大断面矩形顶管施工技术

一、矩形顶管简介

矩形顶管法是借助顶推设备（液压千斤顶）将管节从工作坑（始发井）内穿过土层一直推到接收坑（到达井）内，依靠顶管机刀盘不断地切削土屑，由螺旋机将切削的土屑排出，并通过洞内水平运输至始发井口吊出。边顶进，边切削，边排土，将管道逐段向前铺设的一种非开挖施工技术。 1.2 矩形顶管适用范围

矩形顶管工艺适用范围如图1.2-1所示。

地铁出入口

过街通道

地下综合管廊

穿越铁路、河流等

图1.2-1 矩形顶管适用范围示意图

1.3 矩形顶管施工优缺点 1.3.1 矩形顶管工优点

（1）施工占地面积小、噪音低、无扬尘； （2）不开挖路面、不封闭交通、不改迁管线；

（3）在同等截面下，矩形隧道比圆形隧道能更有效的利用地下空间；

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（4）施工对周围土体扰动小，能有效控制地面和管线沉降；

1.3.2 矩形顶管工缺点

根据顶管机设计，顶管螺旋机出土最大粒径为250mm，，施工中有可能会遇到顶管机无法排出的较大孤石。在遇到顶管机无法排出的孤石时需于地面确定孤石位置进行临时交通疏解，开挖取出孤石。

二、大断面矩形顶管机介绍

顶管机根据矩形顶管设计尺寸及地层情况进行设计制造，主要由切削搅拌系统、驱动系统、纠偏及液压系统、出渣系统、顶推系统、测量显示系统、电气操作系统等组成。 2.1 切削搅拌系统

矩形顶管配置了6个辐条式刀盘，刀盘开口率70%以上，采用3前3后平行轴式布置,相邻刀盘的切削区域相互交叉，开挖覆盖率能达到93%~95%。考虑要通过加固区，在前盾切口环全圆布置切刀，对盲区进行主要切削。

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刀盘切削下来的土体充满整个土仓，并经过刀盘附带的搅拌棒充分搅拌均匀后，由底部螺机出土孔进行出土。 2.2 驱动系统

(1)驱动形式：变频驱动；

(2)速度：0～1.16 rpm，无级变速； (3)最大理论扭矩：1444kN·m（单个刀盘） (4)驱动功率：30kw×6×6（6组）

2.3 出渣系统

螺旋输送机结构包括壳体、轴式叶片、驱动装置、尾部闸门几部分。螺旋输送机安装在土压仓下部，其作用是排除渣土、碎石以及调控土压仓压力，实现土压平衡。

排出的渣土经过洞内水平运输至始发井口，吊运至集土坑。

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2.4 纠偏系统

纠偏系统主要作用就是在推进过程中，若出现轴线偏离一定角度，则使用纠偏油缸进行纠偏，以纠正矩形盾构顶管的姿态，纠偏油缸属于主动铰接，纠偏油缸的布置主要考虑结构上合理，满足上下、左右纠偏的效果。

纠偏原则：（1）勤纠、微纠和看趋势进行纠偏；（2）向上下，后左右 2.5 顶推系统

顶推系统主要是为矩形顶管机及管节提供顶进动力，由顶铁、主顶油缸、液压泵站组成。

组合顶铁

主顶

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液压泵站

2.6 渣土改良系统

组合图

顶管机配置膨润土和泡沫两套改良系统，可单独使用，也可同时使；六个刀盘的每根辐条上均布置碴土改良孔，掘进过程中，通过管路将碴土改良剂送至土仓，改良土体。

2.7 触变泥浆减阻系统

在壳体上和每节管片上均布置有触变泥浆注浆孔，壳体上注浆孔在一定程度上能起到调整盾体姿态的作用，管节上的注浆孔，主要用来减小摩阻力，同时也能最大限度的解决背土问题。

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2.8 导向测量系统

在始发井处设置激光经纬仪，在矩形盾构顶管内设置导向靶。通过激光在导向靶上的投射斑点的位置来判断矩形盾构顶管的当前姿态。 2.9 控制系统

矩形顶管操作控制室设置在地面上， 通过Profibus协议与远程I/O模块组建顶管的控制系统。同时，设备选用工业电脑作为图形终端通过以太网协议与PLC实现数据交流。

