广州地铁东湖站顶管施工方案

1.工程概况

1.1概述

顶管工程位于东湖路海印桥北引道旁，为地下人行通道。由于该处为广州市主要交通道路，客流量和车流量都很大；且地下管线众多，迁改难度极大，迁改费用极高。所以考虑环境及人流集散的需要，下穿东湖路由东向西方向的一条长为61.5m的矩形隧道组成。顶管始发井位于东湖路东侧东湖公园内，接收井位于东湖路西侧人行道边志联房产公司肯辛顿大楼前。2个顶管工作井的开挖深度在9m左右，始发井基坑围护主要采用地下连续墙围护、接收井基坑围护主要采用? 1200钻孔桩围护，工作井设置2道?609钢管支撑。由于在接收井洞口段、始发井洞口段所处人行道下地下管线众多，为了保证加固方案切实可行，接收井进洞口区域、始发井出洞口段区域的土体均采用二重管旋喷桩加固。

顶管结构全部采用预制矩形钢筋混凝土管节，管节接口采用“F”型承插式，接缝防水装置采用锯齿型止水圈和双组分聚硫密封膏。管节外形尺寸为6000mm ×4300mm，管壁厚为500mm，长度为1.5m，单节重约34.8t；管节混凝土强度为C50，抗渗等级为S8。采用大刀盘土压平衡式矩形顶管机进行掘进施工。顶管工程主要工程量为：土方约1638m3；管节顶进61.5m。

1.2工程地质特征

根据《岩土工程勘察报告》施工区的地层分布及工程地质特征分述如下（由上而下）：

1、人工填土层<1>：各孔均有揭露，层厚0.64～4.00m。人工填土主要为杂填土，呈灰色、黄褐色，稍湿～湿、欠压实～稍压实、松散～稍密，主要由粘性土、碎石、砂土及砖块等建筑垃圾修路回填而成，公路上MFZ3-DH-09B孔顶部一般为30cm厚的沥青、砼面板。

2、粉细砂层<3-1>：该层各孔均有揭露，直接位于人工填土层底部。层厚5.00～10.90m。土性为青灰色，饱各，松散～稍密，级配不良，以石英质粉细砂粒为主，且含少量粘粒。其主要物理力学指标（建议值）为：水上坡角37.5～39.5°，水下坡角33.5～34.0°。

3、残积硬塑状粉质粘土<5-2>：本次勘察的MFZ3-DH-09B钻孔中有揭露，呈透镜体状，揭露层厚0.5m。岩性为褐红色，硬塑状粘性土，土质均匀，由下伏基岩风化土残积而成。

4、强风化粉砂质泥岩<7>：本次勘察各钻孔均有揭露，主要层状产出于中风化岩层顶。层厚0.50～2.60m。该层岩性为褐红色、青灰色，岩性风化强烈，组织结构已大部分破坏，但原岩结构尚可清晰辨认，矿物成分已显著变化，风化裂隙发育，岩体较破碎，岩芯呈半岩半土状，岩芯手可折断，岩质极软，失水碎裂，遇水易软化。

顶管施工大部分在<3-1>冲～洪积粉细砂层中作业，局部（底部）在<7>泥质粉砂岩全风化地层中穿越，应采取必要的施工措施，以防土体坍塌。经过注浆加固后的基坑底部土体应能抵抗承压水的水头压力。由于顶管机无法切割钢筋砼结构，为此，在进洞、出洞段必须先作好土体加固后，应将原始发井洞口区的连续墙及接收井洞口区的钻孔桩破除。

1.3地下管线分布情况

顶管将穿越东湖路，根据地下管线资料，该区段地下管线有供水管、电力电缆、通信线、煤气管等管线。各种管线中?1200供水管底距顶管顶部距离最近，仅为1m左右，且该管属砼管，建筑年代旧远，接口及基础形式溥弱，目前地铁公司前期部已组织相关单位进行该管的换管临迁工作。顶管工作井范围内的管线由地铁公司前期部负责在施工开始前搬迁完毕，在工作井施工过程中需做好对相邻管线的保护，避免成桩以及开挖时对土的扰动造成对管线的影响。顶管施工过程中，加强对各种管线的监测，根据监测数据适时调整顶进施工参数，必要时采取对管线有效保护措施，确保管线安全。

