矩形顶管在城市地下空间开发中的应用
目 录
ONTENTS
C
2矩形顶管技术发展城市地下空间开发面临的困题13矩形顶管施工的案例4
结论与展望
p
城市地下空间开发的发展需求
•大力开发和利用城市地下空间，对于解决
城市用地紧张、交通拥挤、环境恶化等城
市化进程中的诸多难题，实现城市可持续
发展具有重要的战略意义。
•有利于缓解城市发展与土地资源紧张矛盾；
•有利于提高土地利用率，缓解地面交通，
改善居住环境，实现人车分流；
•地下空间具有热稳定性，服务型建筑可达
60%，有利于减少能耗，节约环保；
•市政基础设施地下化，有利于优化城市空
间布局，减少重复投资建设。
交通设施的地下化大型综合体的地下化
基础设施的地下化市政管线的地下化
p明挖穿越重要的交通要道和路口
•地铁、管廊设计符合城市路网规划，一般沿市政道路设计，不可避免要占道施工；
•施工期间需要进行交通疏解，造成道路弯曲形成速度瓶颈，市民反响较大；
•明挖施工市政管线迁改量大，占用宝贵城市空间，且多次迁改不利于节省投资；
•重要路口不具备明挖条件，浅埋暗挖施工难度大，安全风险高。
p明挖穿越重要的航道和河流
•施工需要拦河筑坝围堰，造成航道临时断航，经济通道受阻；
•河道围堰会造成流水不畅，对流域防洪安全造成影响，且深圳汛期非常长。
p明挖穿越重要建、构筑物
•横跨市政快速路或铁路干线，不可能进行改道和交通疏解；
•与地下管线方向垂直，管线众多，明挖悬吊或原位支托保护困难；
•上跨轨道交通或引水隧洞箱涵，变形控制要求高，分仓开挖难度大；
•重要建、构筑物拆迁要么不能拆迁，要么拆迁成本非常高。
p解决思路
ו大城市土地资源有限，老旧城区不可能
像新城或者郊区一样进行放坡大开挖；
•重要路口需要根据地质与周边环境采用
浅埋暗挖、盖挖逆作、顶管和盾构等局
部开挖或非开挖形式。
•对于不能中断交通，地下管线复杂且沉
降控制要求高、长度适中的路口，常采
用大断面矩形顶管施工。
•据不完全统计，综合管廊施工中矩形顶
管施工占1-5%；地下过街通道顶管施工
超过20%。
p顶管施工相比明挖法具有的优势
•顶管施工工艺：顶管施工时一种不开挖或者少开挖的管道埋设施工技术。
此技术是在工作坑内借助顶进设备产生的顶力，克服管道与周围土壤的摩擦力，将管道按设计的坡度顶入土中。
•矩形顶管技术广泛用于人行隧道、车行隧道、轨道交通、综合管廊等。
•相对传统明挖工艺而言，不开挖道路，不封闭交通，不搬迁管线，实现城市建设和城市运行的高度和谐；
低噪音，无扬尘，不会影响街区景观（相对于传统过街天桥）；施工周期短，最大限度实现工期要求。
p矩形顶管的发展历史
•1995年，上海隧道成功研制一台2.5m×2.5m的可变网格
矩形顶管机，并完成60m顶进试验段；
•1998年，上海隧道成功研制了一台3.8m×3.8m的大刀盘
和两把仿型刀组合的土压平衡顶管机，并在上海地铁2号
线陆家嘴站顺利顶进2条62m的过街通道；
•2002年，上海隧道完成了一台4.0m×6.0m偏心多轴顶管
机，并在宁波药行街顺利顶进了2条45m的人行通道；
•2008年，上海隧道多刀盘组合矩形顶管机正在用于上海
轨交10号线新江湾城5,7号出入口56.5m和43.5m两段顶进；
p矩形顶管的发展历史
•2009年，“广州第一顶”东湖路站II号出入口地下通道，断面
4.2m×6.9m，创造了当时国内矩形顶管最大断面记录，且
地层非常复杂，毗邻珠江口和东湖，有近10m粉细砂层；
•2014年，郑州下穿中州大道矩形顶管，最大断面尺寸为
7.27m×10.12m，代表了当时矩形顶管施工的最高水平：
规模空前、断面最大、顶距最长、覆土最浅(最浅不到顶管
机高1/2)；
•2015年，深圳上、下沙过街通道顶管和北环过街通道顶管
断面尺寸4.5m×7.7m，均穿越重要交通干道和复杂地层。
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矩形顶管分类和特点
泥水平衡矩形顶管
土压平衡矩形顶固
•适合地下水位高和水压波动大地层，覆土深度要求较深，；•施工速度快，施工精度高，挖掘面稳定，地面沉降小；•施工安全、可靠和施工作业环境好，集中控制，人员要求少；•泥浆泵排土，空间要求小，适合各种管径；
•