三、大断面矩形顶管管节介绍

3.1 管节设计

矩形顶管管节一般采用矩形或类矩形（上部微拱）结构，管节设置吊装孔、触变泥浆孔及浆液置换孔等，单节长度一般为1.5m，矩形管节之间纵向连接采用承插式F型接头。

深圳地铁11号线车公庙站地下通道共计4条顶管，总长329m。设计结构形式为矩形圆倒角钢筋混凝土管节，结构净空宽3.65m，高5.9m。

（1）顶管采用C50预制钢筋砼管，结构外尺寸为6900＊4650，壁厚500mm，抗渗等级为P10。

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（2）每节管节长度为1.5m，每节管节重量约38T,每节理论出土量48.5m3。 （3）顶管通道采用纵向穿锚索的方式加强纵向刚度，锚索孔在管节预制时预留，管节间预留阴阳榫头以保证施工时锚索孔道在一条直线上。

（4）每片管节设8个DN120mm吊装孔，10个DN25mm钢管压浆孔（顶进时减磨注浆)，18个DN60mm预应力孔道。

管节设计如图3.1-1。

图3.1-1 矩形顶管管节设计图

3.2 管节防水

（1）、外侧防水体系：

管节承口钢套环采用厚16mm的钢板，长345mm，管节插口混凝土结构外侧密贴一道楔形橡胶圈，施工时插入承口钢套环内，在插入过程中，橡胶圈被压缩，密贴钢套环，形成良好的防水体系。 （2）、嵌缝防水体系：

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在管节两管节接口处设置嵌缝槽，迎土面采用聚氨酯密封胶填缝，背土面待浆液置换完成后采用低膜量聚氨酯或聚硫密封胶嵌缝。

（3）、浆液置换防水体系

顶管顶进完成后，通过设置在管节中部的二次注浆孔，对管节周边的触变泥浆进行浆液置换，固结通道。

管节防水设计见管节接口细部图3.2。

图3.2-1 顶管管节接口细部构造图

3.3 管节吊装

管节设计有吊装孔，吊装采用专用吊具进行，吊机、钢丝绳、卸扣、吊具、吊点等均须经过验算满足施工吊装要求。

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四、大断面矩形顶管施工技术

4.1 施工工艺流程

矩形顶管施工主要包含顶管始发准备工作、设备安装、始发施工、正常推进、接收施工、收尾工作。详见顶管施工工艺流程图4.1-1。

图4.1-1 矩形顶管施工工艺流程图

4.2 顶管端头加固

工作井结构施工完成后，组织进行端头加固施工，按照设计图纸要求进行顶管端头区加固施工，以满足顶管始发端头止水、加固需求。端头加固一般采用搅拌桩+旋喷桩进行，长度为顶管机长度+2～3节管节长度，约10m，以确保始发安全。

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4.3 顶管始发

4.3.1 顶管始发准备

顶管始发前期准备工作包括：场地布置、水电管路布置、顶管机组装调试、端头加固、后背加固施工等。 4.3.2 顶管机组装

矩形顶管机由于高度限制，整机分为前后上下四部分运送至施工场地，采用履带吊进行现场拼装。

顶管机组装根据组装方案进行，组装顺序如下： 顶管机组装顺序：基座导轨（后靠）后下壳体

后上壳体

螺旋机

前下壳体刀盘

前上壳体

油缸系统及顶铁 。

图4.3.3-1 顶管机组装顺序图

4.3.3 顶管机调试

（1）、空载调试

顶管机组装和连接完毕并确定无误后，即可进行空载调试。主要调试内容为：配电系统、液压系统、润滑系统、冷却系统、注浆系统、以及各种仪表、传感器的调试。

（2）、负载调试

空载调试顶管机各系统运转后即可进行负载调试。负载调试的主要目的是检查各种管线及密封的负载能力；使顶管机的各个工作系统和辅助系统达到满足正常生产要求的工作状态。

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高压系统的测试：高压电缆、接头、高压开关柜及变压器的绝缘及功能调试。 低压供电系统的调试：照明系统（含紧急照明）、动力系统、弱电供电系统。 刀盘驱动系统测试：正转、反转功能、最大速度、速度调节、制动、压力等是否正常。