管线分布祥见附图一《东湖站Ⅱb出入口矩形顶管管线分布平面图》

2.机械设备及性能

2.1顶管机的选型

由于Ⅱb出入口过街通道矩形顶管断面较大，顶距不长，且在市区施工，宜采用土压平衡顶管。在矩形断面顶管施工过程中，最为困难的是第〈7〉层的强风化粉沙质泥岩：深灰—褐黄色，风化作用强烈，岩石结构松散，岩心呈半土半岩状，岩质软，岩块用手可折断。局部为粗沙岩，呈密实土状，局部夹中风化硬块（中风化硬块的强度不大于1.1Mpa）。它的天然密度为2.26g/cm3，较重；含水量为15%，较干；粘聚力为300kPa,很大；内摩擦角为30度，直立性较好，挖掘面较稳定；单轴极限抗压强度仅有1.0MPa,很低。

根据上述土质条件要使顶管机土仓中的土达到具有较好的塑性、流动性和较好的不透水性就必须做到可加水和能做到充分地搅拌。又由于岩石结构松散，单轴极限抗压强度很低，可允许部分进行挤压。因此，多刀盘形式的顶管机是适用的。但为了尽量减小地面沉降，在设计顶管机时以考虑最大限度地加大切削和搅拌的范围。又由于有部分挤压，土仓的土压力显示就不准确，必须把顶管机全断面的压力显示出来。

根据地质报告及顶管设备性能的比较，本工程选用我司针对上述地质情况自行研发的JD3300×5000mm矩形顶管掘进机。

2.2顶管机设备及性能

关于其构造组成及使用的机械性能分成以下两个部份一一详述。

2.2.1顶管机的构造及操作

JD3300mm×5000mm矩形顶管机是土压平衡式顶管机，从它的正面看：主要由图—1所示的处于中间的大刀盘和四个角上的四个小刀盘组成。

图—1

图—2 图—3

从图—2和图—3看，大、小刀盘是前后错开的，并且在每个刀排的后方都设有搅拌棒。

顶管机设有前、后壳体。为了减轻起吊重量和方便拆装及运输，壳体可以拆卸成两段，加上螺旋输送机总长约4700mm，如果拆除螺旋输送总长约3200mm。如图—4所示。

4

从图—5可以看出，JD3300×5000mm矩形断面顶管机的切削面积占90%以上，盲区很小，最大的盲区集中在顶管机两侧的腰部，是不稳定的。所有盲区的刃口上设有铲齿，对于数量不多的1.1MPa强风化层可有效地铲碎。

图—5

3300mm×5000mm矩形顶管机背面看主要由图—6所示：中间由7台30kW 电动机通过行星减速器及齿轮箱组成的大刀盘驱动装置。在四个角上分别用2台22kW电动机通过行星减速器及齿轮箱组成的小刀盘驱动装置。在大刀盘驱动装置的左右两侧设有两个人孔。

若遇到大的障碍则必须采用相应的土体加固措施，并且在确保人孔打开后不会产生涌土的前提下打开人孔，排除障碍。

图—6

另外，在在大刀盘驱动装置下方左右两侧的胸板上分别装有两台螺旋输送机。在顶管机前、后壳体之间用12台纠偏油缸联结。

顶管机主要技术参数（设计寿命为500m）

大刀盘小刀盘

1、刀盘转矩1568KN-m 1、刀盘转矩224KN-m

2、刀盘转速1.17rpm 2、刀盘转速1.97rpm

3、刀盘电机30kW×7台3、刀盘电机22kW×2台

4、最大推进速度30mm/min

5、上下最大纠偏角度3度左右最大纠编角度2.1度

每顶50m左右必须对顶管机进行一次小修，200m进行一次大修。

顶管机采用机外操纵方式操作，操作台的观察面板如图—5所示：左边是一台17”的显示器，它可同时显示三个不同的画面，其中一个主画面比较大，两个分画面较小。主画面和分画面之间是可以随意切换的。三个画面分别来自安装在顶管机内的三个摄像头，摄像头则可根据操作需求选择它的捕捉范围：通常是仪表板和两台螺旋输送机的排土状态。

操作台的控制面板如图—6所示：为了便于看清特把控制面板自左向右放大。

N 图—6

图—7

图—8

ON

图—9

图—10

图—7是主顶和中继间的操作面板。主顶液压动力泵站是由两台油泵组成，其中一台油泵用VVVF调速。用小流量且要调速时，仅开启用VVVF调速的油泵即可。用大流量时，可同时启用两台泵。

