群管顶进技术在某地铁车站风道施工中的应用.pdf

・隧道／地下工程・群管顶迸技术在某地铁率玷风道袍工中的应用刘国生（中铁工程设计咨询集团有限公司ｊＥ京１０００５５）摘要新管幕法（ＮＴＲ工法）施工工艺有四步，为群管顶进、切管及管间支护、管幕空间内衬砌结构施作和土方大开挖及剩余结构施工。其中群管顶进工序是新管幕法关键工序，亦是新管幕法得以实施的前提条件。对新管幕法和顶管法进行了概述，并结合沈阳地铁二号线新乐遗址站风道设计施工情况，阐述了群管顶进技术在该工程中的应用，最后对该技术进行了总结，并提出自己的看法。关键词新管幕法（ＮＴＲ工法）群管顶进群洞效应手掘式顶管中图分类号Ｕ４５５．４７文献标识码Ｂ———文章编号１００９４５３９（２０１３）增１００６２０５１新管幕法概述新管幕（ＮｅｗＴｕｂｕｌａｒＲｏｏｆ）法是沿拟建地下结构轮廓位置依次顶人多根大直径钢管，通过钢管切割并安装管间支护体系（辅以必要的注浆加固措施）形成管幕空间，后在管幕空间内预筑永久结构，达到在永久结构的保护下完成后期土方大开挖和剩余结构施工，以形成地下空间的一种暗挖施工方…法，简称ＮＴＲ工法。该工法最早始于上世纪８０年代的欧洲，韩国跟踪该项技术，将该工法成功引入韩国，用该工法在韩国已经修建（包括在建）９０余项地下工程，其中有３座地铁车站，我国修建完成１座地铁车站。ＮＴＲ工法施工工艺分为四步，第一步：在拟建地下结构轮廓位置顶人多根大直径钢管，施工期间，采取相关措施保证钢管的顺利顶进和就位精度；第二步：进行相邻钢管切管及管间支护施工，形成管幕空间；第三步：在管幕空间内预筑衬砌结构，分别进行模板安装＿÷钢筋绑扎＿÷混凝土浇筑；第四步：在衬砌结构的保护下，进行后期土方大开挖及剩余结构施工。施工工艺如图１所示。６２——收稿日期：２０１３０４０１铁道建笥技术ＮｎＲ曰－－ｒ图１ＮＴＲ工法施工工艺示意２顶管法概述２．１顶管法历史悼１顶管的发展具有悠久的历史，是继盾构施工之后所发展起来的一种建造地下管道的施工方法。它最早始于１８９６年美国的北太平洋铁路下铺设地下管道工程的施工中。从那以后，顶管施工法被视为在铁路、公路下铺设管线的标准施工法，其应用遍及美国各地。早在上世纪５０年代末，北京和上海就有用顶管方法穿越铁路和堤坝的先例。北京首次顶管是在铁路路基下顶进钢筋混凝土管，上海首次顶管是顶进穿越黄浦江堤的钢管。近些年，地下顶管工程在各大、中城市的市政工程上陆续加以应用，推动了顶管技术的向前发展。２．２顶管施工方法旧１顶管施工工法有挤压式顶管、手掘式顶管、半机械顶管和机械顶管，机械式顶管又分成泥水式、ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１３ｆ增７Ｊ万方数据・隧道／地下工程・泥浆式、土压式和岩石式，其中泥水式和土压式使用较为普遍。挤压式顶管仅适用于软黏土中，而且覆土深度要求比较深。通常条件下，不用任何辅助施工措施。手掘式只适用于能自立的土中，如果在含水量较大的砂土中，则需采用降水等辅助施工措施。如果比较软的黏土可采用注浆以改善土质，或者在工具管前加网格，以稳定挖掘面。手掘式的最大特点是在地下障碍较多且加大的情况下，排除障碍的可能性最大，条件最好。半机械式的使用范围与手掘式基本相同，如果采用局部气压的辅助施工措施，则使用范围会较广些。泥水式顶管的适用范围更广些，而且在许多情况下不需要采取辅助施工措施。土压式的使用范围最广，尤其是加泥式土压平衡顶管掘进机的使用范围最为广泛，通常也不用辅助施工措施。３群管顶进技术应用３．１工程概况沈阳地铁２号线新乐遗址站位于黄河北大街与龙山路交口以北，沿黄河北大街呈南北向布置。车站为单拱双层１１ｍ岛式站台车站，车站跨度约２３ｍ，长度１７９ｍ。南北各设置１座风井及１条风道，另设置出人口２处、消防疏散出入口１处。该站所处地区属第四系浑河新扇，地层从上至下依次为人工填土层、粉质黏土层、中粗砂层、圆砾层和泥砾层。车站基本位于中粗砂及圆砾层中，拱部位于粉质黏土层，底部位于泥砾层。地下水赋存类型属第四系松散岩类孔隙潜水，水位埋深为８．７～１４．２ｎｌ，位于拱顶下１．９ｍ。