大斷面矩形土壓平衡頂管隧道修建關鍵技術
完成單位：中鐵隧道勘測設計院有限公司
獲獎情況：2016年度中國鐵路工程總公司科學技術特等獎
成果水平：國際領先
簡要技術說明：
隨著社會城市化進程的推進，地下空間的開發和利用越來越受到人們的重視。為舒緩城市交通壓力，減少建構筑物的拆遷和市政管線的改移，在城市交通繁忙、建構筑物及管線密集地帶修建地下車行和人行通道已經成為一種趨勢，選擇合適的施工方法對保證工程質量和工期、緩解路面交通、維持市容市貌等至關重要。
采用矩形頂管法施工，一切施工均在現狀道路以下進行，不需要遷改地下管線，不破壞地面道路結構，也絲毫不影響現有道路交通的正常運行，在穩定土層、環境保護、控制成本、合理減縮工期等方面具有顯著優勢，是目前市政地下通道建設的最佳施工方法。
本課題結合鄭州市紅專路下穿中州大道隧道工程，對市政隧道矩形頂管接線方式、設計理論與方法、施工技術等關鍵問題開展研究，主要技術及創新點如下：
1、管節結構斷面型式擬定
結構斷面擬定時考慮市政機動車道的寬度，頂管斷面寬度按兩車道的市政道路考慮，寬度達10.1m考慮，若采用平頂設計，結構厚度達70cm，重量較重，不利于施工的運輸與吊裝。管節頂板起微拱后，結構受力合理，結構厚度可以減小為60cm，不僅節省了材料，減小了結構的重量，也方便了施工時的吊裝與拼接。結構斷面頂部起拱減小了頂管機刀盤斷面切削盲區，利于頂管機的掘進。
2、減小管節的頂推力
管節斷面大、頂推距離長，由頂管的施工原理可知，需要的頂推力較大。而市政工程的頂部覆土較小，管片與上方土體摩阻力較大，可能會造成頂管背土、上方土體剪切破壞、地表隆起等問題。本工程通過頂推過程中在注入觸變泥漿減小管節頂進過程中的摩阻力。
3、管節接頭設計
為了滿足接縫防水要求，管節外側接頭采用“F”型承插式接頭形式。為滿足接口處的剛度，承插口鋼套環采用厚18mm的鋼板，與承口混凝土結構密貼。
因為本工程為機動車通行隧道，通行荷載大，為減小行車荷載產生的不均勻沉降，保證建成接頭處承插口防水效果和隧道接頭的整體剛度，在管壁中部位置設置插銷孔，在頂推施工時，插入插銷棒，提高管節接頭剛度，抵抗行車荷載產生的不均勻沉降和接縫間反力。
在頂管頂進施工時，為避免頂管接頭混凝土剛形體接觸不均勻受力破壞，在接縫處填充多層膠合板作為傳力襯墊。
為防止管壁內側接縫處棱角吊裝過程中破損，在棱角處進行倒角處理。
為減小頂管頂進時的摩阻力，插口端設置減摩注漿管，為防止渣土掉入減摩注漿管，造成堵管，在減摩注漿管頂端設置單向閥。
4、頂管吊裝孔和注漿管設計
為方便管節預制施工時的翻轉與吊裝，在每節管節管壁上均設計8個吊裝孔，頂底板和兩側管壁各設兩個。頂底板注漿孔沿管節中線對稱布置，兩側管壁的注漿孔一個位于管節質心高度位置，另一個位于質心偏上位置，并與注漿孔孔洞保持一定距離。
頂管頂進施工時，為保證有效的減摩注漿效果，減小減摩注漿管與注漿孔對管節壁斷面的削弱，減摩注漿管與注漿孔交錯布置。頂管管節設計均按A型管節和B型管節兩種管節設計。每種管節的A型管節和B型管節結構尺寸相同，而頂底板上的注漿孔和減摩注漿管位置均互為交叉布置。在頂推施工時，為保證頂管始發時的注漿減摩效果，第一節管節采用A型管節，A型管節與B型管節交替進行，使頂底板上的注漿孔和減摩注漿管在平面上均為梅花型布置。
