CN111075474B - 地铁车站出入口通道的矩形顶管施工方法 - Google Patents

地铁车站出入口通道的矩形顶管施工方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种地铁车站出入口通道的矩形顶管施工方法。该施工方法具体依次包括始发井、接收井的施工，计算和确定顶进的参数，顶进前对管外壁涂抹蜡，顶进时将顶管机机头与其相邻的三节管节连接为一个整体，顶进过程中同时向管节背后注入压注触变泥浆，并设置止退装置防止顶管机后退；搭设接收平台接收顶管机，顶进施工完成之后，对管节间隙及管节与两端洞门间的间隙进行封堵，最后加注水泥浆对触变泥浆进行置换，固结顶管通道。本发明保证了地下管线不沉降、不开裂、不泄露等，且相比传统明挖法施工，该施工方法对环境影响小、施工安全、操作简单，工序单一，造价低，节约成本，具有较好的推广意义。

Description

地铁车站出入口通道的矩形顶管施工方法
技术领域
本发明专利涉及地铁车站的施工，具体是一种适用于地层构造复杂、埋深较浅、临近建(构)筑物、隧道之间近、地面条件限制、对周边沉降控制较严格、施工工期紧、下穿重要管线等条件下的地铁车站出入口通道的矩形顶管施工方法。
背景技术
随着我国经济的快速发展，各个大城市正在大力推进地铁建设，提升城市整体形象，又快又好的建设地铁是一件重大的民生工程，意义深远。但是，地铁车站施工往往在城市繁华地段，随着地铁行业的不断发展，城市地下空间利用率会越来越高，然而地下空间中各种管线布置交错复杂，地铁施工不可避免的会穿越各种地下高危管线，这是地铁设计和地铁施工中不可避免的难题。处理好地下管线的保护工作，是地铁顺利开工和顺利完工的保障。
地铁车站主体一般沿城市主干道设计，市政主要管线也沿主干道平行设置，车站主体与大部分管线平行，涉及管线相对较少。而出入口一般与车站垂直相交，横穿主干道，同时横穿许多高危市政管线，如军缆、高压燃气、雨水管、给水管等重要管线，鉴于城市空间拥挤及管线的重要性，产权单位往往不同意对管线进行改迁或悬吊等保护措施，给出入口施工带来极大困难，严重影响工期。若出入口采用常规暗挖法施工，因埋深浅、管线多，周边环境复杂等不良因素，施工安全质量无法得到有效保证。
发明内容
本发明针对当下城市环境的客观条件，提出了一种地铁车站出入口通道的矩形顶管施工方法，该方法适应性广，其顶管尺寸可调整、对环境影响小、安全性高，可以确保出入口快速安全的近距离下穿市政管线，并可以解决出入口管线改迁难的问题，并且可使工期得到有效保证，施工安全质量可控。
为了达到上述技术目的，本发明提供了一种地铁车站出入口通道的矩形顶管施工方法,其特征在于具体步骤如下：
(1)在地铁车站出入口附属结构处施工始发井，在主体车站内侧施工接收井，并在始发井和接收井的端头1～1.5倍顶管机长度范围内布设加固桩；
(2)矩形顶管的安装、下井及始发前准备：依次包括顶管机基座及顶进后靠和机架的安装、顶管机吊装下井及设备组装、主顶的定位及调试验收、顶管机就位及调试验收、始发井洞门破除及洞门止水装置的安装；
(3)计算和确定顶进的参数，其参数具体包括：顶管推力计算、正面土压力初始值的计算、顶进速度、出土量；
(4)开始进行顶进施工，在顶进前将管节外表面采用石蜡涂抹烘烤处理，顶管机机头进洞时，将顶管机机头与其相邻的三节管节连接为一个整体；在顶进过程中，采用注浆泵通过开设在管节上的压浆孔均匀向管节背后压注触变泥浆，其注浆压力控制在0.28～0.32MPa，所述触变泥浆的比重为1.1～1.15g/cm3，粘度1～20s，失水率<25cm3/30mim；并在末端管节安装有止退架，每次顶进完成后，将止退架与末端管节的吊装孔固定，在主顶油缸回缩过程中防止顶管机和管节出现后退；
(5)在接收井内搭设接收平台，接收平台位于车站中板底150～180mm，平台与中板固定连接；
(6)在顶管到达距接收井5～7m时，开始停止第一节管节的压浆，并在以后顶进中压浆位置逐渐后移，保证顶管进洞前形成完好的5～7m的土塞；在顶管机到达接收井加固区前采取竖向抽芯的方式对加固区进行水平取芯探测，确定加固区质量，在顶管机切口进入接收井洞口加固区域时，减慢顶进速度，调整出土量，逐渐减小机头正面土压力；
(7)顶管机到达接收井洞门围护桩时停止掘进，破除接收端洞门围护桩，完成顶管机的接收工作；
(8)顶管机接收完成之后，将顶管机吊出，并拆除管内设备将接收洞门封堵，然后采用双组份聚硫密封膏对管节间的缝隙填充，用弧形钢板将通道两端洞门与管节外壳间的间隙封堵，并注入加固液浆对管节外的土体进行加固；
(9)最后加注水泥浆对触变泥浆进行置换，固结顶管通道，待压浆体凝结后拆除注浆管路，并将管节上的压浆孔封堵。
