矩形盾构顶管施工技术在城市隧道中的应用
周明
摘 要 结合郑州市中州大道下穿隧道工程施工实例，对土压平衡矩型盾构顶管机的实用性、 超大断面矩型盾构顶管施工始发到达的安全、沉降控制、姿态控制技术四方面进行 了阐述。
关键词 矩型盾构施工 重难点分析 应用研究
1 工程概况
中州大道是郑州市贯通南北的交通大动脉，宽达100米，双向14个车道，承载着郑州交通繁重任务，为了保障施工期间最小程度的影响交通，施工采用矩形盾构施工，不仅对地上道路的正常通行、周边环境的影响比较小，而且施工的安全性、施工效率也比较高。采用矩形盾构施工，还可使隧道的空间利用率提高近20%，与人工开挖相比，效率将提高4－5倍。
2 主要新技术研究及其应用
2.1 技术特点
本工程下穿中州大道段采用土压平衡矩形盾构顶管法施工，顶管段具有以下主要特点：开挖断面大、覆土埋深浅、隧道间距小、管线间距近、沉降要求高。
矩形盾构顶管段机动车道断面为10.1m×7.25m，断面72.2m²；非机动车道断面为7.5×5.4m，而目前国内已经成功应用于施工的最大断面顶管为6.9m×4.9m（断面面积33.81m²）；此外因受场地条件限制，隧道上最小覆土仅为3.5m；隧道之间间距小，2条矩形盾构顶管隧道净间距为1m，距离DN600mm的雨水管仅1m；最长推进长度达到105m；是目前世界上断面最大的矩形盾构顶管,在设计技术上突破了六刀盘复合开挖联合控制技术、盾体推进过程当中的减少摩擦的设计、超薄壳体和超大断面的结构强度设计优化等关键技术难题。施工难度大。
2.2 矩形盾构顶管
采用的土压平衡矩形盾构顶管机是由中国中铁装备自行研究、设计、制造的二台多刀盘辐条式土压平衡顶管机，大顶管尺寸：10120mm×7270mm，小顶管尺寸7520mm×5420mm。切刀和先行刀采用高耐磨的硬质碳钨合金刀具，以适应各类土体和加固体，并配备良好的泡沫和膨润土、触变泥浆注入系统。
矩形顶管图片
2.3 土压平衡矩形盾构顶管机的适用性
本工程为郑州市首次采用矩形土压平衡顶管施工，如此超大断面的矩形顶管机在选型是否合理，设计是否安全、可靠、先进，能否适应工程所在的地层关键是工程的重点。 邀请国内外具有矩形土压盾构顶管设计、制造、施工经验的人员组成专家组，从设备的设计、制造阶段开始深入的介入，将施工中可能存在的问题尽可能的在设计阶段充分考虑。在设计阶段充分借鉴、吸收、消化国内外成熟经验，并结合项目的施工特点，考虑设备有足够的安全及性能储备，确保设计安全、可靠、先进。
制造过程中各关键部位零部件采用最优的产品，以确保质量；同时在工厂进行严格的组装调式；
施工前，做好地址详勘、管线及环境调查，为施工做好充分的准备；并做好施工方案比对优化及专家评审，编制切实可行的应急预案；在施工过程中，严格按照既定的技术方案实施，出现问题时按专项预案处理，并适时召开专家会议，确保工程顺利实施。
2.4 顶管施工始发、到达的安全控制技术
顶管的始发与到达是顶管施工中最易出现问题的环节，常会因为顶管施工始发、到达过程中定位不准确、方向控制不好，或者端头加固的质量问题，导致始发、到达时出现坍塌、突泥、涌水，严重影响施工安全。
同时，由于盾构顶管到达时容易造成掌子面土体破坏，顶管施工的触变泥浆泄露，导致地层沉降超限，管节摩擦力超限，顶推无法实施。因此，如何确保顶管始发和到达的安全成为本工程的重点、难点，施工过程中采取如下措施：
严格按照设计要求的长度及宽度对端头进行加固，做好过程控制；加固施工过程中严格按照相关要求，从材料进场、设备、施工工艺等几个角度严格控制施工质量，确保加固质量。
