎn)，頂進(jìn)后實(shí)行24h連續(xù)監(jiān)測(cè)，及時(shí)把監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋到施工人員，以準(zhǔn)確、及時(shí)地了解各類(lèi)管線、隧道引道段的沉降情況，并在頂進(jìn)施工中及時(shí)根據(jù)反饋數(shù)據(jù)調(diào)整各類(lèi)施工參數(shù)。⑤防范措施本工程對(duì)于隧道引道段的沉降量控制范圍為+10mm～-30mm。一旦沉降量超過(guò)控制范圍，則必須采取一定的補(bǔ)救措施來(lái)控制沉降量，保證隧道引道段的安全?！な┕?shù)控制：減小正面出土量、提高正面土壓力。在頂管內(nèi)超量壓注潤(rùn)滑泥漿，提高管節(jié)周?chē)馏w的應(yīng)力?！じ欁{：在兩條隧道引道段內(nèi)各施工三排注漿管，每排5根。施工過(guò)程中，在隧道沉降情況較為嚴(yán)重時(shí)，作地面跟蹤注漿，注漿量視實(shí)際情況而定。跟蹤注漿采用兩種不同配比的雙液漿，即緩