本发明进一步的技术方案：所述步骤(1)中的始发井是直接在车站出入口结构顶板上预留的吊装孔洞，顶管机直接从吊装洞口吊至车站出入口附属结构底板上，即可始发，顶管完成后封堵顶板；所述步骤(1)中的接收井是在车站主体结构顶板和中板上预留的吊出孔洞，顶管机吊出后，将顶板和中板预留的吊出孔洞进行封板。
本发明较优的技术方案：所述步骤(2)中的方形顶管节采用多刀盘土压平衡顶管机，在始发井内基座定位后，在基座上设置平行等高的两根轨道，且轨道与顶进轴线平行，顶管机机头放置在机架上，机架与后靠钢盒连接在轨道上，随着顶进的进行，轨道沿顶进方向沿伸，机架及后靠钢盒便滞留在工作井内；同样在接收井内也安装一个机架，下铺钢轨。
本发明进一步的技术方案：所述步骤(2)中的洞门止水装置包括施工前在洞圈上安装的帘布橡胶板密封洞圈，其帘布橡胶板采用10mm～15mm厚的折页钢板作为压板，钢压板的螺栓孔采用腰子孔形式。
本发明进一步的技术方案：所述步骤(3)中顶管推力F(kN)按照以下公式计算：
F＝F0+f0L ①
F0＝S×(P0+Pw) ②
P0＝K0γ(H+2H1/3) ③
f0＝RC+Wf ④
上述公式中：L—顶管段长计，F0—初始推力(kN)，
f0—每米管节与土层之间的综合摩擦阻力(kN/m)，
S—机头截面积(m2)，
P0—机头底部以上1/3高度处的静止土压力KN/m2，
Pw—地下水压力(KN/m2)，γ—土的容重(KN/m3)，
H—管顶土层厚度(m)，H1—掘进机高度(m)，
Figure BDA0002360036590000041
—土的内摩擦角，(28°)，
K0—砂性土中取0.25～0.33之间，粘土中0.33～0.7之间，
R—综合摩擦阻力(kPa)，取2～8kpa，C—管外周长(m)，
W—每米管节的重力(kN/m)，
f—管节重力在土中的摩擦系数，取0.2；
所述管道的正面土压力计算初始值采用Rankine压力理论进行计算，具体计算如下：
P＝k0rz+P1 ⑤
公式⑤中，P—管道的侧向土压力，k0—土体的侧向系数，
z—覆土深度，P1—超载系数(20KN/m2)；
所述顶进速度初始段控制在5～10mm/min，正常施工阶段控制在10～ 20mm/min；
所述出土量为理论出土量的98％～100％。
本发明较优的技术方案：所述步骤(4)中的触变泥浆的配方为每立方触变泥浆包括190～210Kg膨润土、930～970Kg水、5～8Kg纯碱和2～3Kg 羧甲基纤维素(CMC)；其中膨润土中的钾、钙、钠蒙脱石总含量大于65％；在每节管节上均匀布置有十个压浆孔，其压浆量为理论压浆量的3～5倍。
本发明进一步的技术方案：所述步骤(4)在顶管机顶进过程遇到卵砾石层、中粗砂层、粉细砂层中任意一种含泥量较少的不良土层时，通过设在顶管机刀盘及胸板中心轴上的注浆孔向土仓内注入改良浆液，改良浆液注入量在15％～30％之间，所述改良浆液是由膨润土、水、纯碱和羧甲基纤维素配置的粘度计值在8000～10000之间，比重在1.30～1.50的改良泥浆。
本发明进一步的技术方案：所述步骤(4)中临近顶管机机头的三节管节内部设置一圈预埋钢板，并用型钢将顶管机机头与三节管节连接为一个整体；所述止退架包括对称设置在末端管节两侧的两个直角三角形支架，两个直接垂直置于末端管节的两侧，其中一直角边固定在顶管导轨上，其斜边朝向尾端管节的后侧延伸，并在两个支架上端设有插销孔，在油缸行程推完时，分别通过插销将两个支架与末端管节固定连接。
本发明较优的技术方案：所述步骤(8)中管节间的缝隙填充具体是先采用双组份聚硫密封膏刮涂一遍，第二次在缝中刮填密封膏到所需高度，并压紧刮平，并在密封膏在未充分固化注意保护和防止浸水。
本发明较优的技术方案：所述步骤(8)的加固浆液的材料配比为：水泥290～310Kg/m3、粉煤灰410～430Kg/m3、膨胀剂60～70Kg/m3、水650～ 670L/m3；其加固液的注浆过程是：首先采用注浆泵从管节底部开始，按管节顺序依次奇数节压注，之后从顶管通道尾部偶数节往前压注，底部压注完成后，再按如上顺序压注管节中部，最后是管节顶部，循环直到完成，最后关闭所有阀门，保压十分钟，保压时注浆压力为0.2Mpa。
本发明中的矩形顶管选型选用多刀盘土压平衡顶管机，其基本原理是电机通过安装在隔舱板上的减速器驱动、旋转刀盘，刀盘切削掌子面并将切削下来的泥土在泥土仓内进行土体改良形成塑性体泥团，通过螺旋出土器控制排土量来平衡土压力和地下水压力。顶管机下部设有螺旋输送机的喂料口，切削下来的土体通过螺旋输送机排出，由于前壳体被隔舱板隔离成前面的土压仓和后面的动力仓两部分，地下水无法渗透进来，所以多刀盘土压平衡顶管机可在高地下水位以下进行顶管施工有效控制地面沉降。
