大坡度矩形顶管机掘进姿态控制技术

邓小杰 甄云，黄敏

济南轨道交通集团建设投资有限公司  山东济南   250000

摘要：隧道掘进设备通常有盾构机、TBM、顶管机，盾构机和TBM主要应用于交通隧道、市政隧道、水工隧洞等地下工程中，顶管机广泛应用于人行隧道、车行隧道、轨道交通、综合管廊等领域，能够显著提高施工效率和质量，减少对环境的影响。而顶管机的姿态控制是关乎工程质量的一个难点问题。本次以4940mm*4940mm顶管机为例，5%大坡度进洞后的姿态难以控制这一难题，研究采取了顶管机铰接油缸、注浆、姿态控制工装、拉紧等措施，为后续相关施工提供参考经验。

关键词：大坡度；矩形顶管；顶进施工；姿态控制

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1 引言

随着我国城市化进程的进一步加快，政府将继续加大投入完善城市配服务，使城市建设持续保持快速发展的态势。而矩形顶管技术广泛应用于城市地下空间开发，特别是在地面交通繁忙、地层条件复杂的城市环境中。具体应用场景包括：

地铁出入口：用于地铁线路的穿越，减少施工对周围环境的影响。

过街通道：在繁忙的城市街道下建设通道，保持地面交通的畅通。

顶管法施工占地面积小、噪音低、无扬尘，不开挖路面、不封闭交通、不改迁管线，在同等截面下，矩形隧道比圆形隧道能更有效地利用地下空间，且施工对周围土体扰动小，能有效控制地面和管线沉降。顶管机顶进过程中，姿态控制是顶管成功贯通的关键，在进洞、出洞和顶进全过程中，采取各种措施相结合，确保顶管姿态控制满足工程要求，所积累的经验可为后续大坡度顶管施工提供参考。

2 工程概况

2.1 工程及地质概况

王舍人北站是济南城市轨道交通6号线工程的地下车站，位于凤凰路与响泉街交叉口西侧，6号线沿凤凰路南北向敷设，共设置4个出入口（其中A口为预留出入口，D口为顶出出入口），2组风道，一个安全出入口。B、C出入口过凤凰路段采用顶管法施工，出入口明挖段设置始发井，下穿凤凰北路，在王舍人北站车站内接收。

B、C口地层自上而下分别为杂填土、素填土、粉质黏土、圆砾、卵石，地质主要为粉质黏土⑨-1，水位埋深2.00~7.63m，水位标高21.59~26.54m，车站主要揭露地下水为第四系松散层孔隙水。主要接受大气降水补给、下部岩溶承压水顶托补给，以侧向径流、人工开采方式排泄。在丰水期及枯水期地下水位有所变化。含水层为粉质黏土层、粉土层、圆砾层、碎石层、胶结砾岩层及含碎石粉质黏土层，其中粉质黏土层具透水性，补给速度快；碎石层及含碎石粉质黏土层含水量丰富，具承压性，顶托补给上部含水层。

其中C出入口埋深约为5.6-7.8m，下坡顶进，坡度为5%，而国内顶管施工中，3%坡度已属于大坡度，本次5%的超大坡度施工，对建设者来说是一次前所未有的考验，这就使得在顶管施工过程中姿态控制尤为重要。

2.2 衬砌设计

顶管机开挖尺寸为6940mm*4940mm，隧道衬砌采用矩形钢筋混凝土预制管节，管节衬砌外径4900mm*4900mm，混个凝土级别为C50，抗渗等级为P10，每环管节为一整体，管节厚度450mm，宽度1500mm，重量约40t。

3 顶进原理

顶管机通过始发井推进油缸，依次推动顶铁、管节以及主机向前掘进，顶管机最前部刀盘转动切削土体落入土仓，再利用螺旋输送机将土仓内渣土输送至渣土小车并运至地面；掘进1.5m后停止掘进，缩回推进油缸，并后移顶铁，利用地面吊车将管节吊装下井，管节承插拼装完成后，推进油缸伸出，继续推动顶铁、管节、顶管机前进，重以上施工步骤，从而掘进完成整个隧道。

4 大坡度控制措施

4.1始发导轨设置坡度

始发导轨直接关乎顶管机进洞的姿态，所以始发导轨的测量定位至关重要，顶管机为5%的下坡顶进，始发导轨设置2.5%的坡度，防止顶管机进洞后坡度过大栽头或偏离隧道轴线。

始发导轨稳固、正确，在顶进中承受各种负载不位移、不变形、不沉降，四根轨道平行、等高。轨道与顶进轴线平行，导轨高程偏差不超过3mm，导轨中心水平位移不超过3mm，导轨规格采用预埋钢板焊接轨道的形式。始发井结构施工时在底板预埋8850nm*300mm四块钢板，焊接43轨道并用压块固定牢固用作顶管机始发导轨，并在导轨涂满黄油来减少顶管机的摩擦力。