做好洞口防水密封，顶管始发，预先安装洞门圈预埋钢环，始发时采用延长洞门+2道帘布橡胶板道作为洞口密封，并在延长洞门上预留注浆口，避免在始发过程中及整个推进过程中管节长时间摩擦洞门密封导致密封被破坏，确保工程安全。
顶管到达时，由于顶管掌子面反力破坏、减小、丧失，触变泥浆流失，同始发一样，检查洞门加固质量后，在洞门钢环内焊接1道钢丝刷，外侧安装帘布橡胶板和折页压板，到达加固体后、掌子面前，低推力，低转速，尽可能的多出土，晚破坏掌子面；掌子面破坏后要快速的推出，以防止漏泥漏水。
加强顶管在始发、到达段的推进控制。控制好顶管姿态，在保证除渣量正常的前提下，尽量快速完成顶管的始发与到达。同时，充分考虑到由于对端头地层进行了加固处理，地层性质所发生改变，推进时要密切灌注顶管突变情况，勤测量、勤纠偏，并在顶进最后3环管节时，在盾构顶管机后注入高稠度泥浆，防止到达时漏浆。
2.5 超大断面矩形对钩顶管施工沉降控制技术
在埋深相同的条件下，由于顶管和管节顶板面积巨大化，上覆土形成受力拱的作用大大减弱，在覆土发生沉降的敏感度较强。尽管存在泥浆套的减摩作用，但是随着顶板面积作用于上覆土的推进摩擦力逐渐增大，“背土”作用也逐渐变得明显。此外由于顶管机开挖横断面增大后，存在渣土改良不均匀性，超大断面矩形土仓内各点的土压可能会有差别，对开挖面的稳定带来不利影响。同时由于螺旋输送机数量增加到两个，增加了各点出土量控制的难度，开挖面有可能出现局部超挖。或者密封不好，触变泥浆泄漏，以及注浆质量控制不好导致沉降超限，严重影响管线、地面交通等，因此，如何确保矩形盾构顶管施工沉降成为本工程的重难点，在施工过程中采取如下措施：
严格按照要求对地层进行勘测，并在基坑开挖过程中对地层进行详细统计、研究，
充分了解地质性能和变化情况；为顶管推进提供详实的依据，同时为触变泥浆的制备提供真实地层力学和物理参数。
设计方面：在能够确保隧道行车限界断面的前提下，尽可能的优化断面结构，减少盾构顶管的切削盲区，便于土压控制；
有针对性对矩形盾构顶管机进行设计：
1）泥浆套形成、保持及防泄漏设计：刀盘开挖直径及前盾切口设置的辅助切刀高度不超过前切口外表面，在盾切口一定宽度范围内设置一圈防漏帽檐，帽檐与径向开挖面紧密接触，防止触变泥浆套前窜进入土仓。同时在泥浆套压力控制上，降低前盾注入点压力，提高泥浆注入的均匀性。
2）顶管及管节密封设计：顶管铰接密封及盾尾管节密封采用不同硬度的双密封设计，在推进过程中，结构设计确保至少有一道密封可更换，防止密封损坏后泥浆套的缺失。
3）盾体结构设计：顶管以刚度作为结构设计指标，确保矩形平面结构在外土压力下变形或变形在允许范围内，确保泥浆套的平滑和连续。
4）压力精确控制设计：压力控制是基于传感器能够准确的采集真实的压力，进而进行控制，如果采集的数据不真实，则控制系统会根据不真实的原始数据进行控制。顶管土仓内上下左右配置9个具有高灵敏度的压力传感器，能精确控制土仓压力进行土压管理，能满足地表沉降控制在允许的范围内。管节也采用性能可靠的传感器进行全面的各点压力控制。
5）渣土改良设计：该项目地质以粉质粘土、粉细砂为主，结合这种地质特点设备配置了泡沫及膨润土改良系统，可以在管路实现渣土改良方式的互换。泡沫系统一台泵对应一个刀盘，每一路泡沫的流量和压力都相对独立，不会随其他各路泡沫的流量和压力的变化而变化，能够较好的防止泡沫注入口的堵塞，最大先哭的保证个刀盘搅拌区域的渣土改良均匀，跑米系统能够满足手动、半自动、全自动的控制、
施工过程：