本发明的有益效果：
(1)本发明在下井前将管节外表面采用石蜡涂抹烘烤处理，减小管壁与土体的摩擦系数，从而有效减小整体顶管的摩擦阻力；在顶进施工中通过从管节内部的注浆孔向外压注减阻泥浆，使管节四周形成一圈泥浆套，变固固摩擦为固液摩擦，以达到减小总顶力的效果，进一步达到减少摩阻力的效果，同时对于周围受扰动土体也有一定的充实效果。
(2)本发明的触变泥浆采用润土膨润土触变泥浆，膨润土具有膨胀性和触变性，膨润土泥浆的触变性，有助于顶进管节在地层间运动时成为减摩剂，以粘性液体减小摩阻力；静止时，成为凝胶体支撑地层，填补施工时管道与土体之间产生的空隙，同时在注浆压力下，减小土体变形，使隧洞变得稳定。
(3)由于矩形顶管机断面尺寸大，机头自重较大，一般顶管机重量约 200t，当顶管机进入原状土层中遇在土质较差地区极易出现机头进洞栽头的现象，为了防止此类事情发生本发明在工作井施工时在端头一定范围内布设加固桩，提高前方土体强度，机头进洞时，将机头和后面的管节用拉杆连接起来，使之成为一个整体，从而使机头沿着导轨方向顺利前进。
(4)本发明在顶管顶进过程中，在末端管节两侧设置止退架，当油缸行程推完，需要加垫块或管节时，将销子插入管节的吊装孔内将末端管节稳住，避免了在主顶油缸回缩时机头和管节出现后退现象，从而解决了因机头和管节的后退导致的机头和前方土体间的土压平衡受到破坏，土体面得不到稳定支撑，易引起机头前方的土体坍塌的问题。
(5)本发明中在穿过如黏质粉土层、粉砂层等不良地层时，通过设在顶管机刀盘及胸板中心轴上的注浆孔向土仓内注入改良浆液，土体中注入改良浆液后，不仅改善流动性和塑性，而且改善止水性能，有这样良好的土水性的土充满螺旋输送机的壳体内时，地下水就不会产生喷发。
(5)本发明出入口矩形顶管应用范围广，顶管机尺寸型号多，常用的 7000mm*5000mm顶管机能够较好地满足目前地铁设计出入口的使用功能，具有很大适用性。
本发明矩形顶管出入口与传统明挖法施工相比，顶管法施工对环境影响小、施工安全、操作简单，工序单一，能够很好地适应浅埋地层出入口施工，较好地保护地下管线，保证地下管线不沉降、不开裂、不泄露等，出入口矩形顶管法施工工期短，造价低，节约成本，具有较好的推广意义。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图；
图2是本发明的顶管施工平面示意图；
图3是本发明中始发洞门截面示意图；
图4是本发明中洞门凿除水平探孔布设图；
图5是本发明中洞门凿除分层顺序图；
图6是本发明中管棚布设截面示意图；
图7是本发明中止退架安装的正面示意图；
图8是本发明中止退架的安装俯视图；
图9是本发明在顶进过程中渣土通道内渣土水平运输示意图；
图10是本发明在顶进过程中渣土垂直运输示意图；
图11是本发明中接收平台的纵向剖面图；
图12是本发明中接收平台的横向剖面图；
图13是本发明实施例中的出入口施工剖面图。
图中：1—末端管节，2—左支架，3—右支架，4—顶管导轨，5—插销孔，6—吊装孔，7—插销，8—顶管机，9—油缸，10—车站出入口附属结构， 11—始发井，12—顶管推进区域，13—接收井，14—车站主体结构，15—始发洞门，16—水平探孔，17—车站顶板，18—螺旋机，19—顶管管节， 20—车站中板，21—后靠钢盒，22—渣土斗，23—吊机，24—接收平台， 25—洞门钢环，26—管棚，27—顶管施工区域。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。附图1至图12均为实施例的附图，采用简化的方式绘制，仅用于清晰、简洁地说明本发明实施例的目的。以下对在附图中的展现的技术方案为本发明的实施例的具体方案，并非旨在限制要求保护的本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例针对郑州机场至许昌市域铁路工程(郑州段)某个车站施工项目，该主体结构车站主体结构外包长度为203m，设置2个出入口，2组风亭，为地下二层岛式车站，该车站的1号出入口位于车站西侧，下穿高压燃气管线段，其地层主要包括粉砂层、黏质粉土层，该工程施工范围内地下管线有DN273次高压燃气管线、DN250中压燃气管线、DN800雨水管线、通信线、军缆等管线，顶进时管线易沉降、破裂。给出入口通道施工带来极大困难，严重影响工期，为了能够保证施工安全，解决出入口管线改迁难的问题，该项目选择本发明中的矩形顶管施工方法进行施工。
