1 工程意义
顶管施工技术作为综合管廊发展的一个分支,这几年在中国得到迅速发展,并广泛应用于地下通道工程。天津新八大里黑牛城道地下通道在富水软弱地层中采用大断面矩形顶管穿越快速路的设计模式,实现了在不断交情况下,建设集综合管廊、地下通道、地铁出入口于一体的地下结构,有机地将地铁建设、地下空间开发和综合管廊建设结合为一体,进一步加强了地下空间利用,对促进天津市社会经济的可持续发展具有巨大的推动作用。
2 工程概况
2. 1 工程地理位置及范围
本工程属天津黑牛城道新八大里地区配套地下工程项目,位于天津市河西区黑牛城道与内江路交叉口,南北工作井分别处于南北两侧。 工程具体位置详见图 1。
图 1 工程地理位置及范围
2. 2 顶管隧道设计概况
2. 2. 1 顶管整体设计
过黑牛城道地下通道长 92. 6 m,线型为直线,无纵坡,覆土厚度 8. 17 m,该通道采用土压平衡式顶管施工,管节采用 C50、P12 钢筋混凝土结构,断面尺寸为 10. 4 m×7. 55 m,管节宽度为 1. 5 m,厚度为 700 mm。 管节数量 62片,单片管节质量为 79 t。 矩形管节之间纵向连接采用承插式 F 型接头,如图 2 所示。
图 2 地下通道纵剖图(单位: m)
2. 2. 2 管节预埋管设计
A 型管节与 B 型管节顶底板注浆孔和减模注浆孔交替布置。 顶进施工时,A 型管节为第 1 管节,A 型管节与B 型管节交替排列施工,管节预埋管布置见图 3。
图 3 管节预埋管布置图
2. 2. 3 管节防水设计
1)外侧防水体系。 管节承口钢套环采用厚度为 18 mm 的钢板,长 350 mm,管节插口混凝土结构外侧密贴 2道楔形橡胶圈,施工时插入承口钢套环内,在插入过程中,橡胶圈被压缩,密贴钢套环,形成良好的防水体系。
2)第 2 道防水体系。 在管节承口端管壁中上部位置开槽,嵌入多孔型三元乙丙橡胶密封垫。 橡胶密封垫应与多层胶合板具有相协调的压缩能力,保证拼装后的防水效果。
3)内侧防水体系。 在管节内侧 2 管节接口处设置嵌缝槽,后期可采用注入双组分聚硫密封胶。
管节防水设计见图 4。
图 4 管节接口防水设计图
2. 3 工程地质、水文情况
地下通道自上而下分布的土质为①1 杂填土、 ①2 素填土、 ③1 黏土、 ④ 1 黏土、 ⑥2 淤泥质黏土、 ⑥3 粉土⑥4 粉质黏土、 ⑦粉质黏土、 ⑧1 粉质黏土、 ⑧2 黏土、 ⑨1 粉质黏土和⑨2 粉砂。 地下通道顶管隧道主要穿越⑥3 粉土、⑥4 粉质黏土、⑦粉质黏土层,隧道沿线地质情况如图 5 所示。
图 5 地下通道工程地质剖面图(单位: m)
2. 4 周边环境情况
过黑牛城道地下通道周边无建筑物,通道周边主要是黑牛城道的主干道、辅道、人行道以及道路两旁的绿化带。 黑牛城道为天津市城市快速主干道,道路宽度为 66. 5 m,双向 10 车道,车流量大、交通繁忙。
顶管隧道下穿黑牛城道,上方管线众多,一共有 22 条管线,距离顶管隧道最近的有压管道为 DN1 000 mm 的自来水管,距离顶管隧道 6 m,距离顶管隧道最近的无压管道为 ϕ1 650 雨水管,距离顶管隧道 3. 6 m,通道周边环境如图 6 所示。
图 6 地下通道周边环境情况
3 工程重难点
3. 1 浅覆土、超大断面顶管施工
地下通道穿越天津市快速路黑牛城道,道路上方敷设 28 条市政管线,其中有压管线 7 条,直径较大的为DN1 000 自来水管线,ϕ1 650 雨水管距离顶管隧道 3. 4 m。 保证顶管掘进安全、防止管节接缝渗漏、减少地面变形,确保快速路安全、避免市政管线破坏是本工程的难点。
3. 2 长距离、超大断面顶管掘进姿态控制
顶管下穿黑牛城道,长度达到 92. 6 m,选用顶管断面尺寸达到 10. 42 m× 7. 57 m。 由于矩形顶管机壳体与土体的接触面积较大,随着顶进距离增加摩擦阻力增大,随着机头顶力和扭矩增大造成顶管机机头旋转、轴线偏差等问题。 同时顶管机正面与土层的接触面积大,当拼装管节或加垫块时,主顶油缸一回缩,在掘进机正面承受的土层轴向推力作用下,掘进机连同管节易发生整体后退,因此,顶管机姿态控制是本工程的难点。
3. 3 富水、软弱地层顶管始发、接收安全风险控制
矩形管机自南集散厅始发、北集散厅接收,洞门外土体为含水丰富的软弱土层和砂层,顶管机始发、接收过程中易发生漏水,甚至涌水涌砂造成水土流失,引起地面沉降变形过大,造成社会影响和经济损失。 顶管机顺利始发、安全接收、安全风险控制是本工程的难点。
3. 4 富水、软弱地层中超大断面顶管掘进安全风险控制
