【摘 要】矩形顶管技术在国内的使用始于上世纪90年代中期的江浙沿海城市。武汉地铁2号线青年路站过街通道的施工是武汉地区矩形顶管技术的首次成功尝试。本文通过笔者的施工实践，主要介绍了土压平衡式矩形顶管的施工原理、工艺流程及关键控制技术，以期对今后类似工程提供参考借鉴。
【关键词】矩形顶管；下穿通道；施工
0.序言
近年来，随着城市轨道交通的发展，大断面矩形顶管掘进技术得到大力的推广。以往城市过街通道一直采用传统的明挖法或矿山法施工，其优点是工法成熟、风险小、纯土建造价较低，但由于城市道路交通繁忙，地下管线复杂，且矿山法施工易造成地面沉降或隆起，因此难度大、费用高，对环境的综合影响大。在软土地区采用矩形顶管施工过街通道具有相当大的优势，其不需搬迁地下管线，不影响交通运行，且施工无噪音，地面沉降及管线变形可得到有效控制。
矩形顶管法是上世纪70年代末由日本最先研发并使用，上世纪90年代中期在江浙沿海地区开始推广应用，其断面尺寸由2.5m×2.5m的小断面发展到现在的6m×4m大断面，施工技术也日趋成熟。本文以武汉地铁2号线青年路站IV出入口过街通道为实例，主要介绍了矩形顶管施工原理、工艺流程及关键控制技术，以期为今后类似工程的施工提供参考。
1.武汉地铁矩形顶管施工实例
1.1工程概况
武汉地铁2号线青年路站位于青年路与建设大道交岔口，车站IV出入口过街人行通道下穿青年路，通道总长62.4m，其上部分别有青年路高架桥、2-7×2.7m的排水箱涵、电力线、煤气、供水等大量管线，采用明挖法或暗挖法施工现场条件都不允许，因而设计采用矩形顶管法施工。
顶管始发井位于青年路东侧，接收井位于青年路西侧车站主体结构外（见图1），顶管自东往西按坡度+3‰推进，采用4m×6m偏心多轴土压平衡式矩形顶管施工，设计共有管节41节，其中标准节40节，长1.5m，单节重约33.7t，特殊节1节。管节两端分别预埋钢套环和钢环，管节内还预留对称压浆孔、起吊孔及翻身孔。管节接口全部采用“F”型承插式，接缝防水装置采用锯齿型氯丁橡胶止水圈和双组分聚硫密封膏。
图1 施工平面及管线布置图
1.2地质情况
本工程顶管覆土约为5.9m，主要在粘土和淤泥质粉质粘土中顶进，顶管以上土层分别为杂填土、素填土、淤泥。场地内地下水有上层滞水、孔隙承压水和基岩裂隙水三种类型。上层滞水主要赋存于人工填土层，据勘察报告显示，勘察期间测得其初见水位埋深为1.0～3.8m，稳定水位埋深为1.6～4.5m。孔隙承压水为赋存于第四系全新统冲积粉质粘土、粉土、粉砂互层土及砂卵石层中承压水，汉口地区长江I级阶地承压水测压水位标高最高为20.0m，承压水头标高年变化幅度在3.0～4.0m之间。
2.矩形顶管结构及功能
矩形顶管的主要结构包括掘进机头、刀盘装置、纠偏装置、螺旋出土机、主顶装置、动力装置、压浆系统、电气控制系统及监测系统。
2.1切削刀及刀具
偏心多轴刀盘共有2个（2.5m×3.5m），位于顶管机的最前端，置于前段壳体外，与刀盘驱动装置的轴承支座用高强度螺栓连接，刀盘装置包括：正面刀具、周边刀具、长搅拌棒、短搅拌棒、刀盘盘体。
正面刀具作为主要切削装置位于最前方，采用十字形结构，它通过偏心曲轴与推进油缸的旋转驱动、顶进进行土体切削。周边刀具作为辅助切削装置位于刀盘的四周侧面上，它通过刀盘盘体作为偏心旋转的作用，将正面刀具切削过程中未能切削掉的土体进行补充切削。长搅拌棒、短搅拌棒作为辅助实施位于刀盘盘体的最后方，它通过刀盘盘体作为偏心旋转的作用，对刀具切削的土体进行搅碎和搅拌土体，以便于螺旋机出土。刀盘盘体作为偏心旋转的主体，在偏心驱动轴的旋转和推进油缸的顶进作用下，进行偏心平面运动和朝前移动，带动正面刀具和周边刀具切削土体，带动后面的长短搅拌棒进行切削土的搅碎和搅拌。