如图2所示，该项目的顶管始发井1座，净空尺寸11.8m×9m，深10.1m；顶管总顶进长度为19.5m，主要穿越粉砂层、黏质粉土层，覆土厚度约为4.6m。顶管管节外包尺寸为7m×5m，内部净空尺寸为6m×4m，管节厚度0.5m，管节混凝土等级为C50，抗渗等级为P8。单节管节长度为1.5m，共13节，单节重约42吨，采用“F”型承插式连接。顶管施工拟采用对地层扰动小的组合式多刀盘土压平衡式矩形顶管机进行掘进施工，其基本原理是电机通过安装在隔舱板上的减速器驱动、旋转刀盘，刀盘切削掌子面并将切削下来的泥土在泥土仓内进行土体改良形成塑性体泥团，通过螺旋出土器控制排土量来平衡土压力和地下水压力。顶管机下部设有螺旋输送机的喂料口，切削下来的土体通过螺旋输送机排出。由于前壳体被隔舱板隔离成前面的土压仓和后面的动力仓两部分，地下水无法渗透进来，所以多刀盘土压平衡顶管机可在高地下水位以下进行顶管施工有效控制地面沉降。常规出入口可选择7000*5000mm的顶管机，即可满足出入口建筑需要。
本发明实施例中顶管机共布置6个刀盘，1个直径2980mm刀盘、2个直径2800mm刀盘、3个直径2400mm刀盘，刀盘前后错开布置，直径2400 mm刀盘前置，直径2800mm和2980mm刀盘后置。6个刀盘均采用3台30kw 电动机驱动，电机转速1470r/min，刀盘转速0～1.5r/min，刀盘最大扭矩570KN*M。全断面总面积34.808m2，总切削面积31.849m2，整个刀盘切削率为91.5％，总搅拌面积29.065m2，搅拌率为83.5％。
该项目的出入口施工过程如图1所示，具体包括以下施工步骤：
(1)如图2所示，在地铁车站出入口附属结构10的顶板上预留吊装孔洞作为始发井11，顶管机可直接从吊装洞口吊至车站结构结构底板上，即可始发，顶管完成后封堵顶板，始发井11一般设置在出口内，作为出入口结构的一部分，可兼做出入口人防段；在车站主体结构14的顶板和中板上预留的吊出孔洞作为接收井12，在顶管机吊出后，将顶板和中板预留的吊出孔洞进行封板便可完成接收井的封堵，可有效利用车站原有结构，避免单独做始发井和接收井等繁琐工序，节约工期和成本，接收井12还可以兼做材料进出孔；在始发井11和接收井12的端头1～1.5倍顶管机长度范围内布设加固桩，始发井端部的加固范围为14000X3200mm，接收井端头地层加固范围14000X3200mm及始发井后靠墙背加固范围14000X5000mm，采用
Figure BDA0002360036590000111
800@600mm高压旋喷桩进行加固。为方便操作人员下井工作，在工作井内安装了一个钢扶梯，上铺走道板，同样在接收井内也要安装钢扶梯和走道板，方便工作人员上下。
(2)矩形顶管的安装、下井及始发前准备；
①基座及顶进后靠、机架的安装：首先安装基座，基座定位后必须稳固、正确，在顶进中承受各种负载不位移、不变形、不沉降。基座安装好之后，在基座上安装两根平行登高的导轨，导轨与顶进轴线平行，导轨高程偏差不超过3mm，导轨中心水平位移不超过3mm，导轨的规格采用8.4m×7.7m 的钢轨。导轨安装完成后，机头并不是直接放置在轨道上，而是放置在机架上，机架及后靠钢盒连接在导轨上。后靠钢盒设有两件，规格6.0×3.0m，单件重量19.05T重，同样在接收井内也需安装一个后靠钢盒机架，下铺钢轨；随着顶进的进行，轨道沿顶进方向沿伸，机架及后靠钢盒便滞留在工作井内。后靠钢盒自身的垂直度、与轴线的垂直度对顶进工作也至关重要，为保证力的均匀传递，后靠钢盒根据实际顶进轴线放样安装时，将钢后靠背作为钢模板与后背墙混凝土模板一起安装，浇筑混凝土后背墙，其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。后靠钢盒的安装高程偏差不超过 5mm，水平偏差不超过7mm。
②顶管机吊装下井及设备组装：顶管始发井拟采用一台200t履带吊车吊装机头，顶管机头采用分段吊装，最重的前端约为68t，为了避免顶管机头吊装中工作井、路面及路面下管线的损坏，对吊车停靠位置处下方应夯实硬化并铺设30mm厚钢板，再在钢板上铺钢制路基箱(7m×2.2m×0.43m) 四块，降低吊车对路面的压强。在吊装前对吊装设备器具进行详细检查，确保吊装设备器具安全可靠，并配备专业施工人员进行指挥、操作。顶管机从平板车上被吊起后，要作片刻的停顿，一是确定顶管机头的实际重量是否在吊车的起重范围内；二是观察吊车对路面及工作井的影响。在确定是安全的情况下，将顶管机头缓慢吊入工作井，准确地停放在基座的轨道上。并在顶管机头起吊过程中，加强对周围地面的观测，如发现路基变形，立即将机头放下，吊车移位，同时对井周围原有的混凝土路面下进行注浆加固。
③主顶的定位及调试验收：主顶的定位将关系到顶进轴线控制的难易程度，故在定位时要力求与管节中心轴线成对称分布，以保证管节的均匀受力。主顶定位后，需进行调试验收，保证10个千斤顶的性能完好。
