南京同力建设集团股份有限公司 210046
摘要：针对南京江东门地下人行过街通道顶管工程实例进行分析研究，指出了土压平衡式矩形顶管在淤泥质地区长距离大坡度顶进施工的工程特殊性，并对施工过程中的关键环节技术措施进行归纳，供类似工程参考。
关键词：矩形顶管；淤泥质；长距离；大坡度
1.前言
现代城市地面空间已不能满足人类的需求，因此地下空间的开发变得越来越重要。城市的地下通道和隧道是地下空间利用的重要形式，而顶管施工法由于其可避免管线搬迁、道路翻交所产生的大量造价和工期的独特优势被广泛地应用。这其中矩形顶管在地下过街通道中的应用通常是距离较短、坡度较小，本文通过一个在淤泥质环境中长距离大坡度顶进的顶管案例来分析此类情况下的施工技术要点。
2.工程概况
江东门地下人行过街通道工程位于南京市建邺区江东商业文化旅游中心江东中路处，该通道节点处为江东中路，西侧始发井为原五洲装饰城停车场，东侧接收井处位于抗战纪念馆下沉式广场（新建）。
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图1 矩形顶管掘进施工通道剖面图
主通道采用矩形顶管施工工艺，采用5000mm*7000mm双通道结构形式，通道全长95.0m，纵坡11‰，通道内部结构净尺寸6000×4000mm，壁厚500mm，顶部最大覆土约6.6m。
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图2 管节剖面图
3.工程地质
根据工程岩土工程勘察报告，本工程地质资料如下：
表1 各土层主要物理力学指标
工程范围内拟建场地主要分部为淤泥质粘土层，厚度大，具中等灵敏，其含水量大，压缩性高，土体强度低，工程地质性差，对工程建设极为不利。
3.工程特殊性分析
3.1 土压平衡式矩形顶管在淤泥质地区顶进施工的困难
3.1.1土压平衡的概念
土压平衡式顶管的工作原理是通过刀盘对机头正面土体的全断面切削，依靠主顶设备把机头向前推进，同时把切削落的土渣挤进机头土仓内，通过调节机头顶进速度和螺旋输送机的转速来控制土仓内的压力来平衡地下水的压力和机头前方的土压力。
3.1.2施工困难
本顶管工程主要穿过淤泥质粉质黏土层，采用土压平衡式顶管技术虽然与人工掘进式顶管技术相比效率大幅提高，但关键问题仍在于淤泥质土容易坍塌，土压平衡式顶管仅解决了作业人员的施工安全问题，但由于机头土体掘进应力较大，同样容易造成管顶土体坍塌，对管线范围的地面环境有破坏性影响，且在施工过程中极易出现机头和管节下沉、侧旋的问题。
3.2 长距离顶进施工风险分析
3.2.1 摩阻较大
顶管机向前推进的动力是由千斤顶提供，顶进过程中的阻力主要由机头和管节的重力在顶进轴线方向的分力，机头正前方土体的反作用力（全断面土压力）和土体与机头、管节之间的摩擦力组成。其中重力在轴线方向的分力是定值，全断面土压力可由顶力调控在一个相对稳定的区间，然而摩擦力会随着顶进距离的增大而增大。
对于长距离顶管施工来说对顶进阻力的估算本身就是难点，因此确定顶力的极限值是一个很关键的技术内容，因为若在顶进过程中出现顶力不够的问题将给施工带来较大困难，其次当顶力过大时对后靠体的牢固性和稳定性也都有较高要求。
3.2.2 轴线控制测量
轴线控制测量是通过安装在始发井内的观测台读取安装在机头位置的前靶盘和后靶盘数值再结合侧靶盘读数来推算出机头的切口和盾尾与理想姿态的偏差值。长距离对轴线控制测量的影响体现在两方面，其一理想轴线的放设本身有一定误差，距离越长越容易把误差放大，其二观测台与靶盘的距离越远，读数误差就越大。
3.2.3 施工工期
对于顶管施工来说施工工期尤为关键，工期越长意味着遭遇机械损坏、安全事故等不利事件的概率越大，对周围环境的扰影响时间越长，因此长距离顶管工程较短距离顶管工程面临更大的风险。
3.3 大坡度顶进的难点
3.3.1 设备安装
本顶管工程纵向坡度达到11‰，如此大坡度矩形顶管给后靠体、机架的安装、动力系统的设置提出新的要求。
3.3.2 顶力控制
机头对土体的推力平行于顶进轴线方向，顶进坡越大推力在铅垂方向的分力就越大，机头前方土体越容易受推力的影响而发生隆起现象，因此如何控制顶力保持机头前方土体相对稳定也是技术控制的一个难点。
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图3 机头前方土体受力图
4 关键环节技术措施
4.1 淤泥质环境下顶管后靠及进出洞加固措施
4.1.1 后靠加固
