中铁隧道集团三处有限公司 广东省深圳市 518000
一、前言
随着城市化进程的快速推进，城市地铁建设进入大发展时期，地铁横通道因断面小、长度短、地表环境复杂，通常采用矩形顶管法施工。矩形顶管法施工因对地表及周边环境影响小、安全风险低、可以避开地下管线等优点而受到广泛应用，但矩形顶管法通常仅适用于淤泥、砂层、硬素状土层、全风化岩层等软土地层，在遇到上软下硬复杂地层时，顶管机易出现偏位、刀具磨损大等问题，可能造成顶管机被迫停机，严重影响顶进进度，如何实现顶管机在上软下硬地层中连续快速顶进，是目前矩形顶管法施工所面临的技术难题之一。
二、工程概况
广州市轨道交通二、八号线延长线工程施工14标段位于广州市荔湾区及海珠区，同福西站位于同福西路与洪德路交叉口，北距珠江200米，同福西站为分离式车站，分离式车站采用横通道连接，横通道采用土压平衡矩形顶管机掘进，其中3号横通道长度30.88m，通道外包尺寸为4300mm×6000mm，覆土厚度5.7m。
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图1-1 顶管通道平面布置图
3号顶管横通道洞身原设计位于 <2-1B>淤泥质土中，岩土分层及其特征如下：<1>人工填土、<2-1B>淤泥质土、<2-3>淤泥质中粗砂层、<3-1>粉细砂层、<3-2>中粗砂层、<5-2>硬塑状粉质粘土、<6>全风化泥质粉砂岩、<7>强风化泥质粉砂岩。
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3号顶管横通道地质剖面图
3号横通道顶管掘进至6.5m时，地层发生突变，顶管隧道底部侵入洞身范围约1m的岩层，岩层强度高达25Mpa，地层总体呈上软下硬状态。
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地层发生突变示意图
现场结合实际情况，组织专家论证专题会，制定地表潜孔钻破碎硬岩+袖阀管注浆加固地层等技术措施处理。顶管机在穿越上软下硬地层时，在地表利用潜孔钻对隧道范围内的下层硬岩层进行破碎，使岩层达到松散状态，满足顶管机顶进要求，然后对地表至隧道拱顶之间因潜孔钻施工造成的破碎地层进行袖阀管注浆加固，保证隧道上方地层的稳定性，使顶管机在上软下硬地层中稳定顶进。
三、技术方案
1、施工准备
对施工场地进行施工围蔽。
2、管线探槽
由测量组放线定位出探槽开挖位置，人工开挖探槽沿顶管机掘进方向，在顶管隧道两侧开挖两条1m宽、2m深探槽管沟，探明顶管范围内的管线情况，并在现场做好标识；由测量组使用全站仪测量出管线的空间位置，并绘制电子图保存。
3、地质补勘
地质补勘取孔轴线沿顶管掘进方向设置，孔位距离隧道外边线20cm，间距2m一个。完成钻孔取岩样后，由专业人员保存、试验室测试、编写报告、报告审查，最终形成补勘报告，根据补勘报告，确定硬岩层破碎范围。
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硬岩范围地质补勘
4、潜孔钻机就位
钻孔设备采用带调平支腿的潜孔钻机，钻机就位前应对钻孔位置进行测量定位，就位后精确调平，挂垂球及用水平尺检查钻杆垂直度，确保钻机各支腿稳固，防止钻进过程中振动影响钻孔质量。
5、潜孔钻密排钻孔破碎
采用直径150mm的潜孔钻头对隧道洞身范围内的硬岩层进行密排引孔破碎，引孔方向垂直于地面90度，深度为顶管底部以下0.8m，孔距为0.3m*0.3m。
遇管线位置时，计算好角度，斜向破碎管线下方隧道洞身范围内的硬岩层。引孔时需成排按顺序搭设，不能跳孔，防止硬岩层破碎不到位。
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潜孔钻密排引孔破碎地层
6、地层破碎效果检查
根据现场潜孔钻孔位间距偏差、垂直度偏差、深度偏差来判断地层破碎效果，偏差在±5cm以内为合格。不合格将返回潜孔钻密排钻孔破碎工序，对不合格部位进行补钻，合格后方能进行袖阀管钻孔、注浆施工。
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潜孔钻机密排引孔破碎地层
7、袖阀管钻孔、注浆
硬岩层破碎完成后，对隧道拱部至地表的破碎地层进行注浆加固，注浆采用直径42mm袖阀管，间距为0.6m×0.6m，注浆深度为地表至矩形顶管隧道拱部。
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袖阀管注浆地层加固
⑴钻机安装
