1．特點(diǎn)
1.1利用土壓平衡矩形頂管機(jī)可對矩形斷面進(jìn)行全斷面切削,保持土壓平衡，對周圍土體擾動(dòng)小。
1.2在同等截面積下，矩形隧道比圓形隧道可更有效地利用空間，減少地下掘進(jìn)土方。用于人行、車輛等的地下通道不需再進(jìn)行地面鋪平工序，不僅省時(shí)而且可降低工程造價(jià)20%左右。
1.3不影響原有的各類地下管線，不影響道路交通、水運(yùn)以及地面的各類建筑。施工時(shí)無噪音、無環(huán)境污染。
1.4通過可編邏輯程序控制器及各類傳感器等隨時(shí)監(jiān)測施工狀況，確定施工參數(shù)，使整個(gè)施工過程處于受控狀態(tài)，從而有效控制矩形隧道頂進(jìn)軸線、轉(zhuǎn)角偏差及地面沉降。
2．工作原理及適用范圍：
2.1工作原理：
整個(gè)控制系統(tǒng)以土壓平衡為工作原理，通過大刀盤及仿形刀對正面土體的全斷面切削，改變螺旋機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度及頂進(jìn)速度來控制排土量，使土壓倉內(nèi)的土壓力值穩(wěn)定并控制在所設(shè)定的壓力值范圍內(nèi)，從而達(dá)到開挖切削面的土體穩(wěn)定。
2.2適用范圍：
本工法適用于在粘土、淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)砂土及砂質(zhì)粉土等地層中施工。特別適用于在不宜大開挖的錯(cuò)綜復(fù)雜的各類地下管線下進(jìn)行矩形斷面的施工，保證地面建筑物不受損害。
3．施工工藝
3.1施工設(shè)備
3.1.1組合刀盤式土壓平衡頂管機(jī)，由上海隧道工程股份有限公司研制，并已在工程中得到應(yīng)用。
主要由頂管機(jī)機(jī)頭、大刀盤及仿形刀裝置、糾偏裝置、螺旋機(jī)、主頂裝置、動(dòng)力裝置、壓漿系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)及監(jiān)測系統(tǒng)等組成。
3.1.2配套設(shè)備：
行車，拌漿系統(tǒng)，注漿泵，電焊機(jī)、空壓機(jī)等。
3.2施工順序:
3.2.1工作井清理、測量及軸線放樣。
3.2.2出洞口密封安裝及檢查，并進(jìn)行出洞輔助技術(shù)措施如：井點(diǎn)降水或地基加固處理。
3.2.3井口行車、井上輔助設(shè)施的布置和安裝。
3.2.4頂管機(jī)就位。
3.2.5后座頂進(jìn)裝置及井下輔助設(shè)施的布置和安裝。
3.2.6頂管機(jī)下井、就位。
3.2.7頂管機(jī)井下安裝、調(diào)試，作好開頂準(zhǔn)備。
3.2.8頂管機(jī)開門出洞后開頂。
3.2.9砼管就位。
3.2.10頂管循環(huán)頂進(jìn)。
4.施工要點(diǎn)
4.1出洞施工及密封
4.1.1對全套頂進(jìn)設(shè)備作一次系統(tǒng)調(diào)試，應(yīng)特別注意仿形刀在穿越加固層時(shí)的切削性能。在確定頂進(jìn)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況良好后，把機(jī)頭頂進(jìn)洞圈內(nèi)距加固層10cm左右。
4.1.2洞門密封圈的制作：為了防止泥漿從管節(jié)外壁和工作井之間的間隙中流出，而使水土流失造成地面沉降，同時(shí)影響觸變泥漿套的形成而降低減摩效果，在洞圈上預(yù)設(shè)阻漿密封裝置。
4.1.3機(jī)頭穿墻頂進(jìn)：在拔除鋼封門后，應(yīng)立即開始頂進(jìn)機(jī)頭，由于正面為全斷面水泥土，為保護(hù)刀盤和仿形刀，頂進(jìn)速度應(yīng)適當(dāng)減慢，使刀盤和仿形刀能對水泥土進(jìn)行對矩形斷面徹底切削;另外由于此段土體過硬，螺旋機(jī)出土?xí)r可加適量清水來軟化和潤滑土體。
4.2觸變泥漿的應(yīng)用
4.2.1為減少土體與管道間摩擦力，在管道外壁壓注觸變泥漿，在管道四周形成一圈泥漿套以達(dá)到減摩效果，在施工期間要求泥漿不失水，不沉淀，不固結(jié)。