④顶管机就位、调试验收：为保证顶管始发段的轴线控制，顶管机吊下井后，需对顶管机进行精确定位，尽量使顶管机轴线与设计轴线相符。在顶管机准确定位后，必须进行反复调试，确保顶管机运转正常，验收合格，方可始发。
⑤洞门破除：首先根据附图3中前期洞门钢环25预留尺寸，测量放线确定始发洞门凿除范围，洞门凿除前，如图4所示，在始发洞门15区域内打设水平探孔16(探孔间距为2.5m～3m)，探孔主要分布在洞门范围边缘处，上部布置孔数宜少，下部孔数宜多，以观察洞外土体加固状况，然后根据探孔取样土体及孔内渗水情况，决定是否对土体进行补充加固，打设水平探孔时现场配备木塞，出现透水现象时及时进行封堵，待确定探孔内无明水流出时可进行洞门凿除工作。凿除顺序按照从外到内分层、由上往下分块，其具体顺序如图5中的数字顺序进行，先中间后两边。始发洞门凿除时，首先分块将外层筋剥离，凿除混凝土至内层筋外露，之后剔凿内层筋，使其与混凝土分离。清理渣土后顶管机前推，尽量靠近洞门脚手架。进一步确认顶管机状态完好后快速的割除内层筋，并迅速拆除脚手架，前推顶管机，使刀盘接触到洞门土体。
⑥洞门止水装置的安装：由于洞圈与管节间存在着15cm的建筑空隙，在顶管始发及正常顶进过程中极易出现外部土体及触变泥浆涌入始发井内的严重质量安全事故；为防止此类事故发生，施工前在洞圈上安装帘布橡胶板密封洞圈，橡胶板采用12mm厚钢压板作靠山，压板的螺栓孔采用腰子孔形式，以利于顶进过程中可随管节位置的变动而随时调节，保证帘布橡胶板的密封性能。
(3)计算和确定顶进的参数；
a.顶管顶推力F(kN)计算，具体按照公式①公式计算：
F＝F0+f0L ①
公式①中：F0—初始推力(kN)；L—顶管段长计；f0—每米管节与土层之间的综合摩擦阻力(kN/m)。
公式①中的F0按照公式②计算：
F0＝S×(P0+Pw) ②
公式②中：S—机头截面积(m2)；P0—机头底部以上1/3高度处的静止土压力KN/m2；Pw—地下水压力(KN/m2)。
公式①中的P0按照公式③计算：
P0＝K0γ(H+2H1/3) ③
公式③中：γ—土的容重(KN/m3)；H—管顶土层厚度(m)；H1—掘进机高度(m)；
Figure BDA0002360036590000141
—土的内摩擦角，(28°)；K0—砂性土中取0.25～0.33之间，粘土中0.33～0.7之间。
公式①中的每米管节与土层之间的综合摩擦阻力f0按照公式④计算：
f0＝RC+Wf ④
公式④中：R—综合摩擦阻力(kPa)，取8kPa；
C—管外周长(m)，得C＝(a+b)×2＝(5.0+7.0)×2＝24(m)；
W—每米管节的重力(kN/m)；f—管节重力在土中的摩擦系数，取0.2。
根据公式④可以计算得到f0＝8×24+W×0.2。
b.正面土压力初始值的计算，采用Rankine压力理论进行计算，具体按照公式⑤计算：
P＝k0rz+P1 ⑤
公式⑤中，P—管道的侧向土压力，k0—土体的侧向系数，
z—覆土深度，P1—超载系数(20KN/m2)；
以土压力的计算值，只能作为土压力的最初设定值，随着顶进的不断进行，土压力值应根据其它实际顶进参数、地面沉降监测数据作相应的调整。
c.顶进速度，初始阶段不宜过快，一般控制在5～10mm/min左右，正常施工阶段可控制在10～20mm/min左右。
d.出土量，严格控制出土量，防止超挖或欠挖，正常情况下出土量控制在理论出土量的98％～100％，一节管节的理论出土量为52.8m3。考虑加入润滑泥浆，再加上土的膨胀系数，其实际一节管节出土量在55m3左右。顶管工程中，管内的出泥量要与顶进的取泥量相一致，出泥量大于顶进取泥量，地面会沉降，出泥量小于顶进取泥量，地面会隆起，都会造成管道周围的土体扰动，只有控制出泥量与顶进取泥量相一致，才不会影响管道周围的土体，从而才能保证地面不受影响，而要作到出泥量与取泥量一致的关键是严格控制土体切削掌握的尺度，防止超量出泥。
(4)准备进行顶进施工，在顶进前将管节外表面采用石蜡涂抹烘烤处理，顶管机机头进洞时，在临近顶管机机头的三节管节内部设置一圈预埋钢板，并用型钢将顶管机机头与三节管节连接为一个整体，并在导轨上用两个手拉葫芦间隔一米拉紧，从而使机头沿着导轨方向顺利前进。在顶管施工前，打管棚对管线进行保护，管棚采用Φ108mm*6mm Q345钢管，如图 6所示，沿顶管顶进方向环向布置，间距为400mm；管棚单根长度为12米，共计25根，管棚工程总量为300m，采用潜孔钻机引孔。管棚注浆采用水泥单液浆，水灰比为1:0.85～1：1.25，注浆压力控制在0.5～1.0MPa之间。