1）施工前通过地质、水文情况详细计算好土压，施工过程中严格控制土压，防止施工过程中土压控制出现“拉风箱”，破坏原状地层，并根据地层检测情况适时调整；
2）在保证土仓压力的情况下严格控制出渣量和推进速度，使两者高度匹配，并及时的做好出渣量和推进距离的控制分析、总结，根据顶进距离严格控制出渣量，出渣量以90%-102%；
3）触变泥浆施工控制：按照设定的参数进行严格控制触变泥浆的质量；根据注入的位置以及量的不同，分别计量核算触变泥浆的注入量；确保触变泥浆的压力，并根据检测情况调整注浆压力；
4）在遇到富水砂层等不良地层时，改用膨润土、聚合物等进行针对性渣土改良，能有效的控制地层沉降；
5）管节制作过程中确保外壁的光滑，能够有效的减少推进阻力和“背土”现象，有效控制沉降；
6）严格姿态控制，避免蛇形纠偏；
在顶管施工过程中，如果隧道上部有管线，由于在顶管推进的过程中，地层事中每有稳定，长期处于泥浆职称下的平衡名长期收到扰动，因此在顶管推进的时候予以特别注意，在确保地面沉降的同时，还要做好一下注意事项：
1）前期做好管线跳查，详细了解管线的性质（雨水、污水、燃气、电力、热力、光缆、自来水、通讯等）是否带压（有压、无压区分对待）、埋深、材质（钢、铸铁、混凝土、塑料凳）、接口形式（焊接、承插口、栓接等）、施工方法、施工时间、管道内流体的波动时间、周围有无替换管线等。
2）严格检测管线的沉降，做好对应管线的沉降超现时应急预案。
2.6 超大矩形断面盾构顶管施工姿态控制技术
由于矩形盾构顶管横断面尺寸增大，在同时可能存在开挖面各点压力差别，调向纠偏的难度增大，或者超大断面矩形盾构顶管在推进的过程中可能由于侧向受力不均，或者地层不均匀导致矩形盾构顶管居转或者姿态难以控制；特别是由于横断面尺寸大，顶管或管节发生滚转偏差对隧道净空位置的影响明显，滚转的纠偏也因哼断面尺寸增大而变化得困难，如何控制矩形盾构顶管姿态成为本工程重点、难点，施工过程采用如下措施：
严格按照要求对地层进行勘测，并在基坑开挖过程中对地层进行详细统计、研究充分了解地质性能和变化情况；
顶管设计和管节设计开始就紧密结合，确保土木设计、设备设计初期就都充分考虑了矩形盾构顶管的方向控制问题；
矩形盾构顶管设计、制造方面针对性设计；
1）盾构设计：对盾体设计的要求包括2个方面：调向的灵敏性和盾体稳定的向导作用。超大矩形盾构顶管前盾的长度设计得比较短，以便减少铰点到刀盘的距离，使铰接力能有效的传递到刀盘便于转向。
2）辅助调节纠偏系统设计：当发生滚转偏差和尾盾中线偏差时，前盾的纠偏力已经不足，此时借助于盾体上的预留孔和纠偏泥浆注入系统，在需要的位置向地层注入纠偏泥浆，依靠泥浆对地层的压力和地层微量的压缩性进行纠偏。
3）向导系统设计：采用激光向导系统，控制顶管推进5个方向自由度保证顶管的线路和位置关系进行精确的测量和显示。
4）刀盘转动方向的调向纠偏辅助作用设计：顶管共设有6个刀盘，每个刀盘的转动方向均可独立控制，在需要时通过6个刀盘的同向转动使顶管获得某方向的反扭矩，大道辅助滚转纠偏目的。
5）提高设备的加工精度，并在设备设计制造中烤炉设备的几何中心与重心尽可能重合，以方便矩形盾构顶管姿态控制和方向调节。
施工过程中勤纠偏、缓纠偏，纠偏控控制在0.4%以内，顶管隧道中误差控制在±30mm。 做好方向偏转或者扭转过大应急预案。
2.7 结束语
矩形盾构在城市下穿隧道应用在全国尚属首次，将会对国内大城市主干道下穿隧道建设产生积极的示范效应和深远影响，并将我国矩形盾构顶管施工的水平提升到国际领先水平。
参考文献：郑州市下穿隧道工程实施性施工组织设计