4.2.2壓漿量的計(jì)算(每節(jié)管節(jié))
為了保證注漿效果，注漿量應(yīng)取理論值的2～3倍。
V=（D2-d2）×2×300％
4.3頂管后靠及機(jī)座安裝
為保證頂管工作井的后壁能均勻受力，加工一剛度較大的剛性后靠。整體吊裝，放在頂進(jìn)裝置與井壁之間，進(jìn)行定位固定。
4.4主要施工技術(shù)參數(shù)的控制
4.4.1正面土壓力的控制
土壓力根據(jù)Rankine土壓力理論進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算值作為土壓力的最初設(shè)定值，在實(shí)際頂進(jìn)后,通過頂進(jìn)參數(shù)、地面沉降監(jiān)測，將設(shè)定土壓力值調(diào)整到1.2kg/cm2左右,正面出土量、地面沉降情況較為理想。
4.4.2出土量的控制
應(yīng)盡量精確統(tǒng)計(jì)出每節(jié)管節(jié)的出土量，力爭使之與理論出土量保持一致，以保證正面土體的相對穩(wěn)定。
4.4.3頂進(jìn)速度的控制
在頂進(jìn)時(shí)應(yīng)對頂進(jìn)速度作不斷調(diào)整，找出頂進(jìn)速度、正面土壓力、出土量的最佳匹配值，以保證頂管的頂進(jìn)質(zhì)量。
4.5頂進(jìn)軸線的控制
4.5.1高程控制
在頂進(jìn)過程中一旦頂管出現(xiàn)上拋現(xiàn)象，不宜采取降低地面土壓力、增大出土量、過量向下糾偏等動(dòng)作。應(yīng)在頂進(jìn)時(shí)將機(jī)頭高程始終控制在負(fù)值，這樣即使在機(jī)頭下沉較大時(shí)，所采取的糾偏措施也和地面沉降控制相統(tǒng)一。
4.5.2平面控制
由于受第一條頂管頂進(jìn)時(shí)擠壓、壓漿等影響，在已成管道周邊土體強(qiáng)度較原狀土大，在第二條頂管頂進(jìn)時(shí)，機(jī)頭平面可能有偏離已成管道的現(xiàn)象，頂進(jìn)時(shí)應(yīng)把機(jī)頭平面始終控制在靠已成管道方向。
4.5.3轉(zhuǎn)角控制
矩形管道的橫向水平要求較高，在頂進(jìn)過程中對機(jī)頭的轉(zhuǎn)角需密切注意，機(jī)頭一旦出現(xiàn)微小轉(zhuǎn)角，應(yīng)及時(shí)糾轉(zhuǎn)。
a) 糾轉(zhuǎn)裝置糾轉(zhuǎn)
安裝于殼體兩側(cè)的糾轉(zhuǎn)裝置根據(jù)需要旋轉(zhuǎn)角度，將翼板伸出殼體插入土體內(nèi)，在機(jī)頭向前推進(jìn)時(shí)，土體在翼板上產(chǎn)生一側(cè)向分力，形成一力偶使機(jī)頭按所需的方向旋轉(zhuǎn)，以達(dá)到糾轉(zhuǎn)目的。
b) 壓漿糾轉(zhuǎn)
壓漿糾轉(zhuǎn)是利用殼體上壓漿管注漿，翅板將漿液分隔成四個(gè)區(qū)域，根據(jù)糾轉(zhuǎn)方向的要求，選擇適當(dāng)?shù)膲簼{點(diǎn)，使壓出的漿液在機(jī)頭形成一力偶，使機(jī)頭按所需的方向旋轉(zhuǎn)，以達(dá)到糾轉(zhuǎn)目的。
c) 利用變角切口糾轉(zhuǎn)
安裝于機(jī)頭切口環(huán)二惻的左右各二個(gè)變角切口，其千斤頂?shù)纳炜s可控制翻板的角度，頂進(jìn)時(shí)產(chǎn)生一定的超挖，使殼體二側(cè)土體產(chǎn)生一條槽形空間，并同時(shí)在機(jī)頭一側(cè)配合注漿，使機(jī)頭產(chǎn)生一力偶，以控制機(jī)頭的姿態(tài)，達(dá)到糾轉(zhuǎn)的目的。
4.5.4機(jī)頭糾偏控制
頂管在正常頂進(jìn)施工過程中，必須密切注意頂進(jìn)軸線的控制。在每節(jié)管節(jié)頂進(jìn)結(jié)束后，必須進(jìn)行機(jī)頭的姿態(tài)測量，并做到隨偏隨糾，且糾偏量不宜過大，以避免土體出現(xiàn)較大的擾動(dòng)及管節(jié)間出現(xiàn)張角。
4.6地面沉降控制