油脂密封系统测试：系统工作是否正常并且将油脂注满主轴承，直至溢出，测量压力是否到达要求，控制部分功能是否正常，油脂桶液位连锁功能是否正常。

齿轮油循环系统测试：工作是否正常，液位报警功能等。

液压泵站测试：检查油箱油位传感器、油温传感器、液压油过滤、循环系统以及各泵的工作压力是否正常。

其他辅助液压系统测试：动作、压力、油温是否正常。 顶推装置测试：推进速度、油缸压力、油缸行程的检测。

泡沫系统的测试：泡沫系统水泵、气路、泡沫发生器的功能，泡沫压力、流量以及各泡沫注入点阀门启闭，泡沫发生剂发泡性能和注入管路工作情况等的测试。

螺旋输送机系统测试：包括螺旋输送机转速、油压、伸缩动作、正反转和出土闸门启闭等的测试。

顶管机铰接功能的测试：各铰接油缸动作和铰接功能的测试。 整机联动控制是否正常，各个环节在控制室的控制情况是否正常。 顶管机故障显示测试：显示是否正确、急时。 4.3.4 洞门破除

顶管机组装机头距结构侧墙2m。施工前，在洞门位置搭设两排扣件式脚手架，并搭建施工平台，外侧设置防护杆。脚手架搭设时,立杆纵向间距1.2m，立杆横向间距1.0m，水平杆布距1.2m。施工时，工作平台铺设走道板，走道板要求满铺。洞门破除采用人工风镐按“纵向分段，竖向分层”原则破除。 第一阶段自上而下凿除表层100mm混凝土，并割除表层钢筋，破除宽度不小于洞门钢环尺寸。

第二阶段自上而下分层凿除内层混凝土，直到露出里层迎土层钢筋，破除宽度不小于洞门钢环尺寸，并及时清理破除后的砼块。

第三阶段先将将迎土侧钢筋割除，再自上而下凿除外保护层混凝土，破除宽

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度不小于洞门钢环尺寸，并及时清理破除后的砼块和断钢筋。 4.3.5 顶管始发 （1）空推顶进

顶管机组装完成后，对全套顶进设备作一次系统调试，应特别注意仿形刀在穿越加固层时的切削性能。在确定顶进设备运转情况良好后，把机头顶进洞圈内距加固层10cm左右。 注意事项：

A、始发基座轨道及延长轨道涂抹黄油，减小阻力；

B、对称、缓慢启动上下左右4台千斤顶，确保初始受力均匀； C、刀盘顶推距离土体10～20cm启动，避免破坏洞门防水装置； （2）加固区顶进

由于正面为加固土，为保护刀盘和仿形刀，顶进速度应适当减慢，使刀盘和仿形刀能对水泥土进行对矩形断面彻底切削；另外由于此段土体过硬，螺旋机出土时可加适量清水来软化和润滑土体。 注意事项：

A、当顶管机壳体完全压住两道钢丝刷后，开始注入洞门油脂，保压不小于2bar

B、对向启动6个刀盘，注入渣土改良浆液，确保土体浆液的混合物逐步充满整个土仓，启动千斤顶，顶推速度控制在5～10mm/min ，正面土压力0.06～0.1Mpa。

C、当顶部土压建立后，可逐步开启螺旋机，初始出土速度要求慢，待顶进与出土达到平衡后，出土性状具有良好的塑性、流动性和止水性后，方可逐步提升出土速度。

（3）刀盘出加固区

刀盘进入原状土体后，根据螺机出渣性状及时调整渣土改良浆液配比和注入量，开始同步注入触变泥浆。顶进速度控制在10～20mm/min，设置合理的正面土压力。

4.3.6 止退装置与防后退技术

由于土压平衡矩形顶管在顶进中前端阻力很大，即便顶进了较长里程后，在

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每次拼装管节或加垫块时，主顶油缸一回缩，机头和管节就会一起后退20～30cm，机头和前方土体间的土压平衡受到破坏，土体得不到稳定的支撑，易引起机头前方的土体坍塌。因此，在前基座上安装一套止退装置，将管节和机头稳住，从而使地面沉降量明显减少，同时，管节与管节之间采用大螺杆纵向连接成一个整体，避免接头松弛破坏防水。如图所示。