2.2刀盘驱动
刀盘驱动采用了偏心多轴的驱动方式，利用平行双曲柄机构的运动原理，由四组偏心曲轴组成的驱动装置同时驱动刀盘，刀盘上的每把刀具绕着以各自的支撑圆心点与曲轴回转支撑点之间的距离为半径作平面圆周运动，以达到全断面切削的目的。在同一刀盘上的四根曲轴全部采用动力驱动，四根曲轴同时向同一方向旋转，以保证刀盘作平面圆周运动切削土体。动力驱动装置采用高速油马达、减速器和一级齿轮驱动，共两组8个驱动装置，刀盘转速为0～3r/min，刀盘驱动总功率为264kW。
2.3螺旋输送机
螺旋输送机在土压平衡掘进过程中起着重要作用，它控制排土量，维持工作面正确土压，以控制地面沉降。螺旋输送机的功能是将土仓内已开挖的土排出，其入口位于顶管土仓隔板的底部，前端槽体为前壳体的一部分，其内壁堆焊耐磨硬质合金，后端用法兰与中段槽体连接，螺杆由空心轴和螺旋叶片组成，螺旋叶片绕制在空心轴上，螺杆上部由三排圆柱滚子组合转盘轴支承，采用液压马达驱动，在螺旋输送机上可以装设出土闸门，出土闸门由两只液压油缸控制。由于顶管机的横断截面为4m×6m，为达到更好的出土性能，采用两个螺旋机（左右旋各一）同时出土。每只螺旋机的最大出土量为42m3/h，转速为0～15r/min。
2.4纠偏装置
4m×6m偏心多轴矩形顶管机分成前后两段，中间由12台纠偏油缸联接。前后段之间的密封采用三道唇形橡胶密封圈。根据轴线偏差方位以及偏差量，对纠偏油缸进行编组及控制油缸伸缩量，使前、后壳体形成一夹角，从而改变机头方向，以达到纠偏目的。纠偏角度为左右±1.1°，上下±1.7°。
2.5主顶进装置
主顶进装置由12台油缸及U形顶铁、顶环、垫铁、底架、钢后靠等组成。12台油缸分成两组，呈对称分布，并用分体式结构的支座固定，由于矩形顶管机底部的摩阻力比较大，所以在主顶进装置的下部对称布置有4台油缸，以增加下部的顶进力，油缸的工作行程为3500mm。每台油缸可单独控制，也可编组工作，额定总推力为20000kN，最大推力24000kN。 3.矩形顶管工艺流程
4m×6m偏心多轴土压平衡式矩形顶管采用两个单独的刀盘切割土体，并支撑开挖面土体，有效防止正面土体倒坍。整个控制系统以土压平衡为工作原理，刀盘切削下来的泥土进入土压仓，调整螺旋机的转速及顶进速度来控制出土量，使土仓的土压力值稳定在所设定的压力值范围内，与开挖面土压力取得平衡，螺旋机连续出土，机头掘进形成的断面由不断顶进的矩形管节组成矩形隧道。具体工艺流程详见图2。
图2 矩形顶管工艺流程图
4.技术参数的控制
4.1正面土压力的设定
土压平衡式掘进机土仓内的压力设定值是根据掘进机正面土压力计算值而确定的。开挖面土压力采用Rankine压力理论进行计算：P=K0γZ；其中P：管道顶部或底部的侧向土压力（MPa）；K0：软粘土的侧向系数；γ：土的容重（kN/m3）；Z：覆土深度（m）。此数据为理论计算值，作为土压力的最初设定值。在顶管出洞进入原状土后，通过出土量、顶进速度、路面和管线隆沉等监测数据，适时调整土压力的设定值。
4.2主顶力的计算
矩形顶管的主顶力随顶进距离的增加而增大，主顶力的增大应该是缓慢的，而不允许有突变。主顶力R估算由掘进机前端的迎面阻力N和注入触变泥浆的管壁外周摩阻力F组成，其公式表示为：R=N+ F=S×Pt+f×L×l。其中S： 机头截面积，m2；Pt： 机头底部以上1/3高度处的被动土压力，kN/m2；Pt=γ（H+2D/3）tg2（45°+∮/2）；γ：土的容重，kN/m3；H：管顶土层厚度，m；D： 顶管掘进机高度，m；∮：土的内摩擦角，度；f： 采用注浆工艺的摩阻系数，可通过实际试验确定，其值一般取f=4～6kN/m2；L： 机头或管节周长，m；l： 顶进长度，m。
