地下工程矩形顶管法隧道施工风险源分析

2023-10-09 理论教育版权反馈

【摘要】：矩形顶管机及管节与周围地层摩擦引起的地层损失。管节后退引起的地层损失：在顶进过程中，由于安装新的管节时需要回缩主顶油缸。此情况在初始掘进时表现尤为明显，这会引起开挖面松动或塌落，使管节间松弛，产生地层移动，导致地层损失。管节密封性不好引起的地层损失。管节接头密封性不好时，极易在管节接头处发生漏水漏砂，带来水土流失，导致地层损失。

1）始发施工

始发施工时，在矩形顶管机机头进入洞门密封装置切削洞口加固土体前，需要凿除预留洞口处钢筋混凝土结构，此过程中洞口加固土体暴露时间较长，且受前期工作井施工扰动影响，容易因加固土体或洞门密封装置的缺陷而发生洞口水土流失或塌方，严重时会发生向工作井内大量涌砂、涌水而造成严重的事故，给周边环境造成巨大影响。

2）接收施工

接收施工时，顶进轴线出现偏差会导致顶管机无法接收。如果接收施工中产生水土流失，会引起地面沉降，严重时会给周边环境造成巨大影响。

3）地层损失

矩形顶管顶进施工中的地层损失主要有：

（1）进始发施工引起的地层损失。在进始发过程中，顶管施工引起的水土流失和正面土体失稳会产生地层损失和地面沉降。

（2）顶管正面掘进开挖引起的地层损失。在顶管掘进施工中，正面土体的原始应力状态会发生改变，正面土体由于应力释放而向开挖面移动导致地层损失。

（3）管节与周围土体的间隙引起的地层损失。为减小顶进过程中的摩擦阻力，管节的直径比矩形顶管机机头的直径小，管节与周围土体之间存在环形空隙，如果不能及时充分地以触变泥浆进行充填，周围土体会因应力释放而向环形空隙移动，导致地层损失。

（4）矩形顶管机及管节与周围地层摩擦引起的地层损失。顶管在顶进过程中会对周围土体产生剪切扰动，导致地层损失。

（5）顶管纠偏引起的地层损失。当顶进轴线偏离设计轴线时需要纠偏，会产生侧向纠偏荷载。纠偏时矩形顶管机一侧土体受到挤压，当应力超过等效屈服应力时就产生黏塑性变形，导致土体的位移；而矩形顶管机另一侧会产生间隙，导致地层损失。

（6）管节后退引起的地层损失：在顶进过程中，由于安装新的管节时需要回缩主顶油缸。此时由于正面土压力的作用，顶管机及已安装完的管节会产生一定量的后退。此情况在初始掘进时表现尤为明显，这会引起开挖面松动或塌落，使管节间松弛，产生地层移动，导致地层损失。

（7）管节密封性不好引起的地层损失。管节接头密封性不好时，极易在管节接头处发生漏水漏砂，带来水土流失，导致地层损失。

4）背土效应

由于矩形顶管机的上表面大而平坦，在浅覆土层中顶进施工时，上部土体的卸载拱作用相对不明显，卸载拱高度以内的土体在自重作用下坍塌覆于矩形顶管机上表面，使得矩形顶管机向前顶进过程中受这部分土体摩阻力的影响较为明显，土体在摩阻力反作用下会随矩形顶管方向发生压缩变形或移动，就如同管节顶部背负着这部分土体移动一样，即形成矩形顶管机上表面的背土现象。

5）侧向偏转(www.chuimin.cn)

在矩形顶管机施工过程中，由于土质不均匀、地面超载变化、顶管机的制造误差、施工布置不合理或不当操作等方面的原因，易产生侧向偏转。虽然侧向偏转在圆形顶管施工中也会发生，但对于圆形顶管，由于是圆形断面，侧转在一定范围内对隧道施工和以后的隧道使用不会产生很大影响。对于矩形隧道，一方面矩形顶管机发生侧向偏转后（图7-4），顶管机各侧面在接收时与洞圈的间隙发生变化，有的间隙会过大，导致洞口止水密封的止水效果较差，给接收带来较大风险，另一方面矩形顶管机发生侧转将直接影响管片拼装，同时会造成隧道底平面的倾斜，以后隧道的路面将是一段一段扭曲的路面，从而影响正常使用功能。为此，在矩形顶管施工过程中需要不断地对侧向偏转进行纠偏，但过大的纠偏也会使周围地层扰动变形而引起额外的地表沉降。所以，侧向偏转控制也就成为矩形顶管施工过程中的重要风险控制点。

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图7-4　矩形顶管机在顶进中的侧向偏转示意图

矩形顶管机在推进过程中很难控制其始终保持平衡，总有偏转发生，其原因有如下几个方面：

（1）土质不均匀。矩形顶管机在推进过程中会受到几个方面力的作用：顶管正面阻力，顶管周围地层土体与顶管壳体间的摩阻力，以及开挖面土体对大刀盘的扭矩反力等。当大刀盘接触的土层软硬不均匀，或者开挖面前方土性的不同，或者土仓内搅拌不均匀时，以上这些外力会不均匀地作用于矩形顶管上，造成作用于大刀盘上的外力发生左右偏差，从而导致矩形顶管机在推进时发生转角。矩形顶管机左右两侧的支持地基的土性不同，也会引起不均匀下沉。

（2）地面超载变化。由于刀盘所处位置的地面超载不同，或者由于地形原因造成的偏心荷重，如由悬崖、急倾斜地形等左右两边的覆土厚度的不同，也会造成作用于大刀盘上的外力发生左右偏差，引起矩形顶管机的侧向偏转。

（3）顶管机体的制造误差。矩形顶管的断面为矩形，为中心对称结构，相对较为稳定。但是如果由于制造误差使矩形顶管机在某方面不对称，如矩形顶管机两侧重量平衡的偏差，这将会使顶管向一侧转动产生偏转。

（4）施工布置不合理或不当操作。

①后靠不稳或主顶油缸与顶管机轴线不平行，主顶油缸对顶管机形成一个扭矩，使顶管机产生偏转。

②主顶油缸及油路布置不合理或油压波动，油缸之间存在顶进时间差，使顶进合力线偏移，造成顶管机偏转。

③顶管机刀盘单方向旋转，使顶管机反方向偏转。

④顶管轴线发生偏差时，纠偏量过大，使工具管发生偏转。

⑤顶管单侧注浆浆液的流失、胶带输送机的支架支持点安放位置偏离轴线等原因，也会导致顶管机发生偏转。

在实际矩形顶管的施工过程中，矩形顶管机发生侧向偏转可能是由上述因素中的一项或几项的组合而造成的。