钻机底座水平，机身稳固可靠。调整钻机高度，立轴对正孔位，将钻具放入孔口管内，使孔口管、立轴和钻杆在一条直线上，用罗盘、水平尺和辅助线检测立轴方向和倾斜角度。
⑵钻孔护壁
为防止钻进过程中砂层塌孔，钻进时采用φ108mm套管护孔，待孔内注入套壳料并下袖阀管后再将φ108mm套管提出孔外。
⑶安装袖阀管
1）钻孔至设计深度并采用清水洗孔后，立即将套壳料通过钻杆泵送至孔底，自下而上灌注套壳料至孔口溢出符合比重要求的原浆液为止。
2）依次下入按注浆段配备的袖阀花管和芯管，下管时及时向管内加入清水，克服孔内浮力，顺畅下入至孔底。
⑷灌入套壳料
套壳料采用粘土和水泥配制，配比范围为水泥：粘土：水=1：1.5：1.88，浆液比重约为1.5，粘度24～26s。施工时应通过多组室内及现场试验，选取最佳配比。套壳料凝固时间和强度增长速率应控制在2～5天内可灌浆。
套壳料用量（m3）=1.3×π×R（钻孔半径2-袖阀管半径2）×H（注浆段高度）。
套壳料浇筑方法：成孔后将钻杆下至孔底，用泥浆泵将拌好的套壳料经钻杆注入孔内注浆段。
⑸固管止浆
在袖阀管外花管与孔壁之间的环状间隙处下入注浆管，在孔口上部2m孔段压入止浆固管料，直至孔口返浓浆为止。止浆固管料采用速凝水泥浆，水：水泥=1：1.5，。可采用水玻璃做速凝剂。
⑹待凝
要待孔口段止浆料凝固后才能灌浆，待凝时间控制在2～5天以内。
⑺开环注浆
1）开环：灌浆前，使用稀浆（或清水）加压开环，开环压力为0.35MPa左右，具体数值根据现场试验调整。在加压过程中，一旦出现压力突降，进浆量剧增，表示已经“开环”。开环后即可按照设计配比开始注浆。
2）注浆：采用双栓塞芯管进行注浆，注浆材料采用P.042.5普通硅酸盐水泥浆，从孔底自下而上进行，采取分段式注浆，每排孔眼作为一个注浆段，长度为50cm。注浆时按先注入稀浆再注入浓浆的原则逐渐调整水灰比，注浆压力为0.4～0.8MPa，并由下而上逐渐减小，视具体情况分别采用或适当调整。
3）注浆次序：每次都必须跳开一个孔进行注浆，以防止发生窜浆现象。
⑻注浆结束标准
当注浆压力≧1.0MPa，吸浆量<2.5L/min，稳定时间25分钟后即可终止注浆。
8、注浆效果检查
注浆结束7天后对注浆处理效果进行质量检查，检查的方法采用钻孔注水法，合格标准要求应满足设计灌后渗透系数。不合格将返回袖阀管钻孔、注浆工序，合格后方能进行顶管机掘进施工。
9、顶管机掘进
正常掘进前应进行试验性掘进，掘进时应对掌子面土压力、出土量、减阻泥浆注入量、土体改良剂的配制参数等顶管施工参数详细收集，正常掘进参照试验段取得的参数进行调整施工。顶管机正常施工时，应遵守以下控制要点：
⑴应严格控制顶进轴线方向，顶进轴线偏差控制要求：高程±50mm；水平：±50mm。在顶管机前方节、后方节及第一节管节四周布置定位贴片，采用全站仪定时测量顶管机及后方管节姿态，若出现每顶进0.5米偏差超过10mm时，必须对进行纠偏，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。纠偏通过前后节间安装的10组千斤顶来实现的，上下各三组，左右各两组，当顶管机刀盘位置左偏时，启动左、上、下三向纠偏千斤顶实现纠偏。
⑵应确保顶管机与前方掌子面一直有一定的土压力，在顶进一环管片，撤回油缸前，必须确保止退装置安装牢固，才能够撤回油缸。管片安装完毕、各种接通管路后，应先启动油缸，给管片及顶管机一定的压力并稳定后，才能撤下止退装置，然后正常顶进。
⑶应合理控制顶进速度，保证连续均衡施工，避免出现长时间搁置情况；不断根据反馈数据进行土压力设定值调整，使之达到最佳状态；严格控制出土量，防止欠挖或超挖。
⑷应密切注意机头的转角，机头一旦出现微小转角，应立即采取刀盘反转、反侧注泥、加压铁等措施回纠。
⑸应严格对地表沉降进行监控量测，一旦发生沉降，立即采取补浆、注泥等措施修正，顶进结束后进行二次补泥。
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顶管掘进施工
四、施工总结
广州地铁八号线同福西站顶管机穿越上软下硬复杂地层段，通过采用地表潜孔钻破碎硬岩+袖阀管注浆加固地层等技术措施，有效解决了在上软下硬地层施工中顶管机偏位、刀具磨损量大、顶进速度慢等施工难题，保证了顶管机在上软下硬复杂地层段顺利顶进，同时该处理技术施工占用场地小，投入设备少，操作简单、过程可控、施工速度快、安全度高且环保不扰民，较常规处理技术大大缩短了工期，节约了成本，有较为广泛的适应性。
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7同福西3号矩形顶管通道贯通及运行后整体效果