图—8是刀盘的操作面板。为了使操作更直观，把小刀盘分为右上、右下和左上、左下四个，这都是以操作人员从工作坑往内前看的分法。

图—9是机内液压动力站的操作面板。机内液压动力站除了提供高压油供纠偏油缸动作以外，还提供螺旋输送机开门油缸动作所需的高压油。

需要纠偏时，首先开启油泵，然后拨动十字开关指向需要纠偏的方位，再按油缸伸缩按钮即可。

图—10是顶管机控制电源和螺旋输送机的操作面板。螺旋输送机也采用VVVF调速的。必须注意的是螺旋输送机在工频和变频之间切换时必须先切断螺旋输送机的动力电源后方可切换！

螺旋输送机只有在两台同时运转时才可以调速，任何一台单独启动时是不能调速的。

除了顶管机以外，其附件主要有主顶设备、注浆等，施工时可根据具体情况有选择地取舍。

图—11

图—12

图—13

图—11、图—12和图—13所示的是一种新的主顶设备，它不需要下顶铁，而且工作坑可以缩短。它的具体构造是把主顶油缸的缸体藏在顶铁里，与活塞杆

联结的滑靴则固定在后靠板上。如果管节的长度为1500mm的话，顶油缸的行程在2200mm即可。

2.2.2、顶管机的工作原理

土压平衡顶管施工是七十年代发展起来的一种最新的顶管施工工艺，它的工作原理可参见图—14。

A B

图—14

当图—14（B）中土压平衡顶管机接通刀盘驱动电动机的电源后，顶管机的刀盘就开始转动，设在每根刀排前面的刀片则开始切削土砂，同时设在刀排后的搅拌棒对泥土仓内的土砂进行搅拌。如果土砂中的粘粒含量在２０％以上时，可以不必添加作泥材料。

如果顶管机处在砂或砂砾层中且粘粒含量在１５％以下时，则必须向泥土仓内注入以作泥材料为主的浆液，同时把它与被切削下来的土砂一起搅拌。只有当泥土仓内的泥土被改良成具有较好的塑性，流动性和止水性这“三性”时，搅拌才算成功，作泥材料的添加也才算合理。

在顶进过程中，假设顶管机顶部前面土层内的静止土压力和地下水压力之和为A，顶管机泥土仓内的压力为B；假设顶管机底部前面土层内的静止土压力和地下水压力之和为C，顶管机泥土仓内的压力为D，那么要达到土压平衡的必要条件是必须使A=B，C=D，如图—14（A）所示。

上述这个假设，只是施工过程中的理论控制值。然而，在不同的土质条件和在不同的施工条件下，我们所采用的实际控制土压力P会有所不同，并且会允许在一定的范围内的波动。为此，我们规定了实际控制土压力P，还规定了实际控制土压力P的上下波动范围在20kPa以内。这在实际施工中，是能较容易地做到的。下面，我们来详细阐述这个问题。

顶管机在顶进过程中，其土仓中始终有一个压力，我们称之谓控制土压为P。当控制土压力P小于顶管机所处土层的地下水压力Pw与主动土压力Pa之和时，土就涌向顶管机土仓，结果就会造成地面沉降。其原因往往是由于推进速度过慢，螺旋输送机的实际排土量大于顶管机推进过程的中理论排土量所造成的。

反之，如果当控制土压力P大于顶机所处土层的地下水压力Pw与被动土压力Pp之和时，结果就会造成地面隆起。其原因往往是由于推进速度过快，螺旋输送机的实际排土量大大小于顶管机推进过程的中理论排土量所造成的。螺旋输送机的正常排土量应该为顶管机推进过程的中理论排土量的９５％～１００％。

所谓土压平衡顶管，实际上就是把顶管机土仓内的土压力控制在顶管机所处土层的主动土压力与被动土压力之间，也即：

Pa＜P＜Pp

式中：Pa－主动土压力（KPa）；

P－控制土压力(KPa)；

Pp－被动土压力(KPa)。

这样，在整个顶管施工过程中，顶管机土仓内的压力与顶管机所处土层中的土压力终是处于一种平衡的状态，这就是土压平衡顶管机的基本工作原理。

在实际施工过程中，每一项的控制土压力除了计算以外还需在顶进时实测，然后拿实测数据与计算的做比较，修正计算值。实测的方法是在初始顶进过程中，当机头已完全进入土中以后，需停下来，待4小时以后，观察机头内土压力表的实际读数，此读数即可视为主动土压力，每一顶顶进之前的计算数据均需交监理工程师备案。