顶管后靠加固区采用Φ850三轴搅拌桩加固施工，加固区域面积为22.5*4m，搅拌桩长17.3m。后靠围护采用Φ850SMW工法桩施工，700*300*12*24H型钢密插，型钢桩长为29.5米。水泥土水泥掺量25%，qu28≧1.0mpa。
4.1.2 进出洞加固
顶管进出洞加固采用φ850三轴搅拌桩加固施工，加固区域面积为20.5*4m，搅拌桩为顶管上3m至顶管地下4m（接收井为顶管地下3m）。始发井出洞围护采用φ850SMW工法桩施工，700*300*12*24H型钢密插，型钢桩长为29.5m。水泥土水泥掺量25％，qu28≥1.0mpa。接收井出洞围护采用D=800厚地下连续墙，墙深27.3m。
4.2 长距离、大纵坡顶进情况下后座、千斤顶与轨道安装控制要点
4.2.1 后座与千斤顶安装
后座与千斤顶的安装坡度直接影响顶力的作用方向，对顶管出洞、管节的受力和顶管出洞初期的纠偏效果影响很大，为了减小顶力在垂直于顶进轴线方向的损失，本工程在后座与千斤顶的安装过程中使得后座千斤顶作用面与顶进轴线方向垂直，千斤顶轴线与顶进轴线方向平行。
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图4 后靠、千斤顶及机架安装
4.2.2 轨道安装
对于平坡顶管和小坡度顶管工程，轨道安装通常采用水平方式，保证机头以水平姿态出洞，但在大坡度顶管工程中，若让机头保持水平姿态出洞，则在顶进初期轴线偏差就较大，增加了出洞初期的纠偏难度。本工程考虑以上因素决定轨道的安装坡度为8‰，既减小了大坡度出洞的风险又减小了出洞初期的纠偏难度。
4.3 长距离大坡度顶进轴线控制测量注意事项
4.3.1 复核关键位置
测量台、水平角控制线、靶盘等的位置偏差都会影响测量结果，然而在施工过程中受各种外界因素的影响这些位置都有可能发生不同程度的偏移，针对距离越长误差越容易放大的特点，本工程采用顶进过程中对以上关键位置多次复核的办法来控制误减小差值。
4.3.2 多测量多比较
随着顶进距离的加长，靶盘在经纬仪视线中的成像会逐渐减小，因此读数时估读的空间也会增大，对于长距离顶管，为了减小读数带来的误差，本工程配备多名测量员，通过多测量多比较的办法确定一个最佳读数作为最终测量结果。
4.4 淤泥质环境下大坡度顶管顶力控制方法
顶力过小会影响顶进的效率，顶力过大会对机头前方的土体造成破坏，淤泥质属软土地质极易受外界因素的影响，大坡度顶管较平坡、小坡度顶管对机头前方土体竖直方向的影响更大，为此对本工程来说顶力的确定尤为关键。在顶进过程中机头前方土体受到斜上方向的挤压都会有隆起的现象，我们根据机头前方20m范围内地面的隆起量来确定顶力大小，具体操作：每隔2-3小时测一次机头前方20m范围内监测点的高程值，并与原始高程对比，保证有一定量的隆起同时不能超过预警值，若隆起量超过预警值适当减小顶力，若隆起量不足则增大顶力。
4.5 淤泥质环境中顶管沉降、侧旋处理措施
4.5.1 沉降处理措施
由于淤泥土质承载力较小，机头和管节在正常顶进和停顶时间过长的情况下都会出现下沉，本工程采用停机打泥的方法加以解决。根据管节或机头的沉降情况确定管节或机头底部的打泥孔位，为防止注入的泥浆在顶进过程中受管节移动的干扰，在打泥前停止顶进，在打泥孔处安装单向球阀并通过浆管与打泥泵连接，打泥泵的压力控制在1.2Mpa左右，通过泥浆的压力将机头或管节往上抬，同时在打泥的过程中应注意加强对管节内打泥辐射区域的高程测量，防止出现打泥超量的问题。
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图5 打泥过程图
4.5.2 侧旋处理措施
在顶管施工过程中受土质不均、地面超载变化、顶管机体的制造误差、施工布置不合理或操作不当等因素影响都可能导致顶管机的侧向旋转。由于淤泥质土体硬度较小，刀盘转动时土体对刀盘的反作用力就较小，因此通过刀盘反转来纠正顶管机的侧向扭转的效果是不明显的，为此本工程通过单边打泥的方法加以纠正。所谓单边打泥就是只在机头或管节标高较低的一边打泥形成一个与旋转方向相反的力偶，从而纠正机头或管节的侧旋，具体的打泥方法与沉降打泥相同。
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图6 顶管侧旋示意图
5 结语
本文结合南京江东门地下人行过街通道工程实例针对淤泥质、长距离、大坡度这三个顶管施工不利条件进行了风险分析和相关技术控制措施的总结。随着顶管技术的不断推广应用，在淤泥质环境中进行长距离、大坡度顶进施工的项目可能会越来越多，本案例可为后续同类工程提供借鉴。
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