大断面矩形土压平衡顶管隧道修建关键技术
完成单位：中铁隧道勘测设计院有限公司
获奖情况：2016年度中国铁路工程总公司科学技术特等奖
成果水平：国际领先
简要技术说明：
随着社会城市化进程的推进，地下空间的开发和利用越来越受到人们的重视。为舒缓城市交通压力，减少建构筑物的拆迁和市政管线的改移，在城市交通繁忙、建构筑物及管线密集地带修建地下车行和人行通道已经成为一种趋势，选择合适的施工方法对保证工程质量和工期、缓解路面交通、维持市容市貌等至关重要。
采用矩形顶管法施工，一切施工均在现状道路以下进行，不需要迁改地下管线，不破坏地面道路结构，也丝毫不影响现有道路交通的正常运行，在稳定土层、环境保护、控制成本、合理减缩工期等方面具有显著优势，是目前市政地下通道建设的最佳施工方法。
本课题结合郑州市红专路下穿中州大道隧道工程，对市政隧道矩形顶管接线方式、设计理论与方法、施工技术等关键问题开展研究，主要技术及创新点如下：
1、管节结构断面型式拟定
结构断面拟定时考虑市政机动车道的宽度，顶管断面宽度按两车道的市政道路考虑，宽度达10.1m考虑，若采用平顶设计，结构厚度达70cm，重量较重，不利于施工的运输与吊装。管节顶板起微拱后，结构受力合理，结构厚度可以减小为60cm，不仅节省了材料，减小了结构的重量，也方便了施工时的吊装与拼接。结构断面顶部起拱减小了顶管机刀盘断面切削盲区，利于顶管机的掘进。
2、减小管节的顶推力
管节断面大、顶推距离长，由顶管的施工原理可知，需要的顶推力较大。而市政工程的顶部覆土较小，管片与上方土体摩阻力较大，可能会造成顶管背土、上方土体剪切破坏、地表隆起等问题。本工程通过顶推过程中在注入触变泥浆减小管节顶进过程中的摩阻力。
3、管节接头设计
为了满足接缝防水要求，管节外侧接头采用“F”型承插式接头形式。为满足接口处的刚度，承插口钢套环采用厚18mm的钢板，与承口混凝土结构密贴。
因为本工程为机动车通行隧道，通行荷载大，为减小行车荷载产生的不均匀沉降，保证建成接头处承插口防水效果和隧道接头的整体刚度，在管壁中部位置设置插销孔，在顶推施工时，插入插销棒，提高管节接头刚度，抵抗行车荷载产生的不均匀沉降和接缝间反力。
在顶管顶进施工时，为避免顶管接头混凝土刚形体接触不均匀受力破坏，在接缝处填充多层胶合板作为传力衬垫。
为防止管壁内侧接缝处棱角吊装过程中破损，在棱角处进行倒角处理。
为减小顶管顶进时的摩阻力，插口端设置减摩注浆管，为防止渣土掉入减摩注浆管，造成堵管，在减摩注浆管顶端设置单向阀。
4、顶管吊装孔和注浆管设计
为方便管节预制施工时的翻转与吊装，在每节管节管壁上均设计8个吊装孔，顶底板和两侧管壁各设两个。顶底板注浆孔沿管节中线对称布置，两侧管壁的注浆孔一个位于管节质心高度位置，另一个位于质心偏上位置，并与注浆孔孔洞保持一定距离。
顶管顶进施工时，为保证有效的减摩注浆效果，减小减摩注浆管与注浆孔对管节壁断面的削弱，减摩注浆管与注浆孔交错布置。顶管管节设计均按A型管节和B型管节两种管节设计。每种管节的A型管节和B型管节结构尺寸相同，而顶底板上的注浆孔和减摩注浆管位置均互为交叉布置。在顶推施工时，为保证顶管始发时的注浆减摩效果，第一节管节采用A型管节，A型管节与B型管节交替进行，使顶底板上的注浆孔和减摩注浆管在平面上均为梅花型布置。
4、顶管接缝防水设计
顶管管节接缝处采用两道防水体系
1）第一道防水体系
承插口钢套环采用厚18mm的钢板，与承口混凝土结构密贴，为避免钢环与混凝土间渗水，在钢环端部与混凝土密贴处设置有两道φ6钢环和水膨胀止水条组成的止水钢环，并在承口与插口接口处设置嵌缝槽，嵌入双组份聚硫密封胶，保证承口侧的防水能力。
市政工程为百年工程，为加强承插口处的防水，插口混凝土结构外侧密贴楔形橡胶圈和半圆形橡胶圈，插入承插口钢套环后，橡胶圈被压缩，密贴钢套环与钢筋混凝土结构，形成良好的防水体系。并管节承口端管壁中上部位置开槽，嵌入多孔型三元乙丙橡胶密封垫。在管节插口端面与密封垫对应位置人工打磨光滑平整，保证拼装施工后能够与三元乙丙密封垫压缩密贴，保证拼装后的防水效果。
2）第二道防水体系
第二道防水体系为预留防水体系，在管壁内侧两管节接缝处设置嵌缝槽，后期可采用注入双组分聚硫密封胶形式或采用接水槽引水形式进行防水。并在管节插口处钢环位置设置数道φ6mm预留注浆管，后期可通过注入止水材料进行补充防水。
5、洞门止水设计
为防止一道止水帘布直线段止水效果不佳，预防顶管机施工到达时泥沙及水涌入工作井，在始发井端墙设置两道帘布橡胶圈和折页板，帘布橡胶由模具分块压制然后连成一整环。
在接收井除了设置两道帘布橡胶圈和折页板外，为防止水压过大冲开帘布橡胶板，并在折页板外侧设置弹性压片。
6、管节的纵向连接
管节在不采取纵向措施时，管节间相互独立，在不良地基情况下很容易发生不均匀下沉，在顶进过程中会使管节偏离线路轴心，导致管节接头错位。
通过在管节两侧预留圆形孔洞，在顶推前通过插入插销棒，增加管片的纵向连接刚度，为防止管节错位，插销帮设计为倒刺形状，只能插进去不能拔出，以保证其连接的可靠性。减小顶推过程的管节的不均匀沉降及错位偏差。考虑到管节接缝处刚度较小，插销棒刚度过大，容易对管节边处结构造成损坏，刚度过小，则导致管节间的沉降差异较大。故插销棒采用橡胶棒保证接缝处的柔性，橡胶棒内插入钢棒以保证插销棒刚度。
7、止退装置
在顶管施工顶进初期，顶管机头和前几节管节与周边土体间的摩阻力不能平衡开挖掌子面处的侧向水土压力，这样在管节顶进拼装过程中极易引起顶管机的后退，导致刀盘正面的压力突降，从而造成开挖掌子面土压平衡失效，掌子面土体坍塌甚至引起地表沉降等严重后果。本隧道采用三角形钢架设计，与底部支撑支架连接为一体。当顶管管节顶进到位时，采用钢棒通过三角钢架插入预留的吊装孔，进行管节止退。
8、顶管施工工序设计
一般来说，管节周边土体受顶管顶进时挤压、压浆等影响，土体性质较原状土相比，已有较大变化，在相邻顶管顶进时，机头平面可能发生偏离已完成管道的现象。本工程相邻两条隧道的最小净间距仅有1.0m，相邻隧道施工时更易产生相互扰动。本工程考虑通过施工组织，错开相邻两条隧道的前后施工的时间，将相互影响减到最小。