由于主动土压力和被土压力之间的压力值范围较广，同时又由于土压力的变化是一个非常复杂的过程，并且，在计算主动土压力和被动土压力时会因为选取的各种参数不准确就很容易造成误差。所以必须在主动土压力和被土压力之间的这个较大范围中取处于中间的那一段，以减少土压力值的波动

所带来的影响。因此，常用的控制土压力的取值方法是在顶管机所处土层的静止土压力的基础上，规定一个上限和下限，具体的计算公式为：

P＝K0×P0

式中：K0－静土压系数；

P0－静止土压力（KPa）

上述静止土压力系数K0在砂性土中可取0.25～0.33 之间，在粘上中可取0.33～0.7之间。而静止土压力则为：

P0＝γ×h

γ－土的容量（KN／m3）

h－覆土深度（m）。

主动土压力P A为：

P A＝γh ×tg2(450－φ／2)-2C×tg(450－φ/2)

式中：φ－土的摩擦角（度）；

C－土的内聚力（KP a）。

被动土压力P P为：

P p=γh×tg2(450＋φ/2)＋2C×tg(450＋φ/2)

控制土仓内土压力的方法有三种：一种是用主顶油缸或第一个中继间的推进速度来调节，在排土量不变的条件下，推进速度快，则土压力上升，反之则下降。用这种方法调节时，曲线变化的斜率较陡，特性较硬。

第二种方法是利用调节螺旋输送机转速的快慢来调节土压力。在推进速度保持不变的条件下，螺旋输送机的转速越快，排土量则越大，土仓内的压力就下降，反之则上升。用这种方法调节时，曲中变化的斜率较平缓，其特性比较软。

第三种方法是利用顶管机后的主推装置和调速螺旋输送机共同来控制土仓内土压力，用这种调节方法最好，但施工成本高。

顶管机在顶进过程中如果遇到中粗砂或砂卵石层，则必须通过设在顶管机主

轴中间的和土仓上部注浆孔向土仓内注入10%～30% 改良土体用的以粘土、膨润土为主的作泥材料制成的粘稠浆液。

加入了这些作泥材料为主的粘稠浆液以后的砂或砂砾，不仅流动性和塑性变好了，而且止水性能也好。当有良好的止水性的土充满螺旋输送机的壳体内以后，地下水就不会从螺旋输送机内喷发出来，因而，这种土压平衡顶管机又可在地下水位高的土质条件下施工，如在河道底下施工，也会十分安全。

加泥过程应做到：

(1)、对于不同的土质应选用不同的泥浆配比；

(2)、对于不同的土质应注入不同的泥浆量；

(3)、对于注入泥浆的管理必须引起足够的重视；

(4)、对于注入泥浆的管理必须讲科学。

若如在砂卵石中顶进，其主要的圆砾至卵石土、中等密度、饱和状。砾径一般在30-50mm，大的可达80mm，呈亚圆形，级配较好，中砂和粗砂的含量约为30%，且渗透系数较大为1.736×10-1。

目前常用的作泥的材料有三种：一种是化学型的高分子材料，其中有聚丙稀酰胺，它的主要原料为丙稀腈。将它与水的一定的比例混合，经水合、提纯、聚合、干燥等工序即可制成。它是一种高分子聚合物，易溶于水。它具有絮凝性、粘合性、减阻性和增稠性等特性。

另一种是膨润土，它的主要化学成份为SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Na2O+K2O 等。它的矿物成份主要是蒙脱石、云母、石英和少量高岭土等。

还有一咱作泥材料就是粘土。必须指出的是无论是膨润土还是粘土，都必须经过球磨成颗粒很细的粉粒。

由于土质的渗透系数较大，作泥材料所配成的泥浆应具有较大的稠度，其C 型粘度计值在5000—10000之间，比重在1.30—1.50之间，具体的可以从以下配合比中选配：

在沙砾土中，泥浆的注入量须在15%～30%之间，具体到底注多少则须根据螺旋输送机所排出土的状况而定。只有当泥土仓内的泥土被搅拌成具有较好的塑性，流动性和止水性这“三性”时，才能使土仓内的土压力终处于一种均匀地、平衡状态下。