车站风道为双层平顶直墙结构，顶板埋深约８ｍ，结构尺寸顶板、侧墙及底板厚度分别为０．８ｒｎ、１．４ｍ及１ｍ，采用ＮＴＲ工法施工。综合考虑施工作业空间需要、钢管受力及变形等因素，风道顶管采用直径２．２ｍ和２．３ｍ两种规格，壁厚均为２０ｍｍ，其群管分布如图２所示，相邻钢管净距约０．３５ｍ，顶管作业属于小净距群管顶进。铁道建筑技术Ｆ玉４１ＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ图２群管布管示意（单位：ｍｍＪ３．２群管顶进施工方法ＮＴＲ工法施工须形成管幕空间，管幕空间的形成需依次顶人多根大直径钢管形成管排，再进行切管及管间支护施工。群管顶进施工方法选择，需综合考虑工程地质及水文地质特性、顶管长度、降水要求、ＮＴＲ工法工法特点、施工便利性和周边环境要求等因素。风道所处地层主要为中粗砂及圆砾层，该层降水效果好、难度低，且降水引起地层沉降不大，降水后，土层自立性较好，顶管长度约４０ｍ，另外，考虑到施工便利及工程造价，风道顶管施工方法采用手掘式顶管法，顶管期间辅以相应的注浆措施。３．３群管顶进施工顺序群管顶进施工为同一断面处，多根管密排，其施工顺序的确定在考虑单根顶管施工力学效应的同时，也要考虑不同的顶管施工顺序情况下，多根顶管施工力学效应的叠加影响，即群管顶进的群洞效应。相关研究表明Ｈ刮，顶管顶进施工中引起邻近土层及构筑物附加应力的主要原因在于正面推进力、地层损失、注浆等。对于手掘式顶管，其采用先开挖后顶进施工方法，顶管正向推进力很小，掌子面前方土体由于开挖引起土体应力松弛而发生挤出变形，引起前方土２０１３ｉ增１）万方数据・隧道／地下工程・体及建筑物卸载，导致地面发生沉降。地层损失是指顶管施工期间各种超挖，引起顶管施工超挖主要有开挖面超挖、管土间隙、纠偏操作、浆液与土层的摩阻力而对外围土体产生拖带效应。顶管施工采用同步注浆以抑制地层损失的发展，在考虑超挖引起的地层损失时必须计入注浆率的影响，当注浆率过大时，注浆会对管周地层产生挤压作用，对超挖起到一定的限制作用。文献［７］对本工程风道结构施工中群管顶进施工进行了数值理论分析，分别就本工程群管顶进由下而上顶进、由上而下顶进，顶排水平钢管分跳顶、顺序顶和同时顶进三种工况进行数值模拟计算和分析，结果显示在考虑群管顶管施工的群洞效应后，地表沉降表现为中心对称的单峰沉降槽，近似正态分布；钢管的顶进从下至上、上排钢管采用跳作的施工顺序时，顶进施工产生的地层沉降最小。但其钢管内力波动较大，且不对称，不同的施工顺序，内力会有较大差别。但根据不同的管排布置形式和施工竖井土方开挖由上至下的施工特点，考虑到施工便利性，本风道ＮＴＲ工法施工中群管顶进作业由上至下依次顶进（见图３）。图３风道群管顶进现场照片３．４手掘式顶管施工工艺手掘式顶管施工内容包括施工准备、工具管制作、反力墙设置、顶进轨道设置、土方挖运及钢管顶进施工等，施工期间辅以相应的注浆措施，其详细施工流程见图４。３．４．１施工准备顶管施工准备包括反力件制作及安装、顶管作业面硬化及导轨设置，反力件一般采用Ｈ型钢加工制作，顶管作业面一般采用素混凝土浇筑完成，导轨设置采用工字钢或Ｈ型钢。铁道建篱技术ｌ施工准备Ｉ●●●ｌ千斤顶调试工具管制作反力件加工＋●顶管作业面硬化Ｉ反力墙设置Ｉｌ导轨检查Ｈ导轨千斤顶安装Ｈ千斤顶调试Ｉ破除洞口Ｉ先导管就位Ｈ测量定位Ｉ｝超前预注浆Ｈ掌子面开挖Ｈ测量定位ｌＩ减阻注浆Ｈ钢管顶进Ｈ控制测量Ｉ『壁后填充注浆Ｈ开挖顶进循环图４群管顶进施工流程３．４．２工具管制作工具管位于整根标准顶管的最前端，在顶管期间，起到切土、防坍塌、保护标准管和导向作用。工具管前端刃口需进行加固，端部形状主要有平口和斜口两种形式。工具管型式的选择需综合考虑顶管处地质情况、顶管工艺及施工水平等因素确定。其设计及加工是顶管施工中的一个关键环节，其作用如下：（１）保护标准管。工具管采用普通钢管加工，在钢管内外侧各加焊一层钢板，并形成刃口，增加了管口的强度、刚度和切削性能。（２）防止掌子面土体坍塌。工具管前端可为斜面，顶部向前探出形成超前支护，斜面的角度根据土质情况可调整，可有效地防止掌子面坍塌。若土层状况良好时，可加工成平口，工具管前段形成土塞，也可有效防止掌子面坍塌。