(5)在顶进过程中，在顶管顶进的同时，采用注浆泵通过开设在管节上的压浆孔均匀向管节背后压注触变泥浆，变固固摩擦为固液摩擦，以达到减小总顶力的效果，在每节管节上均匀布置压浆孔10个，顶进时压浆孔要及时有效的跟踪压浆，补压浆的次数和压浆量应根据施工时的具体情况来确定，压浆时必须坚持“随顶随压、逐孔压浆、全线补浆、浆量均匀”的原则。注浆系统包括浆液搅拌机、注浆泵、压力表、机头注浆接口和管节注浆接口，其注浆压力控制在0.3MPa左右，所述触变泥浆的比重为1.1～ 1.15g/cm3，粘度1～20s，失水率<25cm3/30mim；触变泥浆的用量主要取决于管节周围空隙的大小及周围土质的特性，由于泥浆的流失及地下水等作用，泥浆的实际用量要比理论大得多，实际压浆量一般为可达理论值的 3-5倍，因本工程地质砂性较重，浆液易损耗，注浆量拟定理论值4倍，具体施工中还可以根据土质的情况、顶进状况、地面沉降的要求等作适当调整。触变泥浆的配方为每立方触变泥浆包括200Kg膨润土、950Kg水、6Kg 纯碱和2.5Kg羧甲基纤维素(CMC)；其中膨润土中的钾、钙、钠蒙脱石总含量大于65％。
在顶进过程中渣土的输送如图9和图10所示，首先通过渣土通道内水运输至始发井11，然后采用履带式吊机23送至地面的集土坑内；每节顶管管节安装前，需先粘贴止水圈及衬垫，管节与管节的接口部分按设计要求进行嵌填，同时，尽量保证管节与机体处于同心同轴状态，管节相连后，应在同一轴线，不应有夹角、偏转，受力面应均匀。
在顶进过程中，由于矩形顶管掘进机的断面较大，前端阻力大，实际施工中，即使管节顶进了较长距离，而每次拼装管节或加垫块时，主顶油缸一回缩，机头和管节仍会一起后退20～30cm，导致机头和前方土体间的土压平衡受到破坏，土体面得不到稳定支撑，易引起机头前方的土体坍塌。为了避免上述情况，在末端管节安装有止退架。如图7和图8所示，所述止退架包括对称设置在末端管节1两侧的两个直角三角形支架，两个直接垂直置于末端管节的两侧，其中一直角边固定在顶管导轨4上，其斜边朝向尾端管节的后侧延伸，并在两个支架上端设有插销孔5，在油缸行程推完时，分别通过插销7将两个支架与末端管节1固定连接，在主顶油缸回缩过程中防止顶管机8和顶管管节19出现后退。
在顶进过程中，如果遇到卵砾石层、中粗砂层、粉细砂层中任意一种含泥量较少的不良土层时，通过设在顶管机刀盘及胸板中心轴上的注浆孔向土仓内注入改良浆液，同时顶管机刀杆后焊有多根搅拌棒，加泥以后只有通过搅拌棒的不断搅拌，才能使由作泥材料制成的浆液与挖掘下来土砂拌和得很均匀，使改良后的土体变得具有良好的塑性、流动性和止水性。土体中注入作泥材料浆液后，不仅改善流动性和塑性，而且改善止水性能，避免地下水产生喷发。改良浆液注入量在15％～30％之间，所述改良浆液是由膨润土、水、纯碱和羧甲基纤维素配置的粘度计值在8000～10000之间，比重在1.30～1.50的改良泥浆。本项目采用矿物类改良剂，其主要材料为膨润土，通过实验得到膨润土浆液和泡沫剂与渣土的最佳配比，膨润土与水比例为1:8的膨润土浆液，渣土与膨润土浆液、泡沫剂比例为 1:0.08:0.003。其C型粘度计值在8000～10000之间，比重在1.30～1.50 之间，具体的配合比可以如下：膨润土100Kg、水950Kg；干砂地层土体改良浆液配比：每立方膨润土100KG，水980KG，纯碱6KG，CMC 2.5KG；膨润土的P值7.5～10，粘度2～10pa.s。
(5)在接收井13内搭设接收平台24，接收平台24位于车站中板20底 150～180mm，平台与中板固定连接；接收平台24如图11和图12所示，采用Φ609钢支撑+36a槽钢+20a工字+100mm*100mm*10mm等边角钢+3cm钢板整体搭设而成；钢支撑纵向间距为2.5m(遇障碍物可微调)，横向间距2.0m，高度5.0+0.5m＝5.5m；36a双拼槽钢沿车站横向设置，间距2.5m(遇障碍物可微调)；20a#工字钢沿车站纵向布置，间距0.5m；30mm钢板：满铺在已搭设好的平台上，三面用22a工字钢紧靠主体结构焊接作为抗滑移挡板；等边角钢作为立杆剪刀撑，纵向、横向连续布置。
(6)在顶管到达距接收井5～7m时，开始停止第一节管节的压浆，并在以后顶进中压浆位置逐渐后移，保证顶管进洞前形成完好的5～7m的土塞；在顶管机到达接收井加固区前采取竖向抽芯的方式对加固区进行水平取芯探测，确定加固区质量，在顶管机切口进入接收井洞口加固区域时，减慢顶进速度，调整出土量，逐渐减小机头正面土压力。
(7)顶管机到达接收井洞门围护桩时停止掘进，破除接收端洞门围护桩，再凿除接收洞门，完成顶管机的接收工作，所述接收端洞门围护桩和接收洞门的凿除工作与步骤(2)中始发洞门的凿除过程相同。
