随着国家《关于推进城市地下综合管廊建设的指导意见》的发布以及“十三五”规划“建议”指出实施城市地下管网改造工程等一系列文件的发布,国内综合管廊的建设进入大发展时期。作为国家第一批综合管廊试点城市的建设者,通过认真分析国内综合管廊施工技术,分析明挖现浇法、预制拼装法、暗挖法三大主流施工工艺的安全、成本、质量、绿色施工等多种因素,结合城市道路行驶要求、城市绿道系统保护要求、城市主供水管线的保护、管廊行进范围的地质条件。在包头市经三路、经十二路综合管廊施工时采用暗挖顶推方法进行施工,确保对城市交通影响最小,在保证施工进度、质量、安全、绿色施工等前提下,根据地质勘察报告,认真分析砾石层地质特点,在国内综合管廊建设中首次采用矩形顶管暗挖顶推技术,顺利完成在砾砂层特殊地质条件下暗挖顶推施工。

包头新都市区项目综合管廊经十二路、经三路顶管工程(见图1),截面尺寸为7m(长)×4.3m(高),壁厚50cm,每节管节长1.5m,重42t。经三路地下综合管廊顶推长度为85.6m,经十二路综合管廊顶推长度为88.5m。经三路最大顶力为2 308t,经十二路最大顶力为2 400t。本次综合管廊顶推施工主要在砾砂层中进行(见图2),该砾砂层砂质纯净,级配一般,颗粒不均匀,含圆砾、角砾、漂石、大孤石;直径变化在1~40cm。

1)国内首次在砾砂层采用双仓矩形管廊顶推技术,如何保证顺利顶推,保证工程质量、安全、进度,是本工程的重难点之一。

2)根据工程勘察资料,本工程穿越砾砂层,该层还有大量的砾砂、孤石、漂石,土层空隙大,渗透系数高,易流砂,如何在顶推过程中保证土压平衡是本工程的重点之一。

3)建设路地面沉降变形控制要求高,顶管施工时,如何保证城市主干道及管廊上部管线不破坏,控制顶推过程中地面沉降变形是本工程的重点之一。

1)采用大、小刀盘组合设计,主要由1个大刀盘和4个角上的小刀盘组成,大、小刀盘前后错开,覆盖面相互补充,切削面积占90%以上,如图3所示。

2)各刀盘分别安装驱动装置,在保证大刀盘的驱动满足要求的同时,增大每个小刀盘的驱动装置,大刀盘配置了6台30k W电动机,其他4个小刀盘每个配置3台22k W电动机。大刀盘转矩可达1 500k N·m,小刀盘转扭可达1 300k N·m,以确保刀盘的动力。

3)将传统钢质刀盘更换为具有耐磨性和冲击性能好的合金材质,刀盘全部采用带有破碎功能的破碎刀,在遇到大粒径石头时可以破碎成粒径在20cm以内的小石头。刀盘前后间距控制在20cm,保证只有粒径在20cm以内的石头可以进入土仓内。在顶管机四周刃口设置有铲齿,保证有效铲碎前方的砂石。

4)螺旋输送机叶片的直径设计成670mm、螺距设计成454mm,确保能把粒径250mm的卵石排出。

5)针对本项目大粒径砾砂层中顶推施工,螺旋输送机的螺杆、筒体内部必须堆有耐磨焊,以减少其磨损。

为减少土体与管壁间的摩阻力,提高工程质量和施工进度,在顶管顶推的同时,向管道外壁压注一定量的润滑泥浆,变固态摩擦为固液态摩擦,以达到减小总顶推力的效果。顶推时压浆孔要及时有效地跟踪压浆,补压浆的次数和压浆量根据施工时的具体情况及时调整。

