城市密集区超大断面矩形顶管设计施工关键技术

文/ 上海隧道工程有限公司

卢康明，王金一，黄德中，王未墨

1  工程概况

?? 项目概况

静安寺站位于华山路与延安中路交叉路口的华山路下方，沿华山路南北向布置，为地下3层岛式站台车站，与已建成通车的2号线、7号线静安寺站形成三线换乘枢纽。车站主体沿线路方向分A，B，C三区（见图1），其中A区、C区均采用明挖顺作法实施（西侧半幅盖挖），B区采用顶管法实施。

图1项目平面

静安寺站B区分为站台层与站厅层，3条隧道长度均为82m。站台层隧道断面尺寸为 8 700mm×9 900mm，站厅层隧道断面尺寸为4 880mm×9 500mm。站台层顶管隧道埋深15.17～15.37m，设置4条联络通道。站厅层顶管隧道埋深4.84～5.01m。站台层2根顶管水平间距2.0m，站台层与站厅层垂直间距为5.4m，站厅层顶管覆土为4.6m，站台层顶管覆土为15.2m。站台层顶管外径为9.9m×8.7m，壁厚为525mm。站厅层顶管外径为9.5m×4.88m，壁厚为550mm。

?? 工程地质与水文地质条件

根据地质勘察资料，站台层穿越土层主要为④灰色淤泥质黏土、⑤1-1灰色黏土及⑤1-2灰色粉质黏土，站厅层穿越土层主要为③灰色淤泥质粉质黏土及④灰色淤泥质黏土，联络通道位于⑤1-1层中。本工程顶管推进范围内不存在微承压水、承压水，但土层含水量较高，在受扰动的情况下仍可能形成一定的地下水向洞门区渗漏，影响顶管顺利进出洞。

2  针对性设计与施工措施

?? 顶管机针对性设计

针对本工程周边管线多、地面沉降要求高、地铁车站轴线要求严等特点，顶管机采用针对性设计如下（见图2,3）。

图2 站台层顶管机刀盘面断面  

图3 站台层顶管机设备剖面

●全断面切削

站台层顶管机采用大刀盘+周边偏心刀盘形式，站厅层顶管机采用2个大刀盘+4个中刀盘+2个小刀盘组合式，可做到百分比切削，避免顶管机背土现象产生。

●切削外径控制

由于顶管施工轴线主要为直线，此次切削外径单边控制在15mm，有效避免由于注浆不及时引起的壳体段及管节段沉降。

●提高纠偏装置安全性

此次纠偏铰接装置在传统3道主密封基础上[2]，增加了尾部钢板束及头部紧急密封气囊，规避开启铰接千斤顶纠偏时漏水漏浆风险。

●新增纠偏中继间

在原有一道本体纠偏铰接装置的基础上增加一道纠偏中继间，进一步增强顶管机纠偏能力，有效控制隧道姿态。

?? 管节针对性设计

针对本工程处于城市密集区施工具有运输难度大、施工场地狭小、单环管节质量大（50t）、土层含水量高、地面不均匀沉降等特点，对顶管管节采用了如下针对性设计。

●复合式管节设计

站台层顶管管节设计成复合管节（钢管节+混凝土内衬），施工阶段为钢管节，隧道贯通后通过内部浇筑混凝土形成复合管节，增强管节防水性能，提高管节整体刚性。站厅层顶管管节采用传统的混凝土管节形式，加快施工效率，保证管节耐久性。

●钢管节拼装平台

钢管节设置成2个C形块，采用分块制作、分块运输至施工现场后，通过拼装钢平台再拼装合拢焊接成环，解决管节占三车道运输的交通难题。

●管节翻身吊装装置

本工程设计1个全新的自动翻身装置，该管节吊运和翻身装置由横担式吊架、吊臂动力端、吊臂被动端、电器控制箱组成。解决传统的自重式翻身架[4]存在重大安全隐患切施工效率较低的问题。

●管节接头设计

站台层管节接头采用“F”承插设计式+4道止水密封（2道氯丁橡胶+2道遇水膨胀橡胶）+传力衬垫。站厅层管节接头采用“F”承插设计式+5道止水密封（1道氯丁橡胶+2道遇水膨胀橡胶+1道聚氨酯密封胶+1道聚硫密封胶）+传力衬垫。均可满足纠偏和止水需求，待掘进结束后内弧面环缝进行水密焊止水。