4.6.1利用土壓平衡矩形頂管機(jī)對矩形斷面進(jìn)行全斷面切削。嚴(yán)格控制施工參數(shù),防止超、欠挖。
4.6.2解決矩形頂管機(jī)機(jī)頭頂部背土問題
在矩形頂管機(jī)的機(jī)頭殼體頂部安裝壓漿管，并開有壓漿槽，使?jié){液均勻分布于整個(gè)上頂面，在土體和殼體平面之間形成一泥漿膜，以減少土體同殼體的摩擦力，防止背土現(xiàn)象的發(fā)生。
4.6.3在頂進(jìn)時(shí),每隔一段時(shí)間應(yīng)對頂管機(jī)后部已成管道高程作一次復(fù)測,一旦出現(xiàn)管道下沉情況嚴(yán)重時(shí),應(yīng)對下沉部位進(jìn)行底部注漿,防止由此引起的地面沉降。
4.7測量
4.7.1矩形頂管機(jī)出洞前必須認(rèn)真測定頂管機(jī)切口的軸線和標(biāo)高，并將數(shù)據(jù)及時(shí)反饋進(jìn)行調(diào)整，頂進(jìn)中原始數(shù)據(jù)、表格必須連續(xù)真實(shí)填寫清楚。
4.7.2交接班時(shí)應(yīng)交清測量記錄，將儀器對中，并交清管道軌跡和糾偏趨向。
4.7.3頂程結(jié)束后必須全線復(fù)測、繪制管道頂進(jìn)軌跡圖（含高程、方向、頂力曲線），并由施工質(zhì)監(jiān)人員檢查復(fù)核。
4.7.4在過道路時(shí)，應(yīng)按建設(shè)單位的要求在指定地段進(jìn)行施工監(jiān)測布置，觀測頂進(jìn)過程中地表變形和土體位移情況，以便采取預(yù)防措施，避免影響道路正常運(yùn)行的事故發(fā)生。頂進(jìn)結(jié)束后應(yīng)繪制施工過程和竣工后的地面變形圖。
4.8矩形管節(jié)和接口
4.8.1矩形管節(jié)混凝土采用C40，抗?jié)B指標(biāo)為S6。并采用F型鋼套接口、齒形氯丁橡膠止水帶。
4.8.2襯墊板的厚度，應(yīng)按設(shè)計(jì)頂力大小確定，粘貼時(shí)，凹凸口對中，環(huán)向間隙符合要求。
4.8.3插入安裝前滑動(dòng)部位可均勻涂薄層硅油等潤滑材料，減少摩阻。
4.8.4承插時(shí)外力必須均勻，橡膠圈不移位、不反轉(zhuǎn)、不露出管外.
5.施工人員及施工管理
5.1施工人員:每班12人，具體分工如下：
序號(hào) 人員 數(shù)量 職責(zé)分工
1 組長 1 指揮、調(diào)度、質(zhì)量控制
2 技術(shù)人員 1 技術(shù)管理、質(zhì)量管理、施工記錄、施工分析
3 操作員 1 頂管機(jī)操作
4 機(jī)、電維修員 2 設(shè)備檢修并兼職其它工作
5 起重工 1 行車駕駛
6 測量員 1 頂進(jìn)軸線測量、控制
7 泥漿工 1 拌漿、壓漿
8 輔助工 4 運(yùn)土2、掛吊鉤等
5.2．施工管理
5.2.1技術(shù)管理
由施工技術(shù)員負(fù)責(zé)，具體職責(zé)為：監(jiān)督施工參數(shù)的實(shí)施及處理施工時(shí)發(fā)生的臨時(shí)變更情況，及時(shí)與設(shè)計(jì)單位聯(lián)系。
5.2.2質(zhì)量管理
由操作班長與操作員建立TQC小組，操作班長負(fù)責(zé)監(jiān)督實(shí)施設(shè)計(jì)施工參數(shù)，嚴(yán)格按照操作規(guī)程操作，并作好當(dāng)班記錄，發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)與技術(shù)員聯(lián)系解決，定期進(jìn)行TQC活動(dòng)，保證施工質(zhì)量。
序號(hào) 人員 數(shù)量 職責(zé)分工
1 組長 1 指揮、調(diào)度、質(zhì)量控制
2 技術(shù)人員 1 技術(shù)管理、質(zhì)量管理、施工記錄、施工分析
3 操作員 1 頂管機(jī)操作
4 機(jī)、電維修員 2 制備檢修并兼職其它工作
5 起重工 1 行車駕駛
6 測量員 1 頂進(jìn)軸線測量、控制
7 泥漿工 1 拌漿、壓漿
8 輔助工 4 運(yùn)土2、掛號(hào)鉤等