图4.3.6-1 止退装置图

4.4 顶管顶进施工

4.4.1 正面土压力设定

根据Rankine土压力理论进行计算： P=krz

k：粘土的侧向系数（参考《基坑开挖手册》） r：土的容重 z：覆土深度

（1）计算值作为土压力的最初设定值，在实际顶进后，通过顶进参数、地面沉降监测，进行动态调整。

（2）精确统计出每节管节的出土量，实际出土量控制在理论出土量的98%，以保证正面土体的相对稳定。

（3）在顶进时应对顶进速度作不断调整，找出顶进速度、正面土压力、出土量的最佳匹配值，以保证顶管的顶进质量。 4.4.2 顶进推力

根据日本下水道协会的经验公式： P=S×qr+（R×F+W×f）×L

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式中P—顶力（t） S——刃刀的外周长（m） qr——顶进端的阻力（t/m） R——土和管的摩擦力（t/m2） F——管的外周长（m） W——管的单位重量（t/m） f——管自重的摩擦系数 L——顶进长度（m） 其中部分计算参数如下表

表4.4-1 顶推力参数表

土质 软弱土 普通土 硬质土 qr（t/m） 3～10 5～15 10～30 R（t/m2） 0.4～1.0 0.8～1.4 1.2～2.5 f 0.2 0.3 0.4 由于采用触变泥浆减阻，减阻率在60%左右，实际最大顶推力约为P1=0.4*P。 4.4.3 顶进速度

始发接收阶段不宜过快，一般控制在5～10mm/min左右，正常施工阶段可控制在10～20mm/min左右。 4.4.4 注浆系统

（1）渣土改良

渣土改良分为泡沫改良和膨润土改良，设备设计了膨润土浆液注入口，同时每个刀盘设计了单管单泵的泡沫改良系统。

渣土主要使用膨润土进行改良，膨润土改良采用一级钠基膨润土，该膨润土具有起浆快、造浆高、滤失低、润滑好等特点。根据现场试验渣土改良浆液配比（质量比）为膨润土：水=1：4，注浆量为改良土体30%～50%,注浆压力0.2～0.4MPa，渣土改良效果如图4.4.4-1所示。

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图4.4.4-1 渣土改良效果图

（2）触变泥浆

①顶管管节设置有注浆孔，压注触变泥浆填充管道的外周空隙以减少地层损失控制地面沉降和减少顶进阻力。

②采用泥浆搅拌机进行制浆。纯碱和CMC应预先化开(CMC可以边搅拌边添加)，再加入膨润土搅拌20 min，泥浆要充分搅拌均匀。注浆泵采用专用泵，将其固定在始发井口，拌浆机出料后先注入储浆桶，拌制后的浆液在储浆桶中需经过一定时间（不小于24小时）膨化后方可通过专用泵送至井下。

③触变泥浆浆液配制

触变泥浆浆液应不失水、不沉淀、不固结，既要有良好的流动性，又要有一定的稠度。所用润滑浆液主要成分为膨润土、纯碱以及CMC(化学浆糊)。

图4.4.4-2 触变泥浆注浆减阻图

④触变泥浆注入原则与注入量

顶进时压浆要及时，确保形成完整、有效的泥浆套，必须遵循“先压后顶、随顶随压、及时补浆”的原则。管节上的压浆孔供补压浆用，补压浆的次数及压

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浆量需根据施工时的具体情况而定。

顶进施工中，触变泥浆的用量主要取决于管道周围间隙的大小及周围土层的特性，由于泥浆的流失及地下水等的作用，泥浆的实际用量一般取理论值的2～3倍，在施工中还需根据土质情况、顶进状况及地面沉降的要求等做适当的调整。 4.4.5 施工轴线控制

推进方向控制与调整采取以下两方面的手段和方式：

（1）推进自动导向系统和人工测量辅助进行土压平衡矩形顶管姿态监测。 该系统配置了导向、自动定位、显示器等，能够全天候在土压平衡矩形顶管主控室动态显示土压平衡矩形顶管当前位置与隧道设计轴线的偏差以及趋势。据此调整控制土压平衡矩形顶管推进方向，使其始终保持在允许的偏差范围内。

