某市需要在商业文化中心S大街下建设地下通道，以满足市民的过街需求。由于S大街道路交通流量大、地下管线众多，故工程采用矩形顶管施工建设。根据勘察报告，此区域从上至下各土层的物理特性见下图。

各土层的物理特性

通道净空尺寸为3m×5m，始发井位于S大街南侧，接收井位于S大街北侧，顶管自南往北推进，坡度为+0.3%，通道总长约58 m，覆土厚度为4.55~4.38 m。S大街下的主要地下管线有：4根通信线、2根路灯电缆、1根φ1000上水管、3根φ600污水管、1根有线电视电缆、1根φ500煤气管等；矩形顶管机还将上穿即将运营的地铁2号线，与之斜交72°，垂直净距约5.8m。

工程平面图

顶管机的驱动装置

本工程使用土压平衡式矩形顶管机（外形尺寸为高4m、宽6m），主要由处于中间的大刀盘和4个角上的小刀盘组成；大、小刀盘是前后错开的，且在每个刀排的后方都设有搅拌棒。

机头刀盘布置图

大刀盘由6台30kW电动机通过行星减速器及齿轮箱组成的驱动装置驱动；4个角上的小刀盘分别由2台22kW电动机通过行星减速器及齿轮箱组成的驱动装置驱动。在大刀盘驱动装置的左右两侧设有2个人孔。

驱动装置及人孔布置图

顶进施工遇到的障碍及应急措施

机头按照预定方案正常出洞，穿越加固区进入原状土。进入原状土后大刀盘的工作电流稳定在160 A，小刀盘电流稳定在40 A，螺旋机电流在65 A（过载电流为80 A），一切数据显示顶进正常。

当顶管机顶进距离达12m时，螺旋机突然发生过载跳闸。经过紧急抢修，从螺旋机中取出2块直径为20cm左右的石块后，螺旋机恢复正常顶进。

当顶进至23m处时，机头突然发生强烈振动并伴有剧烈的响声，造成跳闸断电。从现场情况看，左边的人孔已经被小刀臂击穿了，固定人孔板的螺钉全部断裂，封板掉落；1块断落的小刀盘刀臂卡住了大刀盘，1块断裂的刀臂挤入人孔，并伴有少量泥土和碎石块涌入机头内，但没有水流出（因从螺旋机出来的土含水量不高，土方自立性较好）。

当晚在机头内部清理土体时，取出了1根断裂的刀臂和一些石块；在取第2根刀臂时，出现了渗水现象，并有逐渐增大的迹象；为了防止土体塌方，当即将封板焊死，并用双快水泥将水封住。

清障方案及机头修复

经综合判断，机头由于遇到了坚硬障碍物，导致刀盘损坏（损坏情况不详），且无法在机头内部进行修复。经现场研究及多方商讨，决定实施地面加设中间井、挖出障碍物，并修复破损机头的方案。

中间井基坑设计

基坑平面尺寸与开挖深度

基坑平面尺寸需要满足3个条件：支撑和挖土方便；满足在井下修复刀盘；避开S大街下的管线。基坑平面尺寸确定为9.2m×2.6m，位于4600污水管和电信电缆之间。

清障基坑平面图（m）

顶管主要在①2层素填土和②1层淤泥质粉质黏土中顶进，刀盘切削①2、②1层土体各2m深度（机头高度4 m）；初步判断岩石障碍物位于①2层素填土内，但石块和破损的小刀臂有可能跟随大刀盘的转动而到达下部土层，因此，基坑开挖深度需要达到顶管机头的底部，即地面以下8.5m。

清障基坑剖面图

基坑围护及支撑

基坑围护采用6号拉森钢板桩（施工后拔除，不影响矩形顶管的后期顶进）。拉森钢板桩具有高质量（高强度，轻型，隔水性良好）、施工简单、工期缩短、耐久性良好等特点。机头正上方范围内的板桩入土深度为4.5m（至机头顶）；因地铁埋深为14.3m，为不影响到地铁，其余范围内入土深度为12m。

支撑系统为3道钢围檩+40号双榀H型钢，中心标高分别为地面以下0.3m、3.3m、6.0m。

坑内加固

在基坑拐角处、与机头相邻处的钢板桩外设置旋喷加固。

基坑底以下4m旋喷加固，采用三重管旋喷，桩径1 000@400，水泥掺量为540kg/m3，水灰比0.8，加入水泥质量5%的三乙醇胺作为早强剂；喷浆压力3~5MPa，提升速度10cm/min。

4.5m深度钢板桩外侧为双液浆加固，主要填充杂填土内的空隙，阻断流失通道，给桩底的快速水泥封堵创造条件。双液浆配比1:1，水灰比0.8。

基坑施工及清障基坑开挖

基坑开挖主要依靠17m加长臂挖掘机垂直挖土与水平运土装车外运。开挖分层进行，开挖至坑底土层比设计标高高300mm时，组织人工开挖井找平，严防原状土受扰动或泡水。

基坑开挖至2.0m深度时，需要将第2道支撑临时安装，完成后继续挖土；当挖土到3.3m时将第2道支撑换撑到此位置。

开挖至机头顶标高（地面以下4.5 m处）时，用快速水泥封堵顶部钢板桩与机头壳体之间的间隙，并安放引流管，防止渗漏水。

选择2个处在同一标高的机头外壳上的作用点来安放第3道钢围檩支撑。

基坑开挖至机头底部标高，将机头土压仓内的土体和障碍物清理干净；挖至机头底部，留出机头修理空间，并立即铺设竹夹板，为刀盘修复创造条件。

清障

基坑土方开挖到机头底部过程中，发现机头土压仓内上部2个角上塞满了石块。清理后发现，直径20 cm以上的石块多达20多块，最大的石块直径达70 cm。

小刀盘损坏严重，4个小刀盘的16个刀臂全部断裂，只剩下主轴；大刀盘刀臂完好。

刀盘修复

刀盘和主轴全部采用花键连接，只需将小刀盘重新制作，安装到驱动轴上，即可完成机头的修复。检查刀盘驱动装置，对大小刀盘逐个进行试启动，驱动装置运转正常。修复后的小刀盘，增加了4个刀臂间的支撑，从单纯的悬臂梁变成了2个支点受力，改善了刀臂的受力情况。

恢复施工

完成机头修复后，立即进行设备的试运转，包括刀盘电流、扭矩等参数均正常，并且现场观察无异常噪声，运转正常。

随后将基坑回填（采用之前顶管施工取出的淤泥质黏土，并有专人负责筛选，防止石块混入其中）、拆除围檩、拔除拉森钢板桩（由西向东、由深至浅的顺序依次拔除）、完成清场外运及恢复路面交通；顶管机建立土压平衡；重新设置路面沉降监测点，开始顶进。

结语

工程前期的物探一定要加密，通常做法为每隔20 m设勘察孔。建议条件允许的情况下，间隔可以减小到3~5 m，尽量减小遭遇障碍物的风险。

采用6号拉森钢板桩进行围护施工，起到了围护和止水的双重作用，并大大缩减了基坑开挖的时间。

由于本工程基坑为不规则基坑，三面临土，一侧为机头，故开挖及支撑方式需采取一些特定的措施，以保证基坑的稳定。

对顶管机提出了更高的要求：增加顶管机的破碎功能；增添1套驱动的保护装置，当刀盘受到过大负载时，驱动能够自动停止工作，以保护刀盘；要求刀盘更加坚固等，以使顶管机更加适应城市中复杂多变的地下情况。