再次，加泥以后的塑性和流动性都很好的土充满泥土仓时，泥土仓内的土压力是比较均匀，这就使检测到的土压力较准确，而且使泥土仓内的土压力能较好地平衡掘进机所处土层的静止土压力和地下水压力，才能做到真正的土压平衡。

泥浆注入必须有专人负责，对注入压力、注入量、泥浆配比等都应有详细的记录，这些都有待通过初始推进阶段试验以后再决定。

3工程筹划

3.1施工现场平面布置

为方便管节调运、出土，在始发井附近地面配置一台150T的履带吊车，并设置拌浆系统。根据业主提供的现场允许使用范围，结合实际的施工需要，进行了施工平面布置。详见附图二《东湖站IIb出入口顶管施工场地布置图》。

3.2施工用电计划

经进行用电量核算，在顶管施工期间，所需要最大电量为520KW，同时考虑顶管施工过程中，车站主体及暗挖段施工仍在同步进行，为此，拟在东湖公园内顶管始发工作井旁安装一台630KV A的变压器作为顶管施工的专用变压器。

3.3 施工人员组织计划

3.3.1 项目经理部现场管理网络

3.3.2劳动力安排

3.4施工进度计划

过街通道顶管施工计划于2009年4月16日；开始施工，于2009年6月15日结束，工期61天。(时间为暂定，准确时间以始发井及接收井施工情况定) 4.施工方法及技术措施

由于广州地质条件特殊,与上海类似工程的顶管施工不尽相同,为克服广州复合含水地层顶进的困难,结合广州顶管工程的具体情况,我单位委托了扬州广鑫机械有限公司设计出能全面适应广州地质条件的组合多刀盘土压平衡矩形顶管机用于广州的顶管工程，所需顶管管节采取委托广州市预制品构件厂进行生产加工，管节质量达到相关设计和规范要求。顶管工程施工应在工作井围护、洞口加固及内衬结构完成后进行；顶管工程完成后方可进行相关的IIb出入口施工。

顶管施工结构祥见《东湖站IIb出入口矩形顶管结构纵向平面图》及《东湖站IIb出入口矩形顶管结构纵向剖面图》。

4.1顶进前的施工准备工作

4.1.1地面准备工作

（1）．在顶管推进前，按常规进行施工用电、用水、通道、排水及照明等设备的安装。

（2）．备齐施工材料、设备及机具，以满足本工程的施工要求。施工主要材

料及设备清单见附表一《施工主要材料及设备清单表》

（3）．井上、井下建立测量控制网，并经复核、认可。

4.1.2 井下准备工作

（1）．洞门安装

由于洞圈与管节间存在着15cm的建筑空隙，在顶管出洞及正常顶进过程中极易出现外部土体及触壁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。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,结合本工程工作井的实际情况,其钢扶梯及走道板的重量约2t重。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）．基座及顶进后靠、机架的安装

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。基座上的两根轨道必须平行、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，导轨的规格采用43kg/m的重轨，长度为(63.5+9.2×2)×2=163.8m。轨道安装完成后，机头并不是直接放置在轨道上，而是放置在机架上，机架及钢后靠连接在轨道上，机架及钢后靠的总重量约8T 重，同样在接收井内也需安装一个机架，下铺钢轨。随着顶进的进行，轨道沿顶进方向沿伸，机架及后靠便滞留在工作井内。

后靠自身的垂直度、与轴线的垂直度对今后的顶进也至关重要。为保证力的均匀传递,钢后靠根据实际顶进轴线放样安装时，在钢后靠与始发井内衬墙间预留一定的空隙(空隙大小为10cm),现浇钢筋砼填充此空隙,称为砼后背靠,其具体尺寸为7×8×0.1m。其目的是保证钢后靠与墙壁充分接触。这样，顶管顶进中产生的反顶力能均匀分部在内衬墙上。钢后靠的安装高程偏差不超过5mm，水平偏差不超过7mm。

（3）.顶管机吊装下井

矩形顶管机头设计重量约140余吨；接收井吊出时，机头土仓内会有剩余土，因而会更重一些。施工现场地处东湖路旁，场地狭小，吊运难度大。选用性能优良的300吨履带吊来吊装机头，由于300吨吊车自重为277吨，而吊装的顶管机头