为使顶管机正前面泥土仓内的土具有良好的塑性、流动性和不透水性,防止在掘进中出现排土不畅或砂层固结问题,造成土仓内土压不稳定以及推力增大。在施工过程中对泥土仓内的土体进行改良,土体改良配备的浆液主要材料为黄黏土、膨润土、CMC外加剂、水,配合比根据在顶推过程中测试到的摩阻力进行调整。

充填浆通过设在顶管机尾部和胸板上的注浆孔向土体内注入很稠的黄黏土浆,以充填砾砂层内空隙,同时填充在顶管过程中由于各种原因所造成的空隙,以防止出现地面沉降和地下空洞。充填浆在向管外周扩散的同时,除了充填空隙外还会向砂石中渗透,在砂石表层形成一层不易透水层,同时该层使管壁减摩浆不易向砂石中渗透,从而增加了减摩效果。

充填浆另一个重要用途就是纠偏,在顶管机四周设有充填浆注浆孔,如顶管机向一个方向偏移时,从反方向注浆,达到纠偏的目的,保证顶推过程在设定方向上行进。

为防止在矩形顶推过程中造成土层间隙而产生的地面沉降,先采用填充浆填充,再采用泥垫装置进行管道内的外壁注泥。

减摩泥浆的主要材料为膨润土、水、高分子、黏土粉,按一定比例混合而成,它的用量主要取决于管节周围空隙的大小及周围土质的特性,由于泥浆的流失及地下水等作用,泥浆的实际用量要比理论大得多。考虑到包头当地地质特点及注浆时扩散效果好,注浆量取理论值的5~8倍,具体注浆量需要根据土质情况、顶推状况、地面沉降控制要求、地面监测实际状态及时调整。

为了防止倾覆事件发生,采用高压旋喷桩将进出洞位置4.5m范围内进行土体改良、加固。

所以进洞时顶管机正面为全断面的水泥土,为保护刀盘,进洞时顶进速度要尽量放慢,使刀盘和周边刀能对水泥土进行彻底切削;另外,由于加固区水泥土比较硬,螺旋机出土可能有一定困难,必要时可以加入适量清水来软化和润滑加固土体。在加固区水泥土被基本排出,螺旋机内出来全断面原状土后,为控制好地面沉降、顶进轴线,防止顶管机突然“磕头”,应适当提高顶进速度,使正面土压力稍大于理论计算值,以减小对正面土体的扰动及可能出现的地面沉降。

顶推过程中,要合理控制顶推速度,保证连续均衡施工,避免出现长时间搁置的情况,造成前方土体塌陷或隆起。顶推速度在初始阶段不宜过快,一般控制在5~10mm/min,在顶管机离开工作井加固区,顶进速度及地面监测情况正常后,施工阶段可控制在10~15mm/min。

原有管线及地面沉降观测是重点之一,为保证监测的有效性,管线和地面沉降监测点以3m 1个点布设模拟点,有窨井的地方用窨井作为直接点。在轴线上的部分管线点布设为深层点。共设置25个断面,每个断面上为5个点,以轴线点为中心,每5m各1个点。在进出口上各布置1个断面,断面上设3个深层点。监测频率为2次/d。穿越地下管线时,加大该处管线监测点的监测频率,收集机头过管线前、管线下、管线后的监测数据,通过数据严格控制推进土压力及螺旋机出土量。

考虑到矩形顶管掘进机的断面较大,前端阻力大,实际施工中,即使管节顶进了较长距离,而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。当顶管机和管节往后退时,机头和前方土体间的土压平衡受到破坏,土体面得不到稳定支撑,易引起机头前方的土体坍塌,如果不采取一定的措施,路面和管线的沉降量将难以得到控制。

止退装置在发射架前基座的两侧各安装1套,当油缸行程推完,需要加垫块或管节时,将销子插入管节的吊装孔,再放进钢垫块和钢板在销座和基座的后支柱间。管节的后退力通过销子、销座、垫块传递到止退装置的后支柱上。止退装置和基座焊接在一起,把管节稳住。止退装置的质量为2t。