(8)顶管机接收完成之后，将顶管机吊出，并拆除管内设备将接收洞门封堵，然后采用双组份聚硫密封膏对管节间的缝隙填充，用弧形钢板将通道两端洞门与管节外壳间的间隙封堵，并注入加固液浆对管节外的土体进行加固。所述管节间缝隙填充是先采用双组份聚硫密封膏刮涂一遍，第二次在缝中刮填密封膏到所需高度，并压紧刮平，并在密封膏在未充分固化注意保护和防止浸水。所述对管节外的土体进行加固的加固浆液的材料配比为：水泥290～310Kg/m3、粉煤灰410～430Kg/m3、膨胀剂60～70Kg/m3、水650～670L/m3；其加固液的注浆过程是：首先采用注浆泵从管节底部开始，按管节顺序依次奇数节压注，之后从顶管通道尾部偶数节往前压注，底部压注完成后，再按如上顺序压注管节中部，最后是管节顶部，循环直到完成，最后关闭所有阀门，保压十分钟，保压时注浆压力为0.2Mpa。
(9)顶进施工完成后，为减少土体沉降，加强顶管通道整体防水性能，须加注水泥浆对触变泥浆进行置换，固结顶管通道；选用1：1的水泥浆液，通过注浆孔置换管道外壁浆液，根据不同的水土压力确定注浆压力，待压浆体凝结后(一般在24小时以上)方可拆除注浆管路，并换上闷盖将注浆孔封堵。
本发明中的施工方法能够较好地满足该项目的出入口施工在施工过程中较好地保护地下管线，保证地下管线不沉降、不开裂、不泄露等，且相比传统明挖法施工，该施工方法对环境影响小、施工安全、操作简单，工序单一，造价低，节约成本，具有较好的推广意义。
以上所述，只是本发明的一个实施例，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种地铁车站出入口通道的矩形顶管施工方法,其特征在于具体步骤如下：
（1）在地铁车站出入口附属结构处施工始发井，在主体车站内侧施工接收井，并在始发井和接收井的端头1~1.5倍顶管机长度范围内布设加固桩；
（2）矩形顶管的安装、下井及始发前准备：依次包括顶管机基座及顶进后靠钢盒和机架的安装、顶管机吊装下井及设备组装、主顶的定位及调试验收、顶管机就位及调试验收、始发井洞门破除及洞门止水装置的安装；
（3）计算和确定顶进的参数，其参数具体包括：顶管推力计算、正面土压力初始值的计算、顶进速度、出土量；
（4）开始进行顶进施工，在顶进前将管节外表面采用石蜡涂抹烘烤处理，并打管棚对管线进行保护，顶管机机头进洞时，将顶管机机头与其相邻的三节管节连接为一个整体；在顶进过程中，采用注浆泵通过开设在管节上的压浆孔均匀向管节背后压注触变泥浆，其注浆压力控制在0.28～0.32MPa，所述触变泥浆的比重为1.1～1.15g/cm3 ，粘度1～20 s，失水率<25cm3/30mim；并在末端管节安装有止退架，每次顶进完成后，将止退架与末端管节的吊装孔固定，在主顶油缸回缩过程中防止顶管机和管节出现后退；
（5）在接收井内搭设接收平台，接收平台位于车站中板底面下方150～180mm，平台与中板固定连接；
（6）在顶管到达距接收井5～7m时，开始停止第一节管节的压浆，并在以后顶进中压浆位置逐渐后移，保证顶管进洞前形成完好的5～7m的土塞；在顶管机到达接收井加固区前采取竖向抽芯的方式对加固区进行取芯探测，确定加固区质量，在顶管机切口进入接收井洞口加固区域时，减慢顶进速度，调整出土量，逐渐减小机头正面土压力；
（7）顶管机到达接收井洞门围护桩时停止掘进，破除接收端洞门围护桩，完成顶管机的接收工作；
（8）顶管机接收完成之后，将顶管机吊出，并拆除管内设备将接收井洞门封堵，然后采用双组份聚硫密封膏对管节间的缝隙填充，用弧形钢板将通道两端洞门与管节外壳间的间隙封堵，并注入加固浆液对管节外的土体进行加固；
（9）最后加注水泥浆对触变泥浆进行置换，固结顶管通道，待压浆体凝结后拆除注浆管路，并将管节上的压浆孔封堵。
2.根据权利要求1所述的一种地铁车站出入口通道的矩形顶管施工方法，其特征在于：所述步骤（1）中的始发井是直接在车站出入口结构顶板上预留的吊装孔洞，顶管机直接从吊装洞口吊至车站出入口附属结构底板上，即可始发，顶管施工完成后封堵顶板；所述步骤（1）中的接收井是在车站主体结构顶板和中板上预留的吊出孔洞，顶管机吊出后，将顶板和中板预留的吊出孔洞进行封板。
3.根据权利要求1所述的一种地铁车站出入口通道的矩形顶管施工方法，其特征在于：所述步骤（2）中的矩形顶管采用多刀盘土压平衡顶管机，在始发井内基座定位后，在基座上设置平行等高的两根轨道，且轨道与顶进轴线平行，顶管机机头放置在机架上，机架与后靠钢盒连接在轨道上，随着顶进的进行，轨道沿顶进方向延伸，机架及后靠钢盒便滞留在工作井内；同样在接收井内也安装一个机架，下铺钢轨。
4.根据权利要求1所述的一种地铁车站出入口通道的矩形顶管施工方法，其特征在于：所述步骤（2）中的洞门止水装置包括施工前在洞圈上安装的帘布橡胶板密封圈，其帘布橡胶板采用10mm～15mm厚的折页钢板作为压板，压板的螺栓孔采用腰子孔形式。
