土壓平衡式矩形頂管頂進(jìn)工法是利用土壓平衡矩形頂管機完成矩形斷面的隧道施工，其結構斷面的合理性可減少土地征用量和掘進(jìn)面積，降低工程造價(jià)�？捎糜诮ㄔ斓罔F車(chē)站、地鐵及水底隧道旁通道等。上海隧道股份有限公司通過(guò)完成斷面尺寸為2.5m×2.5m、長(cháng)為60米的矩形隧道試驗，并于1999年4月在上海地鐵2號線(xiàn)陸家嘴車(chē)站5號出入口地下人行通道工程中成功應用， 取得了顯著(zhù)的技術(shù)成果、經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。該技術(shù)成果獲2000年上海市科技進(jìn)步二等獎。

　　1.特點(diǎn)

　　1.1利用土壓平衡矩形頂管機可對矩形斷面進(jìn)行全斷面切削，保持土壓平衡，對周?chē)�土體擾動(dòng)小。

　　1.2在同等截面積下，矩形隧道比圓形隧道可更有效地利用空間，減少地下掘進(jìn)土方。用于人行、車(chē)輛等的地下通道不需再進(jìn)行地面鋪平工序，不僅省時(shí)而且可降低工程造價(jià)20%左右。

　　1.3不影響原有的各類(lèi)地下管線(xiàn)，不影響道路交通、水運以及地面的各類(lèi)建筑。施工時(shí)無(wú)噪音、無(wú)環(huán)境污染。

　　1.4通過(guò)可編邏輯程序控制器及各類(lèi)傳感器等隨時(shí)監測施工狀況，確定施工參數，使整個(gè)施工過(guò)程處于受控狀態(tài)，從而有效控制矩形隧道頂進(jìn)軸線(xiàn)、轉角偏差及地面沉降。

　　2.工作原理及適用范圍：

　　2.1工作原理：

　　整個(gè)控制系統以土壓平衡為工作原理，通過(guò)大刀盤(pán)及仿形刀對正面土體的全斷面切削，改變螺旋機的旋轉速度及頂進(jìn)速度來(lái)控制排土量，使土壓倉內的土壓力值穩定并控制在所設定的壓力值范圍內，從而達到開(kāi)挖切削面的土體穩定。

　　2.2適用范圍：

　　本工法適用于在粘土、淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)砂土及砂質(zhì)粉土等地層中施工。特別適用于在不宜大開(kāi)挖的錯綜復雜的各類(lèi)地下管線(xiàn)下進(jìn)行矩形斷面的施工，保證地面建筑物不受損害。

　　3.施工工藝

　　3.1施工設備

　　3.1.1組合刀盤(pán)式土壓平衡頂管機，主要由頂管機機頭、大刀盤(pán)及仿形刀裝置、糾偏裝置、螺旋機、主頂裝置、動(dòng)力裝置、壓漿系統、電氣控制系統及監測系統等組成。

　　3.1.2配套設備：行車(chē)，拌漿系統，注漿泵，電焊機、空壓機等。

　　3.2施工順序：

　　3.2.1工作井清理、測量及軸線(xiàn)放樣。

　　3.2.2出洞口密封安裝及檢查，并進(jìn)行出洞輔助技術(shù)措施如：井點(diǎn)降水或地基加固處理。

　　3.2.3井口行車(chē)、井上輔助設施的布置和安裝。

　　3.2.4頂管機就位。

　　3.2.5后座頂進(jìn)裝置及井下輔助設施的布置和安裝。

　　3.2.6頂管機下井、就位。

　　3.2.7頂管機井下安裝、調試，作好開(kāi)頂準備。

　　3.2.8頂管機開(kāi)門(mén)出洞后開(kāi)頂。

　　3.2.9砼管就位。

　　3.2.10頂管循環(huán)頂進(jìn)。

　　4.施工要點(diǎn)

　　4.1出洞施工及密封

　　4.1.1對全套頂進(jìn)設備作一次系統調試，應特別注意仿形刀在穿越加固層時(shí)的切削性能。在確定頂進(jìn)設備運轉情況良好后，把機頭頂進(jìn)洞圈內距加固層10cm左右。

　　4.1.2洞門(mén)密封圈的制作：為了防止泥漿從管節外壁和工作井之間的間隙中流出，而使水土流失造成地面沉降，同時(shí)影響觸變泥漿套的形成而降低減摩效果，在洞圈上預設阻漿密封裝置。

　　4.1.3機頭穿墻頂進(jìn)：在拔除鋼封門(mén)后，應立即開(kāi)始頂進(jìn)機頭，由于正面為全斷面水泥土，為保護刀盤(pán)和仿形刀，頂進(jìn)速度應適當減慢，使刀盤(pán)和仿形刀能對水泥土進(jìn)行對矩形斷面徹底切削；另外由于此段土體過(guò)硬，螺旋機出土時(shí)可加適量清水來(lái)軟化和潤滑土體。