●管节注浆孔设计

钢管节开设16个一寸减摩泥浆孔及16个二寸二次注浆孔，同时每节管节设置4个止退孔及2个翻身孔。站厅层混凝土管节设12个一寸减摩泥浆孔及10个二寸二次注浆孔，同时每节管节设置4个止退孔（其中2个兼做翻身孔）。用于管节减摩注浆、止退翻身、贯通注浆，有效控制地面沉降。

?? 洞口动态止水措施

针对本工程顶管推进覆土较深、土体含水量高，且工作井洞圈尺寸和顶管尺寸存在一定的间隙，对始发接收洞口采取以下针对性措施。

●始发动态止水装置（见图4）

在洞圈周围安装钢箱体+2道钢丝刷+2道橡胶袜套，作为洞口防水措施。当顶管机进入洞圈后，通过第一道钢丝刷与第二道钢丝刷间布设预留的12道1寸油脂管压注盾尾油脂，并通过每根油脂管压力表观察油脂压力，按照理论计算及油脂压力控制压住量。

图4 始发动态止水装置

●接收动态止水装置 （见图5）                  

顶管接收止水装置采用外置式止水气囊，接收井洞门打开后，及时顶进机头，机壳搭上止水气囊后，及时向止水气囊内充气，根据洞口的渗漏情况调整不同部位的充气气压。

图5 接收动态止水装置

?? 自锁式止退措施

止退设计按后退力2 000t考虑，拟采用300t千斤顶10个（左右各5个），高强度剪力销10个（6寸，钢材屈服强度＞500MPa），施工前对止退装置进行优化，采用前后两节管节同时止退，通过设置预加载力减少管节因止退力而产生的结构变形，保证整个止退装置的强度、刚度、及稳定性（见图6）。

图6 站台层顶管止退装置

?? 顶管减摩措施

本工程新研制了具有抗水性能的触变果冻减摩泥浆，主要采用特殊的触变浆添加剂加入膨润土浆液，调配成具有触变塑性、润滑、抗水、微承载性能的浆液，主要用于注入顶管管节四周，可显著降低土体与管节接触时的摩擦，减少地层束缚产生的推力过大影响。

?? 轴线、转角控制措施

矩形顶管在推进过程中，对顶管机及管节的轴线偏差及转角偏差要求极高，轴线偏差要求控制在±50mm内，转角应控制在15′以内。施工过程中轴线应按如下控制。

●每节管节顶进结束后，必须进行机头的姿态测量，并做到随偏随纠。

●姿态调整时可通过铰接油缸、纠偏中继间和主顶千斤顶综合进行，方便纠偏。

●推进距离40m以内主要以主顶推进进行纠偏，当长度超过40m以后，可采取铰接油缸或纠偏中继间进行纠偏。

●关注管节上浮情况，避免因管节上浮引起的轴线突变，必要时可采取压重措施。

转角应按如下控制：

●机头及后续管节一旦出现微小转角，应立即采取刀盘反转、加压铁等措施回纠。

●当转角接近3′时，采取刀盘与转角的同向转动。

●当转角接近6′时，同步采取通过顶管机( 管节) 对角压注厚浆液。

●当转角接近9′时，同步采取顶管机（管节）单边内压重。

?? 管节变形三维激光扫描监测

由于类矩形管节较圆形管节而言，其抗弯、抗剪和抵抗形变的能力较弱，并且国内在采用钢管节顶管施工方面的工程经验较少，研究理论尚不完善。采用三维激光扫描仪在短时间内获得隧道表面的海量坐标信息，快速、全方位获取站台层隧道全断面变形，进一步保障施工和隧道结构的安全性。

3  工程实施效果

● 顶管机针对性设计效果

各项主要顶进参数可控制在额定参数的30%~80%以内，设备运行良好，无重大设备故障及长时间停机发生。 

●管节针对性设计效果

施工过程中，管节经生产、运输、吊装、推进及止退后外观完好，无明显变形及碎裂发生。待隧道贯通后，对顶管隧道进行轴线复测及渗漏水统计，得出成型隧道轴线偏差可控制在±60mm以内，管节无明显渗漏水。