5.根据权利要求1所述的一种地铁车站出入口通道的矩形顶管施工方法，其特征在于所述步骤（3）中顶管推力F，单位kN，按照以下公式计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
①
F0= S×(P0 +Pw) ②
P0= K0γ(H+2H1/3) ③
Figure DEST_PATH_IMAGE004
④
上述公式中：L—顶管段长度， F0—初始推力kN，
f0—每米管节与土层之间的综合摩擦阻力kN/m，
S—机头截面积m2，
P0—机头底部以上1/3高度处的静止土压力kN /m2，
Pw—地下水压力kN /m2，γ—土的容重kN /m3，
H—管顶土层厚度m，H1—掘进机高度m，
K0—0.25～0.33或0.33～0.7，其中砂性土中取0.25～0.33 之间，粘土中取0.33～0.7之间，
R—综合摩擦阻力kN /m2，取2～8 kN /m2，
C—管外周长m，W—每米管节的重力kN/m，
f —管节重力在土中的摩擦系数，取0.2；
所述顶管正面土压力计算初始值采用Rankine压力理论进行计算，具体计算如下：
P＝k0γz+P1 ⑤
公式⑤中，P—顶管正面土压力， k0—土体的侧向系数，
γ—土的容重kN/m3，z—覆土深度，
P1—超载系数取20 kN/m2；
所述顶进速度初始段控制在5～10mm/min，正常施工阶段控制在10～20mm/min；
所述出土量为理论出土量的98%～100%。
6.根据权利要求1所述的一种地铁车站出入口通道的矩形顶管施工方法，其特征在于：所述步骤（4）中的触变泥浆的配方为每立方触变泥浆包括 190～210kg膨润土、930～970kg水、5～8kg纯碱和2～3kg羧甲基纤维素；其中膨润土中的钾、钙、钠蒙脱石总含量大于65% ；在每节管节上均匀布置有十个压浆孔，其压浆量为理论压浆量的3～5倍。
7.根据权利要求1所述的一种地铁车站出入口通道的矩形顶管施工方法，其特征在于：所述步骤（4）在顶管机顶进过程遇到卵砾石层、中粗砂层、粉细砂层中任意一种含泥量较少的不良土层时，通过设在顶管机刀盘及胸板中心轴上的注浆孔向土仓内注入改良浆液，改良浆液注入量在15%～30%之间，所述改良浆液是由膨润土、水、纯碱和羧甲基纤维素配置的粘度计值在8000～10000 之间，比重在1.30～1.50的改良泥浆。
8.根据权利要求1所述的一种地铁车站出入口通道的矩形顶管施工方法，其特征在于：所述步骤（4）中临近顶管机机头的三节管节内部设置一圈预埋钢板，并用型钢将顶管机机头与三节管节连接为一个整体；所述止退架包括对称设置在末端管节两侧的两个直角三角形支架，两个直角三角形支架垂直置于末端管节的两侧，其中一直角边固定在顶管导轨上，其斜边朝向尾端管节的后侧延伸，并在两个支架上端设有插销孔，在油缸行程推完时，分别通过插销将两个支架与末端管节固定连接。
9.根据权利要求1所述的一种地铁车站出入口通道的矩形顶管施工方法，其特征在于：所述步骤（8）中管节间的缝隙填充具体是先采用双组份聚硫密封膏刮涂一遍，第二次在缝中刮填密封膏到所需高度，并压紧刮平，在密封膏未充分固化时注意保护和防止浸水。
10.根据权利要求1所述的一种地铁车站出入口通道的矩形顶管施工方法，其特征在于：所述步骤（8）的加固浆液的材料配比为：水泥290～310kg/m³、粉煤灰410～430kg/m³、膨胀剂60～70kg/m³、水650～670L/m³；其加固浆液的注浆过程是：首先采用注浆泵从管节底部开始，按管节顺序依次奇数节压注，之后从顶管通道尾部偶数节往前压注，底部压注完成后，再按如上顺序压注管节中部，最后是管节顶部，循环直到完成，最后关闭所有阀门，保压十分钟，保压时注浆压力为0.2Mpa。
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《某地铁过街通道大断面矩形顶管工程设计》;吴圣贤;《现代隧道技术》;20120630;第49卷(第3期);第119-124页 *
《浅埋矩形顶管群密贴施工的顶推力分析研究》;贺善宁等;《隧道建设》;20190331;第39卷(第3期);第383-390页 *
《矩形顶管在地铁出入口施工中的应用》;牛宏荣;《技术与市场》;20160831;第23卷(第8期);第5-7页 *
《矩形顶管技术发展与研究现状》;彭立敏等;《隧道建设》;20150131;第35卷(第1期);第1-8页 *

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