李宏伟
中铁一局集团城市轨道交通工程有限公司 214000
摘要：顶管机进出洞是顶管施工的关键工序，直接决定顶管施工成功与否。以武汉市轨道交通5号线杨园站1号出入口矩形顶管施工为研究背景，介绍了砂性土层条件下矩形顶管进出洞施工技术研究。从顶管机选型、进出洞存在的风险、进出洞施工的准备工作、顶进中注意事项、顶管出洞工后处理等方面详细阐述砂性土层条件下顶管进出洞施工技术措施。该顶管进出洞施工对周边环境影响较小，施工效果较好。
关键词：矩形顶管机；砂性土层；进出洞；防磕头；防水土流失；
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引言
土压平衡矩形顶管施工技术是一种非开挖隧道施工技术。其中顶管进出洞技术是顶管施工的关键技术，决定着顶管施工的成败。尤其是在砂性土层中顶进时，若处理不当会向工作井内涌水涌砂，导致洞门外土体塌陷。本文以武汉市轨道交通5号线杨园站1号出入口矩形顶管施工为依托，详细介绍砂性土层条件下矩形顶管进出洞施工技术措施。
1.工程概况
武汉轨道交通5号线杨园站，位于武昌区和平大道。其中1号出入口下穿和平大道及高架，采用矩形顶管法施工，断面尺寸为6.9m×4.9m，净尺寸为6.0m×4.0m，顶进长度为28.05m，坡度为2.1%上坡，顶管覆土厚度约为5.73m。
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图1：工程平面示意图
2.工程地质条件
杨园站顶管掘进范围内主要穿越的地层为（3-2）粉质黏土层、（3-5）粉砂、粉土、粉质粘土互层、（4-2）粉细砂层。其中（3-2）粉质黏土层属于中等偏高压缩性土；（3-5）粉砂、粉土、粉质粘土互层中，粉质黏土呈软塑状态，局部少许呈流塑状态，粉砂层呈松散状态、粉土呈中密状态，粉质黏土、粉土、粉砂呈互层状分布，属于中等偏高压缩性土。
（4-2）粉细砂层，为中密状态。砂质较均匀，含云母片、长石、石英等矿物。属于中等偏低压缩性土。
另外，（3-5）粉砂、粉土、粉质粘土互层及（4-2）粉细砂层为承压含水层，水位埋深为6.0~7.0m。
具体参数详见表2.1：
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3.顶管施工设备选型
根据周边环境及地层情况，顶管施工设备选型为6.9m×4.9m土压平衡式矩形顶管机，该设备具有以下特点。
（1）刀盘系统采用6个刀盘，3前3后布置，最大限度地提高刀盘切削率和搅拌率的范围，以满足穿越加固区及砂性土层的施工要求。
（2）驱动系统由6个驱动单元组成，每个驱动单元电机功率为90kW，总功率为540kW；
（3）主轴密封系统由5道密封组成；铰接密封由3道密封组成；
（4）壳体系统上设置导流板、注浆孔、压泥孔，胸板上设置土体改良孔、观测孔；
（5）主顶系统由18个200t油缸组成，满足顶进施工要求。
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图2：DG6900×4900mm土压平衡矩形顶管机
4.顶管进出洞存在的风险分析
4.1顶管始发出洞存在的风险分析
（1）洞口土体加固不当
如果洞口土体加固强度较低或未加固，可能导致洞口水土流失，造成洞口周围地面坍塌；若加固强度过高，可能导致机头刀盘切削困难，引起机械故障；
（2）机头“磕头”
顶管机出加固区后，可能出现“磕头”的现象，导致地面大幅度沉降；
（3）螺旋机堵塞
出洞阶段顶进速度过快，对切削的加固体搅拌不均，导致螺旋机堵塞；
（4）地面变形较大
出土量和顶进速度不匹配，未建立起正面土压平衡，导致地面沉降或隆起；
（5）机头及管节后退
出洞阶段，顶进距离较短，周边摩阻力较小，正面土压力较大的情况下，可能会引起顶管机及管节后退的风险；
4.2顶管接收进洞存在的风险分析
除洞口加固不当、螺旋机堵塞、地面变形大等风险之外，还存在以下风险：
（1）无法进洞
由于顶管顶进中姿态偏差较大而无法进洞；
（2）进洞时流砂
如果接收洞口土体加固强度较低或未加固，可能导致洞口大量土体及地下水流入接收井内，造成洞口周围大面积坍塌。
5.顶管始发出洞技术措施
