《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２０）—第三部分隧道《超大断面矩形顶管隧道关键技术研究​》​

本期项目简介

完成单位: 中铁第六勘察设计院集团有限公司、 中铁隧道局集团有限公司、 天津市地下铁道集团有限公司

主要完成人: 张俊岱、 倪伟伟、 胡浩、 张存、李少利、 李建高、 徐韬、 裴超、 佘芳涛、 王书雄

项目简介

　　(一)项目背景

　　顶管法作为一种机械化非开挖施工技术,圆形顶管已广泛应用于市政管网工程,矩形顶管在小断面地下通道等工程方面亦有越来越多的应用,但限于矩形断面尺寸的制约,仍未应用于城市车行交通隧道。此前大断面浅埋市政隧道没有任何采用矩形顶管掘进机进行施工的先例,在城市车行交通隧道修建中采用超大断面矩形顶管掘进机施工,需研究解决相关整套的关键技术。本项目依托两个下穿城市快速路隧道工程,采用超大断面矩形土压平衡顶管法施工,郑州市红专路下穿中州大道隧道工程项目(顶管断面尺寸为10.1伊7.25m)首次采用矩形顶管法修建,为国内第一条顶管法施工的城市机动车隧道,天津市黑牛城道地下通道(断面尺寸10.4伊7.55m)为当前世界最大断面的矩形顶管隧道,断面远大于之前最大6.9m的工程案例,实现了矩形顶管向超大断面发展的突破。

　　(二)技术概况

　　依托工程具有三大特点:(1)“超大断面冶:黑牛城道地下通道顶管断面尺寸为10.4伊7.55m。(2)“小间距冶:隧洞水平净距仅有1.0m。(3)“浅覆土冶:红专路隧道管节覆土在3.0m~4.2m之间。五大技术

　　难点:(1)超大矩形管节设计无经验可借鉴,难度大。(2)管节接头防水难。(3)覆土浅、防背土破坏风险大。(4)管节抗浮风险大。(5)地表沉降与小间距(1.0m)施工控制难度大。针对郑州与天津地区复杂地形地质环境、超大矩形断面、超浅埋以及近间距等特点,结合顶管设计、制造和施工经验,开展了大断面结构设计和管片构造与防水、触变泥浆减摩减阻作用、最小覆土厚度、近间距平行顶管相互作用、顶管抗浮措施设计、施工变形控制技术以及关键施工参数等专题研究,探索和形成了一套大断面矩形顶管法隧道关键技术。

　　(三)适用范围

　　本技术成果实现了对下穿道路不中断交通、不迁改管线、低噪音、无扬尘、减少了对周边环境的影响,可以在城市机动车隧道、人行通道、地下综合管廊以及其他地下空间开发领域进行推广应用。

　　(四)获奖情况

　　获奖情况见表1。

项目创新点

　　(1)发明了超大断面矩形顶管管节及其施工方法,从顶管管节断面设计、管节接头设计、管节的纵向连接设计等多方面进行重点分析,优化了矩形管节设计,改善了受力条件,提高了管节断面利用率,形成了超大断面矩形顶管施工工法。提出了四线平行小间距浅埋大断面矩形顶管隧道的设计方案,首次采用超大断面矩形顶管工法,成功实施了平行小间距(净间距1.0m)、浅覆土(3.0m)的城市车行交通隧道和富水软弱地层地下通道的修建。

　　(2)创新了顶管管节多道防水体系、防管节错位和管节止退装置,确保隧道防水能力。

　　(3)提出了配置高性能触变泥浆和设置有效注浆系统以防止发生背土破坏的技术,实现了大断面矩形顶管隧道的最小极限覆土厚度为3m。突破设计规范要求覆土10m的限值,覆跨比由1.0降为0.3。解决了市政隧道满足短引坡接线、浅覆土条件下采用非开挖技术掘进机施工的难题。

　　(4)提出了防止管节上浮控制技术,实现了超大断面矩形顶管在浅覆土和富水软弱地层条件下的顶管抗浮安全。

　　(5)研发了防坍限沉及小间距安全施工控制技术,实现了浅覆土、小间距平行隧道的顺利施工。

同类项目比较

　　近十几年来,矩形顶管施工技术已在众多项目中成功应用,截面尺寸从最初的3.8m伊3.8m发展到6m伊4m及6.9m伊4.2m等多种大截面尺寸。目前矩形顶管施工工艺主要集中用于地铁出入口人行通道和街道地下人行通道的施工。本项目依托郑州市红专路下穿中州大道隧道工程(顶管断面尺寸为10.1m伊7.25m)和天津市黑牛城道地下通道工程(顶管断面尺寸为10.4伊7.55m)建设,两工程顶管断面远大于之前最大6.9m的工程案例,首次对超大矩形断面、超浅埋、小间距群洞顶管隧道修建关键技术开展了研究,提供了解决超大断面矩形顶管隧道关键技术的一套完整的理论与方法,实现了超大断面矩形顶管平行隧道小间距为1m、浅覆土3m的极限条件施工、实现了矩形顶管向超大断面发展的突破,使顶管工法在繁华城区修建大断面交通隧道成为可能,拓展了采用顶管隧道群进行市政大断面地下空间施工的应用范围。与当前国内外同类研究、同类技术综合比较见表2。

应用案例

　　案例一:郑州市红专路下穿中州大道隧道工程郑州市红专路下穿中州大道隧道起始端位于红专路与姚寨路交叉路口,沿红专路向东,下穿中州大道,终点位于红专路与龙湖外环路交叉口处,工程全长801.263m。其中下穿中州大道段采用土压平衡矩形顶管法进行施工,顶管段长度为105m。顶管管节为钢筋混凝土结构,其中机动车道管节尺寸为10.1mx7.3m,厚度为600mm,环宽为1.5m,覆土厚度约4m,见图1。

　　案例二:天津市黑牛城道地下通道工程天津市黑牛城道地下通道工程为天津市黑牛城道新八大里地区配套地下工程项目,位于天津市河西区黑牛城道与内江路交口,下穿黑牛城道过街通道连接南北集散厅,总长度92.6m,见图2。顶管隧道管节为矩形钢筋混凝土结构,管节尺寸为10.4mx7.55m,厚度为700mm,环宽为1.5m,覆土厚度约为8.2m。

社会效益与经济效益

　　本项目大断面、小间距、浅覆土矩形顶管隧道技术的应用,实现了矩形顶管向超大断面发展的突破,使顶管工法在繁华城区修建大断面交通隧道成为可能,拓展了采用顶管隧道群进行市政大断面地下空间施工的应用范围。本技术可大为减小隧道两侧引坡段的长度和宽度;同时在车流量大、交通繁忙的城市主干道下方施工,对减少占地和拆迁、减少对既有交通和环境的影响、缩短工期、节省造价,具有良好的经济效益和社会效益。