顶推过程中严格控制出泥量,在顶推过程中,管内的出泥量要与顶推的进泥量相一致,当出泥量大于进泥量时,由于土层内空隙加大,地面会沉降;当出泥量小于进泥量,土层内空隙被过度挤密,超过原有饱满度,地面会隆起。这都会造成管道周围的土体扰动,只有控制出泥量与进泥量相一致,管道周围的土体才能保持在原有的平衡状态,从而维护地面不受影响,而要做到出泥量与进泥量一致的关键是严格控制土体切削速度,控制进泥与出泥量平衡。

管节预制时重点控制预埋件的留设位置准确,包括吊装孔、翻身孔、注浆孔、钢筋接驳器等位置,同时要保证孔洞周边混凝土不出现应力集中,如图5,6所示。

主要采用的方法为:孔洞位置留设后,在孔洞位置利用加强钢筋进行固定,保证各种空顶位置准确,同时,在孔洞处加设钢套管,保证应力集中处的孔洞刚度,确保孔洞处混凝土在吊装及安装时不破坏,确保吊装便捷、安装位置准确,从而保证预制管节的施工质量。

管节防水是顶管是否成功的关键工序之一,矩形顶管的防水采用4道设防,第1道防水是管节预制时安装遇水膨胀条,第2道防水是管节承插口处安装单鸟形止水橡胶圈,第3道防水是管节接口处安装遇水膨胀条,第4道防水是管节接口采用聚硫密封胶进行封堵。尤其接缝处钢套环和钢环要求顶推施工时精密配合,同时还要压紧止水橡胶密封圈,以保证预制顶推完成后管节的防水效果满足设计要求。防水节点如图7所示。

顶推过程中根据试掘进阶段摸索的正面土压力值、出土量、顶力、注浆量、刀盘电流值之间的匹配关系,来控制顶管机的各项参数。

顶管在正常顶进施工中,还必须密切关注顶进轴线的控制。在每节管节顶推结束后,必须进行机头的姿态测量,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之间出现张角。由于是矩形顶管,对管道的横向水平要求较高,所以在顶推过程中对机头的转角要密切注意,机头一旦出现微小转角,应立即采取刀盘反转、加压铁等措施回纠。

压浆时必须遵循“先压后顶、随顶随压、及时补浆”的原则。

当设备进入接收井洞门加固区时进行接收井洞门的破除,接收井安装接收架,在顶管机距离接收井6m时,开始停止机头的压浆,并在以后顶进中压浆位置逐渐后移,保证顶管在出洞前有6m左右的完好土体,避免在进洞过程中减摩泥浆的大量流失而造成管节周边摩阻力骤然上升,以致出现工程难点。当顶管机刀盘切口距接收井钻孔灌注桩10cm左右时,顶管停止顶进,开始割除洞门剩余钢筋。顶管应迅速、连续顶进管节,尽快缩短顶管机进洞时间。进洞后,马上用钢板将管节与洞圈焊成一个整体,并用水硬性浆液填充管节和洞圈的间隙,减少水土流失。

顶管进洞后,要立即安排进、出洞口的封堵工作,将洞门与管节间的间隙封闭严密后,进行首尾3环的填充注浆。注浆采用双液浆,要保证注入量充足,并控制好注浆压力。待填充区域的强度达到100%后,方可进行洞门施工。顶管结束后,选用1∶1的水泥浆液,通过注浆孔置换管道外壁浆液,根据不同的水土压力确定注浆压力,加固通道外土体,消除对管廊今后使用过程中产生不均匀沉降的影响。

通过对包头经十二路、经三路矩形管廊预制顶推施工技术进行总结,对今后类似地质情况下进行综合管廊预制顶推技术施工提供相关经验,但考虑到不同施工条件、不同地质条件的影响,在今后施工过程中,在刀盘设计、顶管机选型、土体改良等方面各种地质条件需根据具体情况做进一步试验和改善。