矩形盾构顶管施工技术在城市隧道中的应用
周明
摘 要 结合郑州市中州大道下穿隧道工程施工实例，对土压平衡矩型盾构顶管机的实用性、 超大断面矩型盾构顶管施工始发到达的安全、沉降控制、姿态控制技术四方面进行 了阐述。
关键词 矩型盾构施工 重难点分析 应用研究
1 工程概况
中州大道是郑州市贯通南北的交通大动脉，宽达100米，双向14个车道，承载着郑州交通繁重任务，为了保障施工期间最小程度的影响交通，施工采用矩形盾构施工，不仅对地上道路的正常通行、周边环境的影响比较小，而且施工的安全性、施工效率也比较高。采用矩形盾构施工，还可使隧道的空间利用率提高近20%，与人工开挖相比，效率将提高4－5倍。
2 主要新技术研究及其应用
2.1 技术特点
本工程下穿中州大道段采用土压平衡矩形盾构顶管法施工，顶管段具有以下主要特点：开挖断面大、覆土埋深浅、隧道间距小、管线间距近、沉降要求高。
矩形盾构顶管段机动车道断面为10.1m×7.25m，断面72.2m²；非机动车道断面为7.5×5.4m，而目前国内已经成功应用于施工的最大断面顶管为6.9m×4.9m（断面面积33.81m²）；此外因受场地条件限制，隧道上最小覆土仅为3.5m；隧道之间间距小，2条矩形盾构顶管隧道净间距为1m，距离DN600mm的雨水管仅1m；最长推进长度达到105m；是目前世界上断面最大的矩形盾构顶管,在设计技术上突破了六刀盘复合开挖联合控制技术、盾体推进过程当中的减少摩擦的设计、超薄壳体和超大断面的结构强度设计优化等关键技术难题。施工难度大。
2.2 矩形盾构顶管
采用的土压平衡矩形盾构顶管机是由中国中铁装备自行研究、设计、制造的二台多刀盘辐条式土压平衡顶管机，大顶管尺寸：10120mm×7270mm，小顶管尺寸7520mm×5420mm。切刀和先行刀采用高耐磨的硬质碳钨合金刀具，以适应各类土体和加固体，并配备良好的泡沫和膨润土、触变泥浆注入系统。
矩形顶管图片
2.3 土压平衡矩形盾构顶管机的适用性
本工程为郑州市首次采用矩形土压平衡顶管施工，如此超大断面的矩形顶管机在选型是否合理，设计是否安全、可靠、先进，能否适应工程所在的地层关键是工程的重点。 邀请国内外具有矩形土压盾构顶管设计、制造、施工经验的人员组成专家组，从设备的设计、制造阶段开始深入的介入，将施工中可能存在的问题尽可能的在设计阶段充分考虑。在设计阶段充分借鉴、吸收、消化国内外成熟经验，并结合项目的施工特点，考虑设备有足够的安全及性能储备，确保设计安全、可靠、先进。
制造过程中各关键部位零部件采用最优的产品，以确保质量；同时在工厂进行严格的组装调式；
施工前，做好地址详勘、管线及环境调查，为施工做好充分的准备；并做好施工方案比对优化及专家评审，编制切实可行的应急预案；在施工过程中，严格按照既定的技术方案实施，出现问题时按专项预案处理，并适时召开专家会议，确保工程顺利实施。
2.4 顶管施工始发、到达的安全控制技术
顶管的始发与到达是顶管施工中最易出现问题的环节，常会因为顶管施工始发、到达过程中定位不准确、方向控制不好，或者端头加固的质量问题，导致始发、到达时出现坍塌、突泥、涌水，严重影响施工安全。
同时，由于盾构顶管到达时容易造成掌子面土体破坏，顶管施工的触变泥浆泄露，导致地层沉降超限，管节摩擦力超限，顶推无法实施。因此，如何确保顶管始发和到达的安全成为本工程的重点、难点，施工过程中采取如下措施：
严格按照设计要求的长度及宽度对端头进行加固，做好过程控制；加固施工过程中严格按照相关要求，从材料进场、设备、施工工艺等几个角度严格控制施工质量，确保加固质量。
