广东省基础工程集团有限公司
摘要：文章通过具体施工实例，介绍了泥水平衡式矩形顶管特点及在地铁通道顶进过程中主要工序施工及质量控制措施，供同类工程参考。
关键词：矩形顶管；泥水平衡；顶进施工；注浆；沉降；控制
前言
和圆形顶管相比，采用矩形顶管施工时，其所应用的顶管机切削、纠偏、动力等方面性能要求更高，还需考虑顶管机进出洞作业、管节防水、如何保证顶进作业面前方土体平衡等问题。
文章通过广州地铁五号线某过街地通道施工实践，对泥水平衡式矩形顶管及其构造、性能、施工主要工序、质量控制等内容进行深入探讨，以期与广大同行共同研究，提高施工水平。
1工程概况
本工程拟建的通道位于广州地铁五号线科韵路站北端，横穿黄埔大道，黄埔大道为双向八车道的市政主干道，周围无重要多层建筑物和办公楼。通道采用泥水平衡式矩形顶管法施工，一次顶进长度为42m，通道截面的外包尺寸6m×4.3m（宽度为6m，高度为4.3m），通道覆土深度为3.9m。穿越的地层主要为淤泥质土、粉质粘土。
2泥水平衡式矩形顶管机
在淤泥质土、粉质粘土采用泥水平衡式顶管施工，可有效保证平衡地下土压力和开挖面平衡，顺利进行顶管作业。在上述土质条件下进行作业时，所采用的顶管机，其功能应具有以下特点：可以全断面进行切削土体、泥水循环范围大、姿态控制等。（见图1）
2．1泥水循环范围大
采用泥水平衡式矩形顶管机进行作业时，因其断面比较大，顶进施工期间所切削的泥土，必须经过处理成泥浆后，再通过排浆管排走，所以其泥水循环范围应比较大。位于顶管机身下部和上部均安设两组进排浆管道，各组管道均附有相应控制功能，可进行各管道内的进排浆循环，也可以进行多组管道组同时工作，形成沿整截面大循环的多种泥浆循环模式，把切削出的泥土与泥浆即时混合，并参与循环。
2．2全断面切削
泥水平衡式矩形顶管机切割土体时，是通过控制其两片矩形刀盘，在曲轴带动下，以旋转方式切割土体。这种方法，在满足顶管断面模数的同时，能对整个断面进行切削，消除切削死角。
每个曲轴均由独立的电机驱动，动力大，切削能力强。为了有利于顶进施工时减阻触变泥浆套的形成，刀盘切削面尺寸比管节截面大2—5cm，管节与土体间可预留一定的空隙。
2．3机身姿态控制
顶管机分成前后两段，中间由纠偏油缸连接，前后段之间采用多层橡胶圈密封。掘进过程中可根据机体偏差方位及偏差量，对编好组的纠偏油缸进行伸缩量控制，使前、后壳体形成纠偏夹角，从而改变机头方向，达到纠偏目的。对矩形顶管机机头扭转现象，在机身两侧装有可伸缩的翼板，可通过控制翼板的伸出量及角度来实现机身纠扭，施工时也可采用两个刀盘同时正转或反转的办法进行控制。
3管节选择
确定管节构造和长度时，应考虑在满足施工需要的同时，又可满足人在上面行走的需要。管节连接部位要紧密牢固，避免出现漏水问题，保持管节段整体，防止出现较大变形；管节的预制、运输和吊装应方便。
3．1管节长度
本工程地下人行通道钢筋混凝土管节采用以下规格：高度4．3m×宽度6．0m×厚度500mm。另外，如果条件许可的话，尽量采用单根较长的管节，这样有利于加快施工进度，减小因通道内接缝而引发的漏水问题，提高防水效果。
在具体工程施工时，应根据实际施工情况，综合考虑多方因素，包括预制模具、运输条件及起吊设备等而定。本工程钢筋混凝土管节长度经综合考虑因确定为长度为1．5～2．0m。
3．2管节连接
顶管管节是在地下拼装后由后座千斤顶逐节顶紧的，当顶力卸除后管节会出现回弹的现象，因此管节接头形式十分重要，管节的连接质量关系到管节的整体刚度和防水性能。对于钢筋混凝土管节一般采用头端为“F”形承插式接头、尾端配承插钢套环；接头上安装有鹰嘴形橡胶止水圈，管节承插长度一般为150mm。
顶进完成后，为了使顶进的预制管节与两端的主体结构成为整体，增强通道的受力变形性能和满足通道防水需要，可在顶管前后管节离洞口300～400mm时，将钢筋通过第一节管节前端和最后一节管节末端中预留的连接套筒连接，引至洞门口与嵌固在主体结构中的钢洞门焊接起来，再在这段距离浇筑高一强度等级的混凝土，使管节与结构主体连成一体，增强通道整体刚度和防水性能。