4.3出土量控制
在顶进过程中，应尽可能精确地统计出每节管节的实际出土量，使之与理论出土量保持一致，以保证正面土体的相对稳定，减小地面隆沉量。
4.4顶进速度控制
顶管推进速度是保证切口土压力稳定、螺旋机出土量均匀的主要手段。所以在顶进时，应不断调整顶进速度、正面土压力、出土量三者的最佳匹配值，确保顶管以最佳的状态工作。
5.矩形顶管进、出洞技术
5.1顶管出洞段施工
顶管机顶出洞圈至顶管机切口距工作井6m范围为出洞段。顶管的出洞过程即为搅拌桩内拔除H型钢和顶管机头经过出洞段加固区并进入原状土体的过程。
在洞圈内的H型钢全部拔除后，应立即开始顶进机头，由于正面为全断面的水泥土，为保护刀盘，顶进速度应放慢。另外若出现螺旋机出土困难，必要时可加入适量清水来软化或润滑水泥土。顶管机进入原状土后，为防止机头“磕头”，拉紧机头和前三节管节之间的拉杆螺丝，同时适当提高顶进速度，使正面土压力稍大于理论计算值，以减少对正面土体的扰动及出现地面沉降。
5.2顶管进洞段施工
本工程接收井围护为SMW工法桩围护，H型钢拔除后，为了防机头进洞时洞内土体的塌方，在接收井洞门内预先浇注20～30cm厚的钢筋混凝土挡墙，作为接收井的封门形式。顶管机进洞时除了要拔除H型钢，还要凿除混凝土挡墙。
（1）顶管到达距接收井6m后，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，保证顶管进洞前形成完好的6m左右的土塞。
（2）在顶管机切口进入接收井洞口加固区域时，应适当减慢顶进速度，调整出土量，逐渐减小机头正面土压力，以确保顶管机设备完好和洞口结构稳定。
（3）顶管机切口距接收井H型钢50cm左右时，顶管机暂停顶进，等待H型钢的拔出。H型钢拔除后，顶管机继续推进，缓缓地靠上临时砼封门。当主顶压力突然升高，立即停止推进，等待临时砼封门的凿除。
（4）当临时砼封门凿除完毕后，应立即进行推进，将顶管机头部分推进至接收井内，随即拆卸连接顶管机前后两段的全部螺栓，用300T吊车将顶管机头前段吊出接收井；然后将后段机头推进到位，并将后段机头与管节脱开，进行后段机头的吊装。
6.矩形顶管正常段施工
6.1顶进轴线的控制
矩形顶管在正常段顶进施工中，必须密切注意顶进轴线和转角的控制。矩形顶管分成前后两段，中间由几组纠偏油缸连接。根据轴线偏差方位以及偏差量，对纠偏油缸进行编组及控制油缸伸缩量，使前后壳体形成一夹角，从而改变机头方向，以达到纠偏目的。
（1）平面控制。通过主顶油缸编组控制；通过执行相应纠偏油缸的伸缩进行控制；通过调整掘进机和前三节管节依次连接的拉杆螺栓的松紧度来控制。（2）高程控制。和平面控制一样，高程控制一般通过主顶油缸的编组，纠偏油缸的编组和拉杆螺栓的松紧度进行控制。（3）转角控制。机头一旦出现微小转角，应立即采取加压铁等措施回纠。
6.2止退装置的使用
由于矩形顶管的断面较大，前端阻力很大，即便管节顶进了较长里程，每次拼装管节或加垫块时，主顶油缸一回缩，机头和管节仍会一起后退20～30cm，说明机头受到后推力很大。当顶管和管节往后退时，机头和前方土体间的土压平衡受到破坏，土体面得不到稳定的支撑，易引起机头前方土体坍塌。若不采取一定的止退措施，路面和管线的沉降量将难以得到控制。施工中可在前基座上安装一套止退装置，当加垫块或拼装管节时，在主顶油缸回缩之前，用止退装置将管节和机头稳住。
6.3减摩技术的控制