做好洞口防水密封，顶管始发，预先安装洞门圈预埋钢环，始发时采用延长洞门+2道帘布橡胶板道作为洞口密封，并在延长洞门上预留注浆口，避免在始发过程中及整个推进过程中管节长时间摩擦洞门密封导致密封被破坏，确保工程安全。
顶管到达时，由于顶管掌子面反力破坏、减小、丧失，触变泥浆流失，同始发一样，检查洞门加固质量后，在洞门钢环内焊接1道钢丝刷，外侧安装帘布橡胶板和折页压板，到达加固体后、掌子面前，低推力，低转速，尽可能的多出土，晚破坏掌子面；掌子面破坏后要快速的推出，以防止漏泥漏水。
加强顶管在始发、到达段的推进控制。控制好顶管姿态，在保证除渣量正常的前提下，尽量快速完成顶管的始发与到达。同时，充分考虑到由于对端头地层进行了加固处理，地层性质所发生改变，推进时要密切灌注顶管突变情况，勤测量、勤纠偏，并在顶进最后3环管节时，在盾构顶管机后注入高稠度泥浆，防止到达时漏浆。
2.5 超大断面矩形对钩顶管施工沉降控制技术
在埋深相同的条件下，由于顶管和管节顶板面积巨大化，上覆土形成受力拱的作用大大减弱，在覆土发生沉降的敏感度较强。尽管存在泥浆套的减摩作用，但是随着顶板面积作用于上覆土的推进摩擦力逐渐增大，“背土”作用也逐渐变得明显。此外由于顶管机开挖横断面增大后，存在渣土改良不均匀性，超大断面矩形土仓内各点的土压可能会有差别，对开挖面的稳定带来不利影响。同时由于螺旋输送机数量增加到两个，增加了各点出土量控制的难度，开挖面有可能出现局部超挖。或者密封不好，触变泥浆泄漏，以及注浆质量控制不好导致沉降超限，严重影响管线、地面交通等，因此，如何确保矩形盾构顶管施工沉降成为本工程的重难点，在施工过程中采取如下措施：
严格按照要求对地层进行勘测，并在基坑开挖过程中对地层进行详细统计、研究，
充分了解地质性能和变化情况；为顶管推进提供详实的依据，同时为触变泥浆的制备提供真实地层力学和物理参数。
设计方面：在能够确保隧道行车限界断面的前提下，尽可能的优化断面结构，减少盾构顶管的切削盲区，便于土压控制；
有针对性对矩形盾构顶管机进行设计：
1）泥浆套形成、保持及防泄漏设计：刀盘开挖直径及前盾切口设置的辅助切刀高度不超过前切口外表面，在盾切口一定宽度范围内设置一圈防漏帽檐，帽檐与径向开挖面紧密接触，防止触变泥浆套前窜进入土仓。同时在泥浆套压力控制上，降低前盾注入点压力，提高泥浆注入的均匀性。
2）顶管及管节密封设计：顶管铰接密封及盾尾管节密封采用不同硬度的双密封设计，在推进过程中，结构设计确保至少有一道密封可更换，防止密封损坏后泥浆套的缺失。
3）盾体结构设计：顶管以刚度作为结构设计指标，确保矩形平面结构在外土压力下变形或变形在允许范围内，确保泥浆套的平滑和连续。
4）压力精确控制设计：压力控制是基于传感器能够准确的采集真实的压力，进而进行控制，如果采集的数据不真实，则控制系统会根据不真实的原始数据进行控制。顶管土仓内上下左右配置9个具有高灵敏度的压力传感器，能精确控制土仓压力进行土压管理，能满足地表沉降控制在允许的范围内。管节也采用性能可靠的传感器进行全面的各点压力控制。
5）渣土改良设计：该项目地质以粉质粘土、粉细砂为主，结合这种地质特点设备配置了泡沫及膨润土改良系统，可以在管路实现渣土改良方式的互换。泡沫系统一台泵对应一个刀盘，每一路泡沫的流量和压力都相对独立，不会随其他各路泡沫的流量和压力的变化而变化，能够较好的防止泡沫注入口的堵塞，最大先哭的保证个刀盘搅拌区域的渣土改良均匀，跑米系统能够满足手动、半自动、全自动的控制、
施工过程：