4、頂管接縫防水設計
頂管管節接縫處采用兩道防水體系
1）第一道防水體系
承插口鋼套環采用厚18mm的鋼板，與承口混凝土結構密貼，為避免鋼環與混凝土間滲水，在鋼環端部與混凝土密貼處設置有兩道φ6鋼環和水膨脹止水條組成的止水鋼環，并在承口與插口接口處設置嵌縫槽，嵌入雙組份聚硫密封膠，保證承口側的防水能力。
市政工程為百年工程，為加強承插口處的防水，插口混凝土結構外側密貼楔形橡膠圈和半圓形橡膠圈，插入承插口鋼套環后，橡膠圈被壓縮，密貼鋼套環與鋼筋混凝土結構，形成良好的防水體系。并管節承口端管壁中上部位置開槽，嵌入多孔型三元乙丙橡膠密封墊。在管節插口端面與密封墊對應位置人工打磨光滑平整，保證拼裝施工后能夠與三元乙丙密封墊壓縮密貼，保證拼裝后的防水效果。
2）第二道防水體系
第二道防水體系為預留防水體系，在管壁內側兩管節接縫處設置嵌縫槽，后期可采用注入雙組分聚硫密封膠形式或采用接水槽引水形式進行防水。并在管節插口處鋼環位置設置數道φ6mm預留注漿管，后期可通過注入止水材料進行補充防水。
5、洞門止水設計
為防止一道止水簾布直線段止水效果不佳，預防頂管機施工到達時泥沙及水涌入工作井，在始發井端墻設置兩道簾布橡膠圈和折頁板，簾布橡膠由模具分塊壓制然后連成一整環。
在接收井除了設置兩道簾布橡膠圈和折頁板外，為防止水壓過大沖開簾布橡膠板，并在折頁板外側設置彈性壓片。
6、管節的縱向連接
管節在不采取縱向措施時，管節間相互獨立，在不良地基情況下很容易發生不均勻下沉，在頂進過程中會使管節偏離線路軸心，導致管節接頭錯位。
通過在管節兩側預留圓形孔洞，在頂推前通過插入插銷棒，增加管片的縱向連接剛度，為防止管節錯位，插銷幫設計為倒刺形狀，只能插進去不能拔出，以保證其連接的可靠性。減小頂推過程的管節的不均勻沉降及錯位偏差？紤]到管節接縫處剛度較小，插銷棒剛度過大，容易對管節邊處結構造成損壞，剛度過小，則導致管節間的沉降差異較大。故插銷棒采用橡膠棒保證接縫處的柔性，橡膠棒內插入鋼棒以保證插銷棒剛度。
7、止退裝置
在頂管施工頂進初期，頂管機頭和前幾節管節與周邊土體間的摩阻力不能平衡開挖掌子面處的側向水土壓力，這樣在管節頂進拼裝過程中極易引起頂管機的后退，導致刀盤正面的壓力突降，從而造成開挖掌子面土壓平衡失效，掌子面土體坍塌甚至引起地表沉降等嚴重后果。本隧道采用三角形鋼架設計，與底部支撐支架連接為一體。當頂管管節頂進到位時，采用鋼棒通過三角鋼架插入預留的吊裝孔，進行管節止退。
8、頂管施工工序設計
一般來說，管節周邊土體受頂管頂進時擠壓、壓漿等影響，土體性質較原狀土相比，已有較大變化，在相鄰頂管頂進時，機頭平面可能發生偏離已完成管道的現象。本工程相鄰兩條隧道的最小凈間距僅有1.0m，相鄰隧道施工時更易產生相互擾動。本工程考慮通過施工組織，錯開相鄰兩條隧道的前后施工的時間，將相互影響減到最小。