土压平衡矩形顶管采用激光制导的方法进行推进导向。该系统在设备内设置激光靶，洞口始发井处设置激光全站仪。激光全站仪安装在工作井后背稳定的位置，调整好激光束的位置和方向，使激光束与管道的中心线平行，并且符合设计坡度，发射可见的激光束。

图4.4.5-1 轴线控制示意图

当顶进一段距离后，量测激光束打在土压平衡矩形顶管上目标靶上的偏移量来测出施工中管道的高程及中心偏差。同时土压平衡矩形顶管司机也可以根据激光投射在靶面上的光斑的位置，直接判断土压平衡矩形顶管的姿态。

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图4.4.5-2 激光经纬仪测量图

随着土压平衡矩形顶管推进，必须通过人工测量来进行精确定位。为保证推进方向的准确可靠，拟每2环进行一次人工测量，以校核测量系统的测量数据并复核土压平衡矩形顶管的位置、姿态，确保土压平衡矩形顶管推进方向的正确。 4.4.6 顶管顶进纠偏

（1）盾壳上设计有水平倾角传感器，实时监测滚转姿态，并设有预报警系统。

（2）刀盘每个刀盘的旋转速度及方向都可调，从而实现盾体滚转纠偏。

图4.4.6-1 刀盘旋转纠偏图

（1）铰接纠偏

超大断面矩形顶管施工过程中，铰接纠偏是最直接、最有效的姿态控制方法之一。铰接油缸位置的放置需考虑两方面的要求：调向的灵敏性和盾体稳定的导向作用。超大矩形顶管前盾的长度较短，使铰接力能够有效的传递到刀盘便于转

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向。尾盾设计较长，并通过拉杆与后3～4环管节相连接，避免出现过度纠偏。

图4.4.6-2 铰接纠偏纠偏图

正常掘进时，铰接油缸处于全部收回，以防顶管姿态发生偏差。当顶管姿态发生偏差时，将发生偏差侧的铰接油缸进行伸长，以调整顶管姿态。同时将相应侧的用于与顶管机和管片连接的拉杆松动，以利于顶管姿态的调整。铰接伸长的距离根据地层情况、姿态偏差的大小、拟合掘进线路等综合进行确定。 （2）双螺旋机出土纠偏

为保证土仓各点压力的连续性和均匀性，顶管机设计为双螺旋机出土。 正常掘进过程中，要保持双螺旋机出土的一致，防止土仓左、右侧或上、下侧压力出现不平衡，造成顶管隧道轴线偏差。当顶管出现姿态偏差，可以通过调整双螺旋机的转速，控制双螺旋机出土量，控制土仓左、右侧或上、下侧压力差，进行姿态调整。

图4.4.6-3 双螺旋机出渣图

（3）注浆纠偏

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当顶管机发生中线偏差或滚转时，铰接纠偏能力不足时，可借助于盾体及管节上预留的触变泥浆孔及纠偏泥浆注入系统，在需要的位置向地层注入纠偏泥浆，见图6.39，调整顶管周围的地层压力，依靠地层压力的偏差和地层的微量压缩性进行纠偏。

图4.4.6-4 打泥纠偏图

4.5 顶管接收

4.5.1 围护结构破除

当顶管机进入接收区段后，立即组织进行接收洞门探水作业，破除围护结构。洞门探水、围护结构破除方式同始发工作井。 4.5.2 浆液置换

顶进施工完成后，为减少土体后期沉降，加强隧道整体防水性能，须加注水泥浆对触变泥浆进行置换，固结隧道。选用1：1的水泥浆液，通过注浆孔置换管道外壁浆液，根据不同的水土压力确定注浆压力。 4.5.3 预应力张拉

为降低顶管通道运营过程中由于纵向变形导致接头漏水的风险，对顶管通道采用纵向穿锚索的方式加强纵向刚度。锚索孔在管节预制时预留，管节间预留阴阳榫头以保证施工时锚索孔道在一条直线上。待顶管管节安装完成后，进行穿筋张拉，张拉完成后预应力管道进行灌浆，封锚。 4.6 重难点分析

4.6.1 顶管施工始发、到达

原因分析：

顶管的始发与到达是顶管施工中最易出现问题的环节，常会因为顶管施工始发、到达过程中定位不准确、方向控制不好，或者端头加固的质量问题，导致始

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发、到达时出现坍塌、突泥、涌水，严重影响施工安全。

施工措施：

（1）严格按照设计要求的长度及宽度对端头进行加固，做好过程控制；加固施工过程中严格按照相关要求，从材料进场、设备、施工工艺等几个角度严格控制施工质量，确保加固质量。