1）施工前通过地质、水文情况详细计算好土压，施工过程中严格控制土压，防止施工过程中土压控制出现“拉风箱”，破坏原状地层，并根据地层检测情况适时调整；
2）在保证土仓压力的情况下严格控制出渣量和推进速度，使两者高度匹配，并及时的做好出渣量和推进距离的控制分析、总结，根据顶进距离严格控制出渣量，出渣量以90%-102%；
3）触变泥浆施工控制：按照设定的参数进行严格控制触变泥浆的质量；根据注入的位置以及量的不同，分别计量核算触变泥浆的注入量；确保触变泥浆的压力，并根据检测情况调整注浆压力；
4）在遇到富水砂层等不良地层时，改用膨润土、聚合物等进行针对性渣土改良，能有效的控制地层沉降；
5）管节制作过程中确保外壁的光滑，能够有效的减少推进阻力和“背土”现象，有效控制沉降；
6）严格姿态控制，避免蛇形纠偏；
在顶管施工过程中，如果隧道上部有管线，由于在顶管推进的过程中，地层事中每有稳定，长期处于泥浆职称下的平衡名长期收到扰动，因此在顶管推进的时候予以特别注意，在确保地面沉降的同时，还要做好一下注意事项：
1）前期做好管线跳查，详细了解管线的性质（雨水、污水、燃气、电力、热力、光缆、自来水、通讯等）是否带压（有压、无压区分对待）、埋深、材质（钢、铸铁、混凝土、塑料凳）、接口形式（焊接、承插口、栓接等）、施工方法、施工时间、管道内流体的波动时间、周围有无替换管线等。
2）严格检测管线的沉降，做好对应管线的沉降超现时应急预案。
2.6 超大矩形断面盾构顶管施工姿态控制技术
由于矩形盾构顶管横断面尺寸增大，在同时可能存在开挖面各点压力差别，调向纠偏的难度增大，或者超大断面矩形盾构顶管在推进的过程中可能由于侧向受力不均，或者地层不均匀导致矩形盾构顶管居转或者姿态难以控制；特别是由于横断面尺寸大，顶管或管节发生滚转偏差对隧道净空位置的影响明显，滚转的纠偏也因哼断面尺寸增大而变化得困难，如何控制矩形盾构顶管姿态成为本工程重点、难点，施工过程采用如下措施：
严格按照要求对地层进行勘测，并在基坑开挖过程中对地层进行详细统计、研究充分了解地质性能和变化情况；
顶管设计和管节设计开始就紧密结合，确保土木设计、设备设计初期就都充分考虑了矩形盾构顶管的方向控制问题；
矩形盾构顶管设计、制造方面针对性设计；
1）盾构设计：对盾体设计的要求包括2个方面：调向的灵敏性和盾体稳定的向导作用。超大矩形盾构顶管前盾的长度设计得比较短，以便减少铰点到刀盘的距离，使铰接力能有效的传递到刀盘便于转向。
2）辅助调节纠偏系统设计：当发生滚转偏差和尾盾中线偏差时，前盾的纠偏力已经不足，此时借助于盾体上的预留孔和纠偏泥浆注入系统，在需要的位置向地层注入纠偏泥浆，依靠泥浆对地层的压力和地层微量的压缩性进行纠偏。
3）向导系统设计：采用激光向导系统，控制顶管推进5个方向自由度保证顶管的线路和位置关系进行精确的测量和显示。
4）刀盘转动方向的调向纠偏辅助作用设计：顶管共设有6个刀盘，每个刀盘的转动方向均可独立控制，在需要时通过6个刀盘的同向转动使顶管获得某方向的反扭矩，大道辅助滚转纠偏目的。
5）提高设备的加工精度，并在设备设计制造中烤炉设备的几何中心与重心尽可能重合，以方便矩形盾构顶管姿态控制和方向调节。
施工过程中勤纠偏、缓纠偏，纠偏控控制在0.4%以内，顶管隧道中误差控制在±30mm。 做好方向偏转或者扭转过大应急预案。
2.7 结束语
矩形盾构在城市下穿隧道应用在全国尚属首次，将会对国内大城市主干道下穿隧道建设产生积极的示范效应和深远影响，并将我国矩形盾构顶管施工的水平提升到国际领先水平。
参考文献：郑州市下穿隧道工程实施性施工组织设计