（３）导向作用。工具管与后续标准管之间为活动连接，并在连接处布设纠偏螺栓或纠偏千斤顶，通过调节螺栓或千斤顶可对顶管进行纠偏，对顶管起到导向作用。３．４．３钢管顶进钢管顶进前，破除洞口前端混凝土，对洞口采用钢板进行加固，然后进行顶进施工。顶进过程中ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１３ｆ增ＴＪ万方数据・隧道／地下工程・土方开挖，分为人工开挖和机械开挖两种方式，新乐遗址风道施工时采用人工开挖方式。３．４．４土方运输顶管内土方运输可采用人工运输，亦可采用小型机械运输。人工运输时，可在钢管内部设置电动葫芦及行走轨道。新乐遗址风道施工时采用人工开挖及人工运输方式。３．５群管顶进主要施工措施３．５．１顶管期间的注浆措施风道施工群管顶进中所采用注浆措施有减阻注浆、壁后回填注浆、地层超前注浆和地层注浆加固等（见图５）。ｃ．地层注浆加固图５顶管注浆由于顶管较长、管体变形较大等原因导致顶管顶力过大时，需要采取顶管壁后注浆技术进行减阻处理，以达到减小顶管顶进阻力的目的。减阻注浆浆液一般采用膨润土浆液，当地层变形较大时，浆液中可掺人适量水泥以填充管土间空隙。钢管顶进过程中，由于土体开挖导致顶管周边土体松散，且顶管就位后，管土间也存在一定间隙，这时，需要采用壁后回填注浆技术及时填充管土间隙和加固顶管周边松散土体，以限制地层变形。壁后回填注浆浆液一般采用水泥浆。遇掌子面地层不稳时或地层变形过大时，需对掌子面前方土体进行超前加固，以防止掌子面坍塌或限制掌子面前方土体的挤出变形带来的地层过大变形。超前注浆浆液一般采用双液浆，主要起到快速加固掌子面前方土体的作用。铁道建笥技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯ￡－０Ｇｙ所有顶管完成后，地层变形仍在发生且未到达稳定时，说明顶管过程中致使地层松散区较大，从而导致地层变形较大且持续时间较长，此时，需及时对距离顶管较远部位地层进行注浆加固以改善该范围土质，注浆浆液一般为水泥浆。本工程风道结构施工时，上述各种注浆措施均有所采用。实际施工时，首先对各注浆浆液配置、注浆压力及注浆时机等参数进行现场试验，根据顶进过程中的监测结果及顶进记录寻求合适的注浆参数。３．５．２顶管纠偏技术“”顶管纠偏应认真贯彻勤测勤纠，小角度纠偏的原则，纠偏主要通过工具管的导向来实现，可采用土方开挖纠偏和纠偏千斤顶的方法进行纠偏。土方开挖纠偏是通过工具管前方土体的超、欠挖来改变工具管的方向以达到纠偏的目的，该方法适用于偏差量较小情况。纠偏千斤顶纠偏方法是在工具管和标准管之间设置有４组纠偏千斤顶，呈对角线布置，在确定纠偏方向后，开启某部位千斤顶进行纠偏（见图６）。当纠偏量较小时，也可采用导向螺栓代替千斤顶进行纠偏。图６纠偏干斤顶４结束语ＮＴＲ工法于２００７年正式引入我国，目前已成功修建完成沈阳地铁２号线新乐遗址站，属于全新暗挖施工方法。群管顶进工序是ＮＴＲ工法关键工序，亦是该工法得以实施的前提条件，是ＮＴＲ工法“”中较能体现新意的工序。通过采用手掘式顶管法成功地实施新乐遗址站风道结构，笔者认为新管幕法中群管顶进施工要注意以下问题：（１）顶管施工方法较多，均可用于新管幕法中２口Ｔ３ｆ增ＴＪ６５万方数据・隧道／地下工程・的群管顶进工序。结合具体工程选用时，需综合考虑工程地质及水文地质特性、顶管长度、降水要求、ＮＴＲ工法工法特点、施工便利性和周边环境要求等因素。（２）群管顶进施工顺序的确定，首先要做好理论分析，对各种不同顶进施工工况进行对比分析，同时还要结合施工竖井的实际施工顺序进行综合考虑。（３）要重视群管顶进过程中的纠偏工作，以确保顶管施工的顺利及顶管就位的精度。（４）顶进过程中，要结合实际采取减阻注浆、壁后回填注浆、地层超前注浆和地层注浆加固等措施，控制顶管引起的地面沉降和顶管自身的变形，有效地降低群管顶进的群洞效应。参考文献［１］ＫｉｍＪｅｏｎｇ－Ｙｏｏｎ，Ｐａｒｋ—ＩｎｎＪｏｏｎ，Ｋｉｍ—ＫｙｏｎｇＧｏｎ．ＡｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙｏｆｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｕｓｉｎｇｓｔｅｅｌｔｕｂｕｌａｒｉｎＫｏｒｅａｎｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ—ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ—Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｋｏｒｅａｎ），２００３（４）：４０１４０９．［２］王承德．顶管［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，１９８６．［３］高乃熙，张小珠．顶管技术［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，１９８２．［４］黄宏伟，胡昕．顶管施工力学效应的数值模拟分析—［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００３（３）：４００４０６．［５］胡听，黄宏伟．相邻平行顶管推进引起附加载荷的力—学分析［Ｊ］．岩土力学，２００１（１）：７５７７．［６］张冬梅，黄宏伟．地铁盾构推进引起周围土体附加应—力的分析［Ｊ］．地下空间，１９９９（５）：３７９３８２．［７］阎石．新管幕法大直径钢顶管施工力学特性数值模拟—分析［Ｊ］．施工技术，２００９（增刊）：３７６３８０．”——————■——・＋一＋－＋＋一＋－＋一＋一＋一十一＋－＋－＋一＋－＋一＋－＋一＋一＋一－＋一一＿卜－＋一－＋一一卜一～卜（上接第６１页）７．１三七灰土换填沿地表裂缝开挖深５０ｃｍ，宽５０ｃｍ的沟槽，将挖出的黄土按体积比为７：３的比例和石灰粉进行充分拌和，采用小型夯实机械或人工石锤进行分层夯实，机械夯实分层厚度不大于３０ｃｍ，人工石锤夯实分层厚度不大于２０ｅｍ，并且高出原地面１０ｃｍ。沟槽开挖完成后必须及时回填，避免雨水浸泡。７．２水泥浆灌筑对于宽度在２ｃｍ以上的地表裂缝，在沿裂缝开挖沟槽以后，以１０ｍ左右的间距采用漏斗自重法对裂缝直接灌筑１：１的水泥浆，待水泥浆灌满凝固后，再进行补灌。当灌筑量较大时，应停止灌筑，待灌进的水泥浆凝固后重新进行灌浆。８结论（１）黄土隧道洞口浅埋地段地表多可见裂缝，隧道裂缝出现断面埋深一般小于２～３倍洞径，但偏压隧道可达４倍洞径（如高桥隧道）。（２）隧道洞顶平坦没有偏压的，进洞３０ｄ后在隧道两侧的地表各出现一条平行与隧道中心线的纵向裂缝，而且随着隧道掘进不断地向前发展，如果开挖暂停５ｄ以上，则对应掌子面的地表处会出现一条横向裂缝，与纵向裂缝联通形成怀抱式。对于砂质黄土隧道，在隧道掌子面前方可观测到细小铁道建筑技术间断的横向裂缝。（３）地表裂缝宽度规律：砂质黄土大于粘质黄土，覆盖层厚度小的大于覆盖层厚度大的，偏压地段大于平坦地段。粘质黄土隧道一般不出现地表裂缝，即使出现也是一些细小且不连续裂缝。（４）根据地表裂缝坑探情况判断：埋深较大隧道的地表裂缝没有贯通至隧道顶，埋深较浅隧道的地表裂缝可能贯通到隧道顶。（５）浅埋黄土隧道围岩含水量超过１８％以后，地表沉降和地表裂缝宽度随着含水量的增加将显著增加。（６）采用台阶法施工时最容易产生裂缝，ＣＲＤ法产生裂缝少些。（７）实践表明采取上述控制和处理措施，隧道的地表下沉量由原来１８０ｍｍ（最大２２０ｍｍ）降低至１００ｍｍ，有效地控制了地表裂缝的宽度和长度，甚至可以消除地表裂缝的产生，同时夯填的灰土没有被雨水冲刷，地表裂缝也没有再在原位处出现。参考文献［１］王晓州，朱永全．大断面黄土隧道建设技术［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，２００９．［２］叶朝良，朱永全．黄土隧道施工地表变形与裂缝分析［Ｊ］．石家庄铁道大学学报：自然科学版，２０１２，２５（增刊２）．只弭『ＬＷＡｙⅣＣ０～Ｓ丁ＲＵＣ丁ｆ０～７ＥＣｌＨＯＬＯＧＹ２０１３ｆ增ＴＪ万方数据