（2）端头地层加固完成后，对加固区域进行垂直取芯，检查其加固的完整性、强度。

（3）在洞门凿除前，对要凿除的洞门范围内边角及中心位置分别进行水平和倾斜探孔，探孔数量根据现场灵活布置，孔深以不打穿加固体为好，一旦发现存在问题进行二次补充加固，确保加固体的整体、连续，无加固盲区，始发到达不流砂、不涌泥。

（4）做好洞口防水密封，顶管始发，预先安装洞门圈预埋钢环，始发时采用1道帘布橡胶板道作为洞门密封，并在延长洞门上预留注浆口，避免在始发过程中及整个推进过程中管节长时间摩擦洞门密封导致密封被破坏，确保工程安全。

（5）顶管到达时，由于顶管掌子面反力破坏、减小、丧失，触变泥浆流失，同始发一样，检查完洞门加固质量后，在洞门钢环内焊接1道钢丝刷，外侧安装帘布橡胶板和折页压板，到达加固体后、掌子面前，低推力，低转速，尽可能的多出土，晚破坏掌子面；掌子面破坏后要快速的推出，以防止漏泥漏水。

(6)控制好顶管姿态，在保证出碴量正常的前提下，尽量快速完成顶管的始发与到达。同时，充分考虑到由于对端头地层进行了加固处理，地层性质所发生改变，推进时要密切关注顶管姿态突变情况，勤测量、勤纠偏，并在顶进最后3环管节时，在顶管机后注入高稠度泥浆，防止到达时漏浆。

（7）在始发到达前做好始发到达安全应急预案的演练和应急位置的储备，确保出现异常情况后及时调拨人力、材料进行紧急处理，保证工程的安全。 4.6.2 沉降控制

原因分析：

在埋深相同的条件下，由于顶管和管节顶板面积巨大化，上覆土形成受力拱的作用大大减弱，上覆土发生沉降的敏感度较强。尽管存在泥浆套的减磨作用，

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但随着顶板面积作用于上覆土的推进摩擦力逐渐增大，“背土”作用也逐渐变得明显。此外由于顶管机开挖横断面增大后，存在碴土改良的不均匀性，超大断面矩形土仓内各点的土压力可能会有差别，对开挖面的稳定带来不利影响。同时由于螺旋输送机数量增加到了2个，增加了各点出土量控制的难度，开挖面有可能出现局部超挖。或者密封不好，触变泥浆泄露，以及注浆质量控制不好导致沉降超限，严重影响管线、地面交通等，因此，如何确保矩形顶管施工沉降成为本工程的重、难点。

施工措施：

在顶管实际推进过程中，根据地面沉降情况，由当班技术人员分析判断后对压浆量（触变泥浆）、压浆部位和注浆压力进行调整。

在施工中，必要时进行补注触变泥浆，有效控制后期沉降，进行信息化动态施工管理。

顶管下穿深南大道推进时，利用始发积累的参数推进，同时要有专职人员昼夜对深南大道进行沉降监测，及时观察路面结构的变形情况，将监测数据及时、准确地反馈给顶管施工工作面，使得中央控制室能够根据地面所反映的情况，进行正确判断，指导顶管推进参数及时优化调整。

同时根据地面荷载的情况，及时重新计算土压平衡设定值，并根据地面隆陷值加以调整，使顶管快速均匀推进，尽量缩短穿越时间，防止超挖和欠挖，以减少对土体的扰动，最大程度减少地层损失，将沉降控制在最小范围内，满足沉降要求。

在下穿施工前，设备技术人员对顶管机进行全面的检查，确保在穿越过程中不出机械故障，同时加强日常保养。

（1）加强施工管理，匀速、连续的通过深南大道。

（2）控制好土仓压力、调整触变泥浆粘度和比重，避免掌子面失稳，加强出渣管理，适当减少出碴量。

（3）保证同步注浆系统（触变泥浆）工作正常，适当加大注浆量。 （4）做好地表注浆准备工作，当深南大道沉降超过其允许值，立即进行地表注浆。

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