　　4.2觸變泥漿的應用

　　4.2.1為減少土體與管道間摩擦力，在管道外壁壓注觸變泥漿，在管道四周形成一圈泥漿套以達到減摩效果，在施工期間要求泥漿不失水，不沉淀，不固結。

　　4.2.2壓漿量的計算（每節管節）

　　為了保證注漿效果，注漿量應取理論值的2～3倍。

　　V=（D2-d2）×2×300％

　　4.3頂管后靠及機座安裝

　　為保證頂管工作井的后壁能均勻受力，加工一剛度較大的剛性后靠。整體吊裝，放在頂進(jìn)裝置與井壁之間，進(jìn)行定位固定。

　　4.4主要施工技術(shù)參數的控制

　　4.4.1正面土壓力的控制

　　土壓力根據Rankine土壓力理論進(jìn)行計算，計算值作為土壓力的最初設定值，在實(shí)際頂進(jìn)后，通過(guò)頂進(jìn)參數、地面沉降監測，將設定土壓力值調整到1.2kg/cm2左右，正面出土量、地面沉降情況較為理想。

　　4.4.2出土量的控制

　　應盡量精確統計出每節管節的出土量，力爭使之與理論出土量保持一致，以保證正面土體的相對穩定。

　　4.4.3頂進(jìn)速度的控制

　　在頂進(jìn)時(shí)應對頂進(jìn)速度作不斷調整，找出頂進(jìn)速度、正面土壓力、出土量的最佳匹配值，以保證頂管的頂進(jìn)質(zhì)量。

　　4.5頂進(jìn)軸線(xiàn)的控制

　　4.5.1高程控制

　　在頂進(jìn)過(guò)程中一旦頂管出現上拋現象，不宜采取降低地面土壓力、增大出土量、過(guò)量向下糾偏等動(dòng)作。應在頂進(jìn)時(shí)將機頭高程始終控制在負值，這樣即使在機頭下沉較大時(shí)，所采取的糾偏措施也和地面沉降控制相統一。

　　4.5.2平面控制

　　由于受第一條頂管頂進(jìn)時(shí)擠壓、壓漿等影響，在已成管道周邊土體強度較原狀土大，在第二條頂管頂進(jìn)時(shí)，機頭平面可能有偏離已成管道的現象，頂進(jìn)時(shí)應把機頭平面始終控制在靠已成管道方向。

　　4.5.3轉角控制

　　矩形管道的橫向水平要求較高，在頂進(jìn)過(guò)程中對機頭的轉角需密切注意，機頭一旦出現微小轉角，應及時(shí)糾轉。

　　a） 糾轉裝置糾轉

　　安裝于殼體兩側的糾轉裝置根據需要旋轉角度，將翼板伸出殼體插入土體內，在機頭向前推進(jìn)時(shí)，土體在翼板上產(chǎn)生一側向分力，形成一力偶使機頭按所需的方向旋轉，以達到糾轉目的。

　　b） 壓漿糾轉

　　壓漿糾轉是利用殼體上壓漿管注漿，翅板將漿液分隔成四個(gè)區域，根據糾轉方向的要求，選擇適當的壓漿點(diǎn)，使壓出的漿液在機頭形成一力偶，使機頭按所需的方向旋轉，以達到糾轉目的。

　　c） 利用變角切口糾轉

　　安裝于機頭切口環(huán)二惻的左右各二個(gè)變角切口，其千斤頂的伸縮可控制翻板的角度，頂進(jìn)時(shí)產(chǎn)生一定的超挖，使殼體二側土體產(chǎn)生一條槽形空間，并同時(shí)在機頭一側配合注漿，使機頭產(chǎn)生一力偶，以控制機頭的姿態(tài)，達到糾轉的目的。

　　4.5.4機頭糾偏控制

　　頂管在正常頂進(jìn)施工過(guò)程中，必須密切注意頂進(jìn)軸線(xiàn)的控制。在每節管節頂進(jìn)結束后，必須進(jìn)行機頭的姿態(tài)測量，并做到隨偏隨糾，且糾偏量不宜過(guò)大，以避免土體出現較大的擾動(dòng)及管節間出現張角。

　　4.6地面沉降控制

　　4.6.1利用土壓平衡矩形頂管機對矩形斷面進(jìn)行全斷面切削。嚴格控制施工參數，防止超、欠挖。

　　4.6.2解決矩形頂管機機頭頂部背土問(wèn)題

　　在矩形頂管機的機頭殼體頂部安裝壓漿管，并開(kāi)有壓漿槽，使漿液均勻分布于整個(gè)上頂面，在土體和殼體平面之間形成一泥漿膜，以減少土體同殼體的摩擦力，防止背土現象的發(fā)生。

　　4.6.3在頂進(jìn)時(shí)，每隔一段時(shí)間應對頂管機后部已成管道高程作一次復測，一旦出現管道下沉情況嚴重時(shí)，應對下沉部位進(jìn)行底部注漿，防止由此引起的地面沉降。