顶管穿越第（3-5）、（4-2）层承压含水层，承压水水位较高，顶管出洞时，往始发井内涌水涌砂的风险非常大。因此，顶管始发出洞，是顶管施工的关键环节，出洞顺利与否关系到顶管施工的成败。针对顶管出洞采取如下措施。
5.1始发出洞准备阶段
（1）出洞口加固
洞口加固是为了提高洞口土体的自立性，避免洞门凿除后洞口正前方的土体及地下水流入井内，造成地面塌陷。
顶管始发井洞口加固采用?800@600三重管高压旋喷桩，顶管隧道左右各4m、上部4m、下部3m为强加固，加固纵向长度为4m，宽度为14.9m，深度为13.56m。加固后的无侧限抗压强度为1.0MPa，渗透系数≤1.0×10-7/ cm/s。
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图4：出洞口加固剖面示意图
（2）出洞口降水
由于顶管穿越承压含水层（3-5）粉砂、粉土、粉质黏土互层、（4-2）粉砂层。为避免洞门凿除时，向工作井内涌水涌砂的风险。在洞口设置4口降水井，井深22m。在顶管出洞前，需将承压含水层水位降至顶管底以下1.0m。
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图5：出洞口降水井平面示意图
（3）洞口止水装置安装
出洞洞口止水装置的安装是隧道顶进施工重要的工序之一。由于洞圈与管节间存在一定的建筑空隙，为防止顶管机出洞及正常顶进过程中水土从该空隙中流失，施工前在洞圈上安装箱体式帘布橡胶板。安装顺序为：安装第一道帘布橡胶板→分段安装外挂箱体和第一道翻板→第二道帘布板→安装第二道压板及翻板。。
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图6：洞口止水装置安装剖面示意图及施工照片
（4）导向及限位装置
一般洞口钢环底面与始发架导轨顶面之间存在约15cm的高差，为保证顶管按照设计轴线顶进施工，出洞时减小高程及水平偏差。
顶管始发出洞之前，在洞口钢环底部设置2个导向装置，左右两侧各设置1个限位装置。其材料采用钢结构，宽度25cm，长度约2m。
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图7：洞口导向装置横、纵断面示意图
（5）洞口打设水平探孔
洞圈范围内的围护墙凿除前，需打设水平探孔，探孔深度一般不小于2m。根据取芯样本判断洞口加固情况，若加固土体的自立性较差，则需补强加固。
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图8：洞口水平探孔布置示意图
（6）洞口凿除
洞口取芯满足要求，顶管机下井组装调试完成后，进行洞门凿除。
洞门分三次进行凿除，首先使用风镐将洞门内围护墙的混凝土保护层（约5cm）凿除，然后割除内排钢筋，再粉碎性凿除槽壁65cm，最后凿除剩余的10cm混凝土、割除外排钢筋。洞门凿除顺序：由上至下；钢筋割除顺序：由下至上。
（7）止退装置安装
由于顶管在管节安装过程中，后部所有顶进千斤顶均要缩回，机头刚出洞阶段，缺少管节摩阻力，顶管机及管节在切口土压力作用下容易后退，必须在顶管出洞前安装止退装置，防止机头及管节后退造成的地面沉降。
5.2出洞顶进施工阶段
（1）洞圈内空隙填充
当顶管机后置刀盘靠上加固区，可采用顶管机前壳体上的压浆孔，向洞圈内空隙压入膨润土泥浆。同时，利用洞口止水装置箱体上的压浆孔，注入油脂，油脂压注要均匀、密实，确保洞圈密封防水效果。
（2）土压力设定
① 机头后置刀盘靠上加固区后，通过顶管机胸板上的注浆孔，向土仓内压注膨润土，建立正面土压力。土压力按理论值的60%~80%设定，根据推力、刀盘扭矩、沉降报表等其他参数调整。
② 机头刀盘距出加固区约1.0m，完全建立理论土压力。
③ 顶管机出加固区后，为防止机头 “磕头”，将正面土压力值设定略高于理论值，并根据地表监测数据、工况条件等及时调整正面土压力值。
（3）出土量控制
顶进中严格控制出土量，严禁欠挖和超挖。本工程理论出土量约51m3/节，实际出土量控制在理论方量的98%～100%。
（4）顶进速度控制
穿越加固区时，顶管顶进速度宜控制在0~5mm/min，确保顶管顶进压力以及刀盘扭矩不至于太大而影响顶管机性能，保证顶管出洞安全。穿越后，顶进速度宜控制在1.5～2.0cm/min之间。