4顶进过程主要施工工序分析
矩形顶管顶进系统见（图2）
4．1顶管机进出洞
基于本工程实际地质为淤泥、粉质砂等情况，矩形顶管机断面比较大，为6m×4．3m，顶管机在进出洞时容易出现地下水、泥砂和触变泥浆等问题，要做好有效防控措施，包括在洞口安装穿墙止水环，对洞门前体进行止水加固处理；还可采加搅拌桩加固穿墙管前方土体，使其强度提高，避免工具管进、出洞作业时出现坍塌问题。
要控制施工所用混凝土，其强度控制在3～5MPa为合适，利于顶管顶进时顶管机刀盘切削混凝土；混凝土墙与井体接缝处，要做好封堵措施，避免地下水渗入。通过采取多种措施，可以保证顶管机进出洞作业质量。
顶管机切削素混凝土墙加固体时，顶进速度应控制在2mm／min以内，防止推进过快损坏刀盘。泥水黏度保持在23s以上，使切削下的素混凝土碎块能够随泥水携带出去。
4．2顶进时泥水平衡控制
在顶管机顶进期间，为避免顶管机前方土体坍塌，应保证正面土体平衡。为此，可以利用循环泥水压力，使前方水土压力保持平衡，把具有较高黏度的纯泥浆，放入进浆管泵，通过机头泥水舱，使泥浆与被切削的碴土组合，形成泥碴混合液体，支护开挖面土体。
并对顶进速度、进、排浆频率等参数进行调整，对泥水舱内的泥水压力进行控制，其压力要比同位置水头压力大2m为合适。
通常顶进施工作业时，其速度应控制在15—20mm／min为合适，具体操作时，要跟进泥水舱泥水压力和开挖面地下水土的压力变化情况，及时进行调整。
4．3顶进方向控制
顶管进行作业时，由于受到地层不平整等因素影响，容易导致机身行走出现偏离预定的设计轴线的情况，故管节顶进过程中要及时对机头姿态进行测量。如出现顶进方向走偏时，要通过顶管操控台上的相关纠偏按键，对其进行纠偏，保证其按预定的设计轴线方向作业。
进行纠偏时，可由顶管机前后节间安装的纠偏千斤顶完成，一共10组，具体安排为左右各2组、上下各3组。
当发现顶管机走向偏左时，可开启左、上、下三向千斤顶进行纠偏。
通常情况下，如发现顶管顶进500mm时，出现大于10mm的偏差，就要进行纠偏。要及时跟进纠偏工作，并控制每次的纠偏量，以控制上下小于25mm，左右小于35mm为合适，防止对土体造成较大扰动，管节与管节间出现张角问题。
4．4注浆减阻
顶管机与土体接触时，其接触面积与所受阻力成正比。为保证顶进顺利进行，要对其进行注浆减阻。由于顶管机刀盘切削面积大于机身约2～5cm，可在此空间注入触变泥浆，以减小机身顶进时与土体产生的摩阻力。注浆孔安设在顶管机和管节附近，孔内装有单向止回阀，避免泥浆回流。
顶进作业时，可在管节附近的注浆孔注入触变泥浆，适度控制注浆压力，以大于附近水土压力20kPa为宜，这样容易形成泥浆套。
顶进作业时，第一道触变泥浆环管应连续，压注与顶进工序同时进行，并保持注浆压力要稍比上部土体压力大，注意控制触变泥浆的黏度，以35～45s为合适。
完成顶进作业后，通过把触变泥浆换成水泥浆，把管节四周的土体固结。
4．5地下管线沉降控制
地下工程施工过程中，通常都会遇到很多管线，需要对期进行有效保护。顶管施工前，采用地质雷达扫描，查明顶管管道沿线地下障碍物的情况，并结合小型钻孔抽芯取样，以便及时清除地下障碍物、迁移地下的路线。
顶管作业接近管线位置时，要适度减慢推进速度，使到挖面泥水压力保持平衡状态，避免刀盘切削过分扰动土体，同时，要及时注浆，把填满土体与机身间的空隙。
顶进作业期间，要做好沉降观测工作，并设置观测点，每天保证对其进行2次以上的监测，尤其是顶管机头顶进至管线附近时，要加大观测密度，等机头离开管线较远时，沉降趋于稳定后方可停止观测。
5结语
实践表明，本工程采用泥水平衡式矩形顶管进行地铁工程施工，顶进过程中，通过对主要施工工序进行有效控制，质量管理措施得当，顶进作业完成后，取得了良好效果。（见图3）
本工程施工方法及经验，对今后同类工程采用泥水平衡式矩形顶管施工有一定指导作用。
参考文献
[1]陈键，矩形顶管施工技术，建筑工程技术与设计，2014年2月中
[2]曾清华，大断面泥水平衡式矩形顶管机应用于广州地铁车站通道工程，市政技术，2014，01