辅助泥水处理设备大，占地和能源消耗大，振动和噪声影响大。
•挖掘面稳定性好，适用的土质范围更广，浅覆土范围也能顶进；•全封闭土仓用螺旋机排土，安全可靠，可排大卵石，渣土易处理；•施工占地面积较小，噪声小，可在狭小的场合和居民区施工；•土压力容易控制，挖掘面稳定，适合大口径、超大口径顶管；•
若用运土斗车拉土，出土效率低。
p泥水平衡顶管机工作原理
•泥水平衡顶管施工是一种以全断面切削
土体，以泥水压力来平衡土压力和地下
水压力，利用泥水作为输送弃土介质的
机械式顶管作业。
•基本原理是泥水护壁，在泥水式顶管施
工中，要使挖掘面保持稳定，必须向泥
水舱内注入一定压力的泥水，泥水在压
力作用下向土体渗透，在挖掘面形成一
层泥膜，以阻止地下水向泥土舱涌进。
p土压平衡顶管机工作原理
•土压平衡顶管让刀盘切削下来的土体充
满泥土舱，舱后搅动棒搅拌土体，必要
时加入土体改良剂，使土体具有良好的
塑性、流动性和止水性，然后通过螺旋
输送机排除泥土舱的一种顶管施工。
•基本原理是将土舱内的土压力控制在顶
管机所处的土层的主动土压力和被动土
压力之间，从而达到一种平衡状态，使
挖掘面保持稳定。
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矩形顶管技术在深圳的发展
2015年华新路顶管，顶管尺寸5.12m ×6.92m ，与下方地铁2号线正交，净距0.59m ，与上方雨水管，污水管正交，最小净距0.45m 。
2019年深圳坂雪岗科技城片区地下连通通道工程全长1210.4米，其中顶管施工断面为10.2m ×6.6m ，长度429米,为国产首台永磁驱动矩形顶管机。
2016年地铁9号线梅景站地下过街通道，顶管尺寸4.5m ×7.7m ，长度105m ，是市政总首次运用大断面泥水平衡顶管技术。
p苏州城北路综合管廊
•原设计方案采用工法桩支护后明挖施工，开挖施工需要拆迁民房2930㎡、加油站876㎡、交警中队845㎡，征拆难度大，拆迁时间不可控，费用高，无法保证2017年年底工期节点。
•根据现场多次调查，提出在GCB2+180～GCB2+420处采用顶管施工，在元和塘GCB2+180设置始发工作井，在GCB2+420处设置接收始发井，中间取直线，尽量避开上部建筑，共计顶进长度在233.6m，尺寸为5.5m×9.1m；
p苏州城北路综合管廊
•侧穿过加油站，下穿军分区营房、公路管理站及周边民房等，沉降控制难度大；
•顶管所在地层为粉砂夹粉土地层，与元和塘连通，地下水丰富，且要下穿元和塘，施工难度大；•地下管线（给水、雨水、光纤、燃气等）多，垂直于管廊方向，迁改困难。
p苏州城北路综合管廊地质情况
地层编号岩土名称状态土层厚度（m）重度r（KN/m³）内摩察角
粘聚力（kpa）
（°）
⑤-1粉质粘土软塑为主 1.2～2.518.8323.415.9
⑥-1粉砂夹粉土稍密～中密 1.3～3.418.7631.8 6.2
⑥-2粉砂稍密～中密 5.2～6.819.0133.27.3
⑦粉质粘土软塑 5.0～17.618.8925.318.8
管廊管顶埋深约9m（下穿元和塘埋深约3.5m），管底埋深约15.1m。
p苏州城北路综合管廊特点
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p 苏州城北路综合管廊重难点
大断面、长距离顶力及顶管姿态控制
不良地层始发及接收
全程全断面穿越不良地质下穿元和塘河道、下穿立交桥
穿越既有建筑物沉降控制
p苏州城北路综合管廊采取措施
•采用粘土泵压浓泥及注触变泥浆相结合来减小长距离顶管顶力；
•不良地质条件下对顶管始发及接收洞门进行三轴搅拌加固，提高土体强度，同
时在预留洞口设止水钢环双橡胶圈，确保顶管顺利始发和接收。
凿洞门前，先
降水抽芯后破除，以防涌水涌砂；
•全断面不良地质条件下，顶管施工采用纤维素+聚丙烯酰胺进行土体改良，改
善土体的流动性和保持土体的粘稠度，确保开挖仓内土体稳定；
•下穿元和塘河道处，预先进行围堰后施工800厚的钢筋混凝土板，起到反压加
载和防止管节上浮的作用。
顶管施工时对该段加密观测，控制顶进速度及其他
顶进参数。
•穿越既有建筑物及桥梁桩基全过程中，加强测量，及压浓泥，确保地面沉降在
允许范围内。