顶进施工中，减阻泥浆的应用是减少顶进阻力的重要措施。顶进时，在管道外壁压注触变泥浆，在管道四周形成一圈泥浆套以减少土体同壳体的摩擦力，防止背土现象的发生，从而达到理想的减摩效果。
采用泥浆搅拌机进行制浆，按配比表（见表1）配制泥浆，纯碱和CMC应预先化开（CMC可以边搅拌边添加），再加入膨润土搅拌20分钟，最后加入乳化油搅拌10分钟左右，泥浆要充分搅拌均匀。泥浆拌好后，应在储浆箱内放置一定的时间才能使用。压浆泵将泥浆压至管道内的总管，然后经压浆孔压至管壁外。注浆压力控制在0.05MPa左右。 表1 触变泥浆配合比（kg/m3）
7.地面沉降控制
7.1沉降控制要求
矩形顶管在穿越道路和地下管线过程中，必须严格控制地面和管线隆沉量在规定的范围内。顶进过程中应合理控制顶进速度，一般控制在15mm/min左右，连续均衡施工，避免出现长时间搁置情况；严格控制出土量，防止欠挖或超挖；严格控制顶进的纠偏量，尽量减少对正面土体的扰动；在穿越过程中必须持续、均匀压浆，保证通道上部土体的稳定。
7.2顶进过程中的箱涵保护
本工程矩形顶管下穿的排水箱涵为砖混结构，每孔净空6.8m宽×2.7m高，涵洞底板、盖板为钢筋砼，底板厚度不详，涵内水深0.6m。自始发井内壁开始计算，则顶进至39.8m时刀盘切口到达箱涵前井壁，顶进至58.6m时盾尾离开箱涵，机头与箱涵投影重叠长度为18.8m，箱涵与顶管之间的垂直净距为1.6m。由于过水箱涵断面大，汛期水位高，与矩形顶管相交距离长，垂直间距小，再加上其建造年代久远，运营时间长，无法掌握其破损情况及稳定状态，因此顶管顶进过程中对其的保护难度极大，为确保箱涵结构的安全，在施工前采取以下加固措施：
（1）在箱涵前端1.5m位置设置两排泄压孔。泄压孔直径600mm，中心间距1m，深度5m，设置在顶进轴线两侧各5m范围。泄压孔采用小型钻机施工，成孔后孔内灌水至地面标高。当顶进压力过大时，可避免压力直接作用到箱涵上。
（2）在箱涵的前端、中部和后端各设置1排直接监测点，顶进时根据箱涵沉降情况及时调整顶进参数。
7.3施工监测
施工过程中的监测主要有两个方面的内容，即顶管机姿态监测以及地面及管线沉降监测，顶管机姿态监测主要通过设置于始发井内的观测台进行观测，监测过程中发现偏位应及时采取纠编措施；对地面及管线沉降监测则通过埋设的沉降观测点进行监测。
8.矩形顶管接缝防水技术
本工程过街通道常年处于地下水位线以下，加之整个通道全部由1.5m一节的管节拼接而成，拼接位置的渗漏处理关系到整个通道的防水效果及以后的正常使用功能，施工过程中对关键部位采取了一系处理措施，具体如下：
（1）提高预制混凝土管片自身的抗渗性。
（2）管节接口的接缝防水装置采用锯齿型氯丁橡胶止水圈，要求橡胶止水圈安装牢固，在进行管线拼接时不得错位。
（3）管节壁外注浆防水。在顶管机吊出接收井后，马上用砖头砌墙，将两头洞门与管节间的间隙封堵。注入双液浆（水泥与水玻璃），置换出触变泥浆，对管节外的土体进行加固。
（4）嵌缝密封防水。管节间的缝隙采用双组分聚硫密封膏填充，防止带入气泡而影响强度和水密性。
9.结束语
矩形顶管掘进技术在软土地质条件的城市下穿通道施工中所具备的优势是显而易见的，且对周边环境影响小、施工速度快。本例武汉地铁2号线青年路站过街通道顶管施工从设备安装完成正式顶进到整个通道施工完成，全部工作仅用了18天时间，平均每天的顶进速度可达到4.5～6m。
通过施工中对各关键工序的严格控制，整个顶进过程中地面最大沉降仅为3cm，确保了管线的安全，尤其是攻克了矩形顶管穿越浅层大型排水箱涵这个重大技术难关，确保了整个掘进过程的安全顺利，为今后类似大断面矩形顶管的施工提供了可靠的参考依据。