本标段矩形顶管断面宽度为 10. 4 m,高度为 7. 55 m,属超大断面顶管隧道,在天津尚属首次,顶管机穿越土体为含水丰富的软弱土层,安全风险高。 需要解决以下问题: 顶管切削断面大,需要解决土体流动性问题; 长距离矩形顶管顶力直接关系到设备配置和施工效率,需要解决减摩泥浆的问题; 管节尺寸大、质量大,需要实现快速安全的翻身吊装; 洞圈呈椭圆型,形状特殊,需要设计一种既能动态止水,又能使泥浆保压的装置; 顶管隧道长,在推进过程中需保证顶管机姿态稳定,避免纠偏过大。 以上问题是保证顶管安全掘进的难点。
4 工程技术创新
4. 1 管节预制精度控制技术
矩形管节断面尺寸大,质量较大,无法采用工厂预制和运输。 为保证管节预制精度满足设计要求,在场地内建设标准化管节预制厂,针对矩形管节,钢筋采用高精度大型弯曲机进行弯曲,确保钢筋笼加工精度,能够顺利入模; 模板采用大型定制钢模板,可调节底模,内外模均采用液压控制,所有预埋件均采用钢模板螺栓固定。
4. 2 始发风险控制技术
为了防止始发推进时泥土、地下水从土压平衡矩形顶管顶管壳体和洞门的间隙处流失,在始发时需安装洞门临时密封装置,洞口密封采用 2 道折叶式密封压板+2 道帘布橡胶板,如图 7 所示。 钢箱上预埋注浆球阀,始发时,往洞门钢箱内注入惰性浆液,起到防水密封的作用。
图 7 顶管始发洞门防水构造图
由于顶管顶进过程中触变泥浆的存在,为加强顶进施工过程动态防水体系,设置洞门圈防水装置。
洞门圈防水装置参照盾构盾尾刷原理,于结构侧墙洞门预埋钢圈内侧设置 2 道钢丝刷,始发前手涂油脂,顶进过程中通过预埋管道不断注入填充油脂,确保洞门动态防水,如图 8 所示。
4. 3 接收风险控制技术
为确保顶管机接收安全,顶管接收在明洞施工,顶管机长度约为 8 m,明洞采用钢筋混凝土框架结构,利用施工完成的底板、侧墙施工而成,施工总长度为 10 m,如图 9 所示。 地连墙破除完成,立即对明洞进行回填作业,底板顶至顶管顶部上 3 m 采用低强度砂浆回填,砂浆强度在 28 d 后不大于 1 MPa。
图 8 钢丝刷安装及油脂泵
图 9 明洞接收(单位: mm)
4. 4 地面及管线变形控制技术措施
4. 4. 1 正面土压力控制
顶管顶进过程中,采取满舱掘进,经过改良后土体充满整个土舱。
顶管机正面设置有 9 个隔膜压力计,施工前根据地质情况及埋深,初步设定土舱压力控制值,顶进过程中通过沉降观测及时调整土舱压力的实际控制值,实际操作中通过控制顶进速度和螺机出土来调整土舱压力,如图 10 所示。
图 10 土舱压力设定
4. 4. 2 渣土改良
针对不同地层采用一种或多种复合改良剂进行渣土改良,使改良后的渣土具有塑性、流动性和止水性,并填满整个土舱(如图 11 所示),以保证 2 个螺旋机均衡、连续出土,确保顶管机顺利顶进,地表和管线沉降变形可控。
图 11 渣土改良
4. 4. 3 顶管与管节、管节间的连接
顶管机头与首节管节 1 圈采用钢板满焊的方式进行刚性连接,使顶管与管节形成一个整体,运动轨迹保持一致,减少对土体的扰动,如图 11 所示。 每环管节在拼装完成后,该环管节与前 1 环管节之间采用 4 根大螺杆拉紧连接,保证顶进时所有管节沿着同一条线的轨迹运动,避免出现因管节自重和地下水浮力致使管节出现下沉或上浮,对地层产生二次扰动,增加地表与管线的变形量,如图 12 所示。
4. 5 顶管姿态控制技术措施
4. 5. 1 导向系统
在始发井处设置激光经纬仪,在矩形盾构顶管内设置导向靶,如图 13 和图 14 所示。 通过激光在导向靶上的投射斑点的位置来判断矩形盾构顶管的当前姿态。
4. 5. 2 纠偏油缸
推进过程中实时关注导向测量系统,适时启动纠偏油缸,如图 15 所示。 纠偏油缸共 16 台,每台 2 000 kN 顶力,形成 220 mm,可用于水平、垂直纠偏,水平纠偏角度 1. 4° ,垂直纠偏角度 2. 1°。 纠偏原则为: 勤纠、微纠、参照趋势进行纠偏,先上下、后左右。
图 15 纠偏油缸
4. 5. 3 土砂泵打土纠偏
当顶进过程中出现出土量超多、轴线偏移较大、地面沉降超过预警的情况,可采用土砂泵进行打土回填,填充密实后再继续向前掘进施工,如图 16 和图 17 所示。
5 工程工期及获得的荣誉
5. 1 工程工期
黑牛城道地下通道工程自 2016 年 8 月开工,2016 年 11 月贯通竣工,仅用 4 个月完成隧道施工。
5. 2 获得荣誉
1)取得天津市市级工法 1 项。
2)获得天津市科学技术进步奖 1 项。
3)取得河南省省级工法 1 项。
4)获得实用新型专利 2 项,发明专利 3 项。
5)已在核心期刊上发表论文 3 篇。
6 工程参建单位
建设单位: 天津市地下铁道集团有限公司
设计单位: 天津市市政工程设计研究院
施工单位: 中铁隧道局集团有限公司
监理单位: 中煤邯郸中原建设监理咨询有限公司