　　4.7測量

　　4.7.1矩形頂管機出洞前必須認真測定頂管機切口的軸線(xiàn)和標高，并將數據及時(shí)反饋進(jìn)行調整，頂進(jìn)中原始數據、表格必須連續真實(shí)填寫(xiě)清楚。

　　4.7.2交接班時(shí)應交清測量記錄，將儀器對中，并交清管道軌跡和糾偏趨向。

　　4.7.3頂程結束后必須全線(xiàn)復測、繪制管道頂進(jìn)軌跡圖（含高程、方向、頂力曲線(xiàn)），并由施工質(zhì)監人員檢查復核。

　　4.7.4在過(guò)道路時(shí)，應按建設單位的要求在指定地段進(jìn)行施工監測布置，觀(guān)測頂進(jìn)過(guò)程中地表變形和土體位移情況，以便采取預防措施，避免影響道路正常運行的事故發(fā)生。頂進(jìn)結束后應繪制施工過(guò)程和竣工后的地面變形圖。

　　4.8矩形管節和接口

　　4.8.1矩形管節混凝土采用C40，抗滲指標為S6.并采用F型鋼套接口、齒形氯丁橡膠止水帶。

　　4.8.2襯墊板的厚度，應按設計頂力大小確定，粘貼時(shí)，凹凸口對中，環(huán)向間隙符合要求。

　　4.8.3插入安裝前滑動(dòng)部位可均勻涂薄層硅油等潤滑材料，減少摩阻。

　　4.8.4承插時(shí)外力必須均勻，橡膠圈不移位、不反轉、不露出管外。

　　5.施工人員及施工管理

　　5.1施工人員：每班12人，具體分工如下：

　　序號 人員 數量 職責分工

　　1 組長(cháng) 1 指揮、調度、質(zhì)量控制

　　2 技術(shù)人員 1 技術(shù)管理、質(zhì)量管理、施工記錄、施工分析

　　3 操作員 1 頂管機操作

　　4 機、電維修員 2 設備檢修并兼職其它工作

　　5 起重工 1 行車(chē)駕駛

　　6 測量員 1 頂進(jìn)軸線(xiàn)測量、控制

　　7 泥漿工 1 拌漿、壓漿

　　8 輔助工 4 運土2、掛吊鉤等

　　5.2.施工管理

　　5.2.1技術(shù)管理

　　由施工技術(shù)員負責，具體職責為：監督施工參數的實(shí)施及處理施工時(shí)發(fā)生的臨時(shí)變更情況，及時(shí)與設計單位聯(lián)系。

　　5.2.2質(zhì)量管理

　　由操作班長(cháng)與操作員建立TQC小組，操作班長(cháng)負責監督實(shí)施設計施工參數，嚴格按照操作規程操作，并作好當班記錄，發(fā)現問(wèn)題，及時(shí)與技術(shù)員聯(lián)系解決，定期進(jìn)行TQC活動(dòng)，保證施工質(zhì)量。

　　序號 人員 數量 職責分工

　　1 組長(cháng) 1 指揮、調度、質(zhì)量控制

　　2 技術(shù)人員 1 技術(shù)管理、質(zhì)量管理、施工記錄、施工分析

　　3 操作員 1 頂管機操作

　　4 機、電維修員 2 制備檢修并兼職其它工作

　　5 起重工 1 行車(chē)駕駛

　　6 測量員 1 頂進(jìn)軸線(xiàn)測量、控制

　　7 泥漿工 1 拌漿、壓漿

　　8 輔助工 4 運土2、掛號鉤等

　　5.2.3安全管理

　　a.嚴格遵照國家頒發(fā)的《建筑安裝工程安全技術(shù)規程》和上海市市政工程管理局對施工現場(chǎng)安全的有關(guān)規定。

　　b.頂管機及管道內照明用電應使用安全電壓。

　　c.動(dòng)力電纜轉換接插前，要先切斷電源，后拔出插頭。

　　d.混凝土管吊運時(shí)，管下嚴禁站人。

　　e.管道內的電力電纜、控制電纜應懸掛固定，嚴禁隨地鋪設。

　　f.外部照明要充足，安放高度不得低于3米。

　　g.在吊車(chē)行走路線(xiàn)上不得有任何電源線(xiàn)。

　　h.及時(shí)檢查各操作員的操作程序，嚴防違章操作。

　　i. 及時(shí)檢查各壓力管接頭的可靠性，防止壓力管爆裂傷人。

　　6.質(zhì)量標準

　　除應遵照國家標準《地基與基礎施工及驗收規范》、《鋼筋混凝土工程施工及驗收規范》和上海市的建委頒發(fā)的《市政工程質(zhì)量檢驗評定標準》、頂管標準的有關(guān)規定外，施工中還應做到：

　　6.1 矩形管節的邊長(cháng)誤差