工程概况
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。
黑牛城道地下通道长92.6m,线型为直线,无纵坡,覆土厚度8.17m,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10.4m×7.55m,管节宽度为1.5m,厚度为700mm。管节数量62 片,单片管节质量为79t。矩形管节之间纵向连接采用承插式F型接头。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。
地下通道纵剖图(单位:m)
管节预埋管布置图
1 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18mm的钢板,长350mm,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。
管节接口防水设计图
2 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、④1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⑥ 3 粉土、⑥4粉质黏土、⑦粉质黏土层。
地下通道工程地质剖面图(单位:m)
3.周边环境情况
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66.5m,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DN1000mm的自来水管,距离顶管隧道6m,距离顶管隧道最近的无压管道为ϕ1650雨水管,距离顶管隧道3.6m。
地下通道周边环境情况
工程重难点
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 DN1000 自来水管线,ϕ1650雨水管距离顶管隧道3.4m。 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。
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92.6m,选用顶管断面尺寸达到10.42m×7.57m。 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.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。
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10.4m,高度为7.55m,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。
工程技术创新
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。
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。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。
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。
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8m,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10m。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3m采用低强度砂浆回填,砂浆强度在28d后不大于1MPa。
钢丝刷安装及油脂泵
明洞接收(单位:mm)
4.地面及管线变形控制技术措施
（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。
（2）渣土改良
土舱压力设定
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,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。
渣土改良
（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。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。
顶管机与管节连接 管节间连接
5.顶管姿态控制技术措施
（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。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。
激光经纬仪 激光靶
（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。纠偏油缸共16台,每台2000kN顶 力,形成220mm,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
（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。
纠偏孔分布 土砂泵
2023年4月1日，天津市新八大里地区过黑牛城道地下通道正式开通，开始服务周边市民出行。
新八大里地区过黑牛城道地下通道开通后，将更好满足黑牛城道南北两侧市民需求，将生活社区、办公街区、教育街区、商贸园区串联起来，助力新八大里地区打造集企业办公、商业休闲、宜居社区功能为一体的城市中心商务区。
为确保工程安全优质，也为更好服务周边市民，天津轨道交通集团所属地铁集团研究了一整套适合天津地质条件的超大断面顶管施工技术和风险控制策略，首次提出了“红泥控沉”“钢箱始发”“严寒条件下管片现场制作”等顶管施工关键技术，填补了国内超大断面富水软弱地层矩形顶管施工技术的空白。黑牛城道过街通道顶管工程获得“ITA（世界隧道及地下空间协会) 2018年地下空间开发应用创新提名奖”，该工程所制造的矩形顶管机入选“庆祝中华人民共和国成立70周年大型成就展”。在此成功经验的支撑下，目前天津地区建成和在建大断面矩形顶管项目达到30余个。通道集人行通道与地下综合管廊功能于一体，顶管需穿越22条现状管线及黑牛城道快速路，在国内外同地质条件下超大断面顶管施工中没有先例。
通道集人行通道与地下综合管廊功能于一体，是当时亚洲最大断面矩形顶管隧道，顶管需穿越22条现状管线及黑牛城道快速路，在国内外同地质条件下的超大断面顶管施工没有先例。
根据隧道建设、央广网、“学习强国”天津国资号等综合整理