5.2.3安全管理
a．嚴(yán)格遵照國家頒發(fā)的《建筑安裝工程安全技術(shù)規(guī)程》和上海市市政工程管理局對施工現(xiàn)場安全的有關(guān)規(guī)定。
b．頂管機(jī)及管道內(nèi)照明用電應(yīng)使用安全電壓。
c．動(dòng)力電纜轉(zhuǎn)換接插前，要先切斷電源，后拔出插頭。
d．混凝土管吊運(yùn)時(shí)，管下嚴(yán)禁站人。
e．管道內(nèi)的電力電纜、控制電纜應(yīng)懸掛固定，嚴(yán)禁隨地鋪設(shè)。
f．外部照明要充足，安放高度不得低于3米。
g．在吊車行走路線上不得有任何電源線。
h．及時(shí)檢查各操作員的操作程序，嚴(yán)防違章操作。
i． 及時(shí)檢查各壓力管接頭的可靠性，防止壓力管爆裂傷人。
6．質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)
除應(yīng)遵照國家標(biāo)準(zhǔn)《地基與基礎(chǔ)施工及驗(yàn)收規(guī)范》、《鋼筋混凝土工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》和上海市的建委頒發(fā)的《市政工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》、頂管標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定外，施工中還應(yīng)做到：
6.1 矩形管節(jié)的邊長誤差<±2mm, 高度誤差<1mm, 上下平面矩形外框?qū)蔷€誤差<4mm, 側(cè)向平面與上下平面的垂直度誤差<2mm。
6.2 當(dāng)管頂與隧道底距離小于管徑時(shí)，隧道段地面最大隆起值為10mm，最大沉降值為30 mm。
6.3 頂進(jìn)時(shí)，轉(zhuǎn)角必須控制在±1°之內(nèi)。
7．效益分析
7.1與圓形頂管相比, 沒有浪費(fèi)的掘進(jìn)面積，充分利用了結(jié)構(gòu)斷面，從而使地下空間得到有效利用。而用于人行、車輛等的地下通道不需再進(jìn)行地面鋪平工序，亦可節(jié)約大量的時(shí)間和資金。
7.2與箱涵頂進(jìn)相比，由于土壓平衡的控制，對土體的擾動(dòng)小，能有效地控制地表的沉降和隆起，可在鬧市區(qū)或建筑密集場合下的管道施工，大大減少了地上地下構(gòu)筑物破壞而帶來的損失。
7.3在穿越道路、鐵路、隧道、河流的管道施工時(shí)，不可能采用開槽埋管，利用矩形頂管機(jī)施工則可保證交通通行，大大減少了因施工所引起的道路中斷，具有明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
8．工程實(shí)例
上海地鐵2號(hào)線陸家嘴車站5號(hào)出入口人行通道位于陸家嘴金融貿(mào)易區(qū)，分布在延安東路隧道引道段的南北兩側(cè)。通道由兩條長度各為62.25m、斷面尺寸為3。8m×3.8m的平行矩形管道組成，兩條管道凈間距為2.2m，管道坡度均為0.2%。
工程沿線穿越延安東路浦東引道段及上水管、煤氣管、雨水管、污水管市話線、電力線等管線。其中管道頂與ф450污水管、ф1000雨水管、ф800雨水管底凈間距均為1米，與延安東路隧道引道段結(jié)構(gòu)底凈距為1.37米。土層為灰色砂質(zhì)粉土與灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層，覆土厚度為5.3米左右
1999年4月26日，由上海隧道股份公司研制的3.8×3.8米組合刀盤式土壓平衡矩形頂管機(jī)正式應(yīng)用與地鐵2號(hào)線陸家嘴車站5號(hào)行人出入通道，以日頂進(jìn)速度5米，最高速度9米/日，于6月5日便圓滿完成了兩條62.25米矩形隧道，順利地穿越了離隧道頂部僅為1.37米的延安東路引導(dǎo)段，四周密布的重要管線絲毫未損，并將延安東路隧道引道段的沉降控制在10mm以內(nèi)，轉(zhuǎn)角控制在±0.5°之內(nèi)。