●动态止水施工效果

动态止水装置弥补了管节顶进造成的油脂损失，防止顶管始发时土体从该间隙中流失，实时补充盾尾油脂。在管节顶进阶段，始发洞圈无渗漏，有效的实现动态止水。

●自锁式止退施工效果

站台层首条顶管采用新型止退装置，减少管节因止退力而产生的结构变形。管节两侧回缩量平均分别为左侧15.46mm、右侧15.69mm、顶管机切口13.53mm；且切口里程后推量可控制在15mm以内，仅为传统止退后退量的三分之一，明显优于传统的止退装置。

站厅层顶管隧道施工过程中，沿用原站台层止退系统及钢结构，经统计管节两侧回缩量平均分别为左侧7.8mm、右侧7.7mm、顶管机切口6.9mm；明显小于站台层大顶管，且切口里程后推量可控制在毫米级。

●触变果冻浆施工效果

通过工程实践，富水软土黏性地层中每环注入率约100%，进洞无背土现象。由于此次采用触变果冻浆，管节无浮力产生和无上浮现象，故未采用压重措施。站台层地面沉降可控制在 ±10mm 内，摩阻系数控制在3~4kN/m ² ；站厅层地面沉降可控制在 ±10mm 内，摩阻系数控制在4~5kN/m ² 。

另外由于该浆液的“果冻性状”，顶管机铰接、管节接缝及洞口处不易漏水。

●隧道轴线及管节转角情况

经过合理设定参数及精细化控制，施工阶段顶管机与设计轴线偏差可控制在±30mm内，转角可控制在±9′以内。

●钢管节变形情况

根据工程施工进度情况，选取第2条顶管25，26，31，32环管节为测试对象。对于每一环管节，根据顶进方向共有6条环向加强肋，即公头肋、正常肋1-4、母头肋，同时采取全站仪人工测量相对变形情况得出数据与激光扫描数据对比，经过分析三维激光扫描测量结果与实测数据误差较小，误差基本在1mm以内，测量结果是可靠的。

分析三维激光扫描仪测得的管节在井下不同施工工况下的横径值。在管节从前一个工况进入下一个工况时，管节各肋的横径变形趋势基本相同（见图7）。

a 第25环横径变形趋势

b 第26环横径变形趋势

c 第31环横径变形趋势

d 第32环横径变形趋势

图7 横径变形趋势

以全站仪测得的管节横径井下初始值为管节初始工况，得到每次测量后管节的累积变形值，如图8所示。

a 第25环管节横径累积变形

 b 第26环管节横径累积变形

c 第31环管节横径累积变形

d 第32环管节横径累积变形

图8 横径累积变形

在贯通时横径累积变形略微减小。将各管节最终累积变形值汇总，第25，26，31，32环管节在西线顶管贯通时的累积变形均值分别为24.8，19.5，7.1，5.4mm。

4  结语

静安寺站矩形顶管车站是国内首次采用顶管法施工的地铁车站，该工程的圆满完成论证了城市密集区非开挖顶管法车站工艺施工的可行性，同时也为国内后续类似工程提供参考价值。针对车站暗挖段，本文对其设计施工关键技术进行总结分析，得出如下结论。

1）顶管机采用全断面切削、切削外径控制可有效降低地表沉降；而合理使用新增纠偏中继间提升了顶管机长距离推进下的纠偏性能，保证隧道轴线的稳定。

2）管节拼装平台、管节自动翻身装置等新设备的应用，节省了管节运输、焊接和吊装施工工序的时间，保证管节吊装、运输的安全性。

3）管节使用“F”承插式接头+多道止水密封+传力衬垫的接头形式提高了管节的防水和受力性能。 

4）动态式止水装置针对处于深覆土、富水软弱地层等复杂条件下的隧道，保证洞门安全的同时降低盾尾油脂的损耗。

5）自锁式止退装置通过提前设置预加载力，预先抵消部分止退钢结构的结构变形，减少回缩主顶千斤顶时止退钢结构的结构变形，降低管节后退的回缩量，明显优于传统止退装置，且前后两环同时止退效果更好。

6）触变果冻浆液显著降低土体与管节接触时的摩擦，减少地层束缚产生的阻力，具有一定的抗水和微承载能力又能有效降低土地扰动时产生的沉降影响。同时果冻性状无浮力产生，隧道无上浮，铰接、管节接缝及洞口处不易渗漏浆。

7）推进过程中，顶管机及管节的轴线偏差及转角偏差是关键，直接影响到施工的质量与安全，必须严格落实参数及精细化控制。

8）管节三维激光扫描测量结果与全站仪实测值较为接近，钢管节各条肋的横径变形规律相似，变形值可控制在3‰。