4.2 后靠背设置坡度

后靠背作为顶进过程中为推进油缸提供反作用力的结构，因此后靠背自身的垂直度、与轴线的垂直度对顶进姿态控制工作也至关重要。为保证力的均匀传递，后靠背钢箱根据实际顶进轴线放样安装，与始发导轨垂直，和侧墙之间为2.5%的坡度。

图1 后靠背安装示意图

后靠背两个钢箱沿洞门中线对称安装，钢箱底部与底板接触，后靠后侧墙体，后靠背钢箱与侧墙间填充C30混凝土。后靠背钢箱与侧墙之间的空隙填充C30混凝土，目的是保证后靠钢盒与混凝土后背墙及工作井墙壁充分接触。这样，顶管顶进中产生的反顶力能均匀分部在内衬墙上。

侧墙预埋长900mm*宽100mm*厚20mm钢板，预埋钢板与钢箱间通过C20钢筋焊接，起到固定后靠背钢箱的作用。后靠钢盒的安装高程偏差不超过5mm，水平偏差不超过7mm。

图2 后靠背安装图

4.3 进洞后纠偏

由于顶管机自身较重，且粉质黏土承载力稍低，具有一定的压缩率，顶管机以始发导轨的坡度2.5%进洞后，可能会出现栽头现象；另一方面由于隧道坡度为5%，也可能会存在顶管机进洞后达不到5%的坡度。

王舍人北站B出入口顶管机以2.5%下坡进入原状土后，顶管机整体为3.5%的坡度，未达到设计的5%坡度，处于设计轴线的上方，为防止姿态超限，此时需要借助顶管设备自身、加装姿态控制工装和管节拉紧的纠偏方式来控制姿态，调整顶管机在隧道轴线内。

4.3.1顶管机纠偏

（1）铰接油缸纠偏

铰接油缸纠偏，即通过调整上、下、左、右铰接油缸的伸缩量和力矩来改变机头前进方向，从而达到纠偏和保持姿态的目的。

顶管机壳体铰接部位周边有12根铰接油缸，上下左右各3根铰接油缸，通过伸长上部的铰接油缸至16cm，缩短下部的铰接油缸在4cm，来调整顶管机的整体趋势。

图3 铰接油缸

（2）注浆纠偏

纠偏注浆的浆液为黄泥，注入的黄泥流动性差，具有良好的密实性和支撑效果。注入口主要是矩形顶管机壳体周边预留的多处注浆口，以及利用管节预留注浆孔进行注入。

图4 壳体和管节预留注浆孔图

根据实际情况在壳体上部和管节上部注入适量黄土，提高上部土体的密实性，起到改变顶管机趋势的效果，直至顶管机姿态不偏离轴线为止停止注浆，从而达到纠偏的目的。

4.3.2姿态控制工装

在管节预埋钢板上焊接姿态控制工装，通过将牛腿焊接在关节预埋钢板上，中间利用丝杆连接，利用丝杆拉紧管节，形成类似铰接的作用，来防止顶管机姿态栽头。

图5 姿态控制工装图

施工过程中为使姿态调整，上部丝杆保证管节连接安全的情况下适当伸长和缩短，丝杠的固定会减少管节承插口的活动余量，起到保持姿态的作用。

4.3.3管节拉紧

顶管机姿态正常后，通过管节预埋件用槽钢对管节进行纵向拉结，提高管节的整体性、防止栽头、控制掘进姿态、减少管节错台。管节内侧每面各设置4个预埋件，共16个预埋件，预埋件用槽钢进行焊接拉结。

图6 管节拉紧图

5 实施效果

通过顶管机自身铰接和注浆纠偏、姿态控制工装及管节拉紧装置的措施，顶管机姿态以进洞后3.5%的坡度平稳的纠偏至设计5%的坡度，在后续顶进施工中一直控制在合理范围内，顺利克服了大坡度顶管始发、姿态调整等难题，最终隧道顺利精确贯通，顶管水平和垂直姿态均控制30mm左右，顶管管节接缝处无错台、破损、裂缝，管节内部结构无湿渍，满足设计和规范要求，达到了期望的目标。

6 结论

在顶管隧道施工过程中，顶管机的顶进姿态的控制是影响乃至决定工程质量的重要因素，因此必须采取措施将顶管机的姿态即刻控制在可预见的范围内。同时为了提高灵活性，还要综合考虑影响的因素，结合客观事实，采取有针对性、有计划性的调整措施，完善顶管机顶进控制，加快隧道的施工。济南地铁6号线王舍人北站出入口大坡度顶管施工采取的控制措施具有很好的适用性，总结得到的工程实践经验对后续顶管施工具有重要的推广意义。

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