（5）土体改良措施
穿越加固区时，利用机头胸板及刀盘上的注浆孔，在顶管机头正面注入泡沫剂、水或膨润土浆液，以改良正面土体，使改良后的土体具有流塑性、保水性，便于螺旋机出土顺畅。
（6）顶管机防“磕头”措施
顶管机刀盘出加固区之前，前五节管节用钢板进行纵向刚性连接，并同时提高推进速度及正面土压力。防止顶管机出加固区“磕头”。避免造成顶管机与后续管节脱节、地面塌陷、姿态失控等现象。
（7）顶进过程中加强地面监测。
6.顶管接收进洞技术措施
顶管穿越的土层为粉土、粉砂层，且为承压含水层，水位较高，顶管进洞时，需采取相应措施，降低往接收井内涌水涌砂的风险，保证顶管顺利接收进洞。
6.1接收进洞准备阶段
（1）进洞口加固及降水
接收进洞口加固采用?800@600三重管高压旋喷，洞口降水井设置4口。洞口加固及降水与始发出洞相类似。
（2）洞口止水装置安装
顶管在砂性土层中顶进，为确保顺利进洞，在进洞口设置特殊的止水装置。该止水装置为两道环形钢板+海绵的形式。环形钢板的宽度为25cm，厚度为6mm，环形钢板之间设置三角撑，并加塞海绵。顶管进洞时，起到挡水挡砂的作用。
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图9：顶管进洞止水装置大样图
（3）导向装置及接收架安装
为确保顺利接收，首先复核接收洞门的标高，确认顶管机实际进洞姿态，再设置导向装置及顶管机接收架。在接收洞口底部设置两道导向装置，导向装置低于机头底部5mm，接收架低于导向装置5mm。
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图10：洞口导向装置及接收架纵断面示意图
（4）洞口打设水平探孔
洞圈范围内的围护墙凿除前，需打设水平探孔，探孔深度一般不小于2m。根据取芯情况判断洞口加固土体的自立性。洞圈范围内设置9个水平探孔，采用米字型布置。
6.2顶管进洞段施工措施
（1）停止压浆、形成土塞
在顶管机到达距接收井6m时，开始停止第一节管节的压浆，并在以后顶进中压浆位置逐渐后移，保证顶管机进洞前形成完好的6m左右的土塞，避免减摩泥浆流失，周边摩阻力增大。
（2）减小正面土压力
当机头刀尖进入洞口加固区域时，逐渐减小正面土压力，减慢顶进速度，调整出土量，确保每节管节出土量略多于理论出土量（51m3）。
（3）降低顶进速度
在顶管机顶进至加固区域后，应降低顶进速度（顶进速度控制在0.5-1cm/min），同时再次调低正面土压力，并适当向土仓内注高分子水或浆液，润滑切削面，使切削土呈流塑性，便于出土。
（4）洞口凿除前测量复核
洞口围护墙凿除前，必须复核洞门中心坐标及高程，满足机头进洞要求。
（5）进洞洞门凿除
当顶管机逐渐靠近洞门时，要在洞圈内围护墙上打设观察孔，加强对其变形和土体的观测，并控制好推进时平衡压力值。以确保混凝土洞门凿除的施工安全。
6.3顶管机进洞后施工措施
（1）封堵洞门
顶管机头进入接收井后，始发及接收端，立即用钢板将管节上预留的钢环与钢洞圈进行焊接，要求必须满焊，所有焊缝需饱满。
（2）浆液置换
洞门封堵完成后，利用管节上的1寸孔，注入新型可硬性浆液，与管节外壁的触壁泥浆融合，实现浆液固化，从而提高通道整体性及稳定性。减小工后沉降。
（3）管节间的嵌缝
顶管施工结束后，管节间的缝隙采用双组分聚硫密封膏填充。
（4）井接头制作
顶管隧道始发及接收端各1个井接头。顶管浆液置换及管节嵌缝完成后，及时进行井接头制作。
7.结论
顶管进出洞是顶管施工的关键环节，决定顶管施工的成败。尤其顶管穿越砂性土层，在承压含水层中顶进时，顶管进出洞风险特别大。本文以武汉市轨道交通5号线杨园站1号出入口矩形顶管施工为研究背景，详细介绍了顶管进出洞存在的风险、施工的准备工作、顶进中注意事项、出洞工后处理等方面详细阐述砂性土层条件下顶管进出洞施工技术措施。具有一定的借鉴意义。
参考文献：
[1] 葛金科、沈水龙、许烨霜.现代顶管施工技术及工程实例.中国建筑工业出版社，2009
[2] 葛春辉.顶管工程设计与施工.中国建筑工业出版社，2012
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