土壓平衡法在頂管中的應(yīng)用研究

王寶秋

（天津東麗湖建設(shè)發(fā)展有限公司，天津 300131）

本工程為東麗湖泵站截流管工程（東麗之光～迎樂路）Y7～Y8段頂管施工，頂距88 m，本次頂管Y7～Y8管底高程為－4.46 m，現(xiàn)狀地表高程為3.95 m，Y7工作坑開挖達(dá)9 m，Y8作為Y7～Y8和Y9～Y8兩段頂管的接收坑，開挖深達(dá)10 m。根據(jù)天津市地質(zhì)工程勘查院提供的地質(zhì)報(bào)告，確定該施工場地地質(zhì)情況為：抗震設(shè)防烈度為7度，場地類別為Ⅲ類；土質(zhì)為粉質(zhì)粘土，密度較大；地下水靜止水位埋深為2.9 m左右，大沽標(biāo)高約1.2 m左右，地下水對混凝土及混凝土中鋼筋無腐蝕性；場地地基土標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度為0.6 m。由于Y7～Y8頂管沿途經(jīng)過中心環(huán)路泵站，而 Y8接收坑又位于中心環(huán)路泵站變電室和萬科居民樓之間，施工空間狹小，地質(zhì)情況復(fù)雜，地下水位較高，考慮到上述頂管對于頂管質(zhì)量和地面沉降要求較高，為了保證頂管施工安全進(jìn)行并保護(hù)居民樓，特制定施工方案。

1 前期準(zhǔn)備工作

1.1 相關(guān)計(jì)算

頂管頂力計(jì)算及工作坑支護(hù)和穩(wěn)定性校核計(jì)算，主要做好頂管頂力計(jì)算、頂管工作坑穩(wěn)定性計(jì)算、組裝式后背墻頂力校核工作。

1.2 頂管工作坑施工與加固

1.2.1 方法

工作坑是頂管施工的臨時(shí)設(shè)施，其內(nèi)部設(shè)有后背、導(dǎo)軌、排水坑、密封門等設(shè)備。在頂進(jìn)過程中是管節(jié)、土方運(yùn)輸?shù)某鋈肟?，長距頂管時(shí)工作坑可作為轉(zhuǎn)向井，頂管竣工后工作坑經(jīng)過改建可作為管道工程的檢查井等附屬構(gòu)筑物的坑位。工作坑設(shè)計(jì)過程中包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容：①工作坑水泥攪拌樁止水帷幕施工；②鋼板樁基坑尺寸；③工作坑排水措施；④工作坑基礎(chǔ)組。

1.2.2 加固措施

由于由于排水七分公司辦公房拆遷問題導(dǎo)致 Y8接收坑無法施工，Y7頂管工作坑于2005年5月份施工完成后一直未啟用。頂管工作坑也因?yàn)殚_挖時(shí)間過長，周圍泥水流失嚴(yán)重而造成局部支撐變形。在頂管施工之前，我部決定對Y7頂管工作坑進(jìn)行徹底加固，以保證頂管施工的安全。

1.3 頂管接收坑施工

頂管接收坑是頂管入洞、拆卸并起吊頂管機(jī)頭、施作檢查井的維護(hù)結(jié)構(gòu)，其安全穩(wěn)定性能、尺寸關(guān)系到頂管施工的成敗。我部進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，確定 Y8頂管接收坑施工方法如下：①測量放線，確定Y8接收坑中心坐標(biāo)及Y7～Y8和Y9～Y8頂管方向及夾角；測量接收坑與周邊建筑（變電室、居民樓及排水七分公司辦公房）的平面距離，為下一步接收坑尺寸放線提供依據(jù)。②接收坑尺寸放線，確定開挖輪廓，根據(jù)現(xiàn)場放線確定打樁方案。

2 土壓平衡式頂管施工

2.1 土壓平衡式頂管施工方法

2.1.1 工藝原理

土壓平衡頂管是根據(jù)土壓平衡的基本原理，利用頂管機(jī)的刀盤切削和支承機(jī)內(nèi)土壓艙的正面土體，抵抗開挖面的水土壓力以達(dá)到土體穩(wěn)定的目的。以頂管機(jī)的頂速即切削量為常量，螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速即排土量為變量進(jìn)行控制，待到土壓艙內(nèi)的水土壓力與切削面的水土壓力保持平衡，由此減少對正面土體的撓動(dòng)，減少地表的沉降和隆起。

2.1.2 頂管機(jī)選用

本工程選用大刀盤土壓平衡頂管機(jī)進(jìn)行施工。土壓平衡頂管機(jī)的糾偏系統(tǒng)是由四組糾偏缸構(gòu)成的，糾偏的控制是根據(jù)管道激光測量定位系統(tǒng)來定位，保證了施工質(zhì)量。對于障礙物，土壓平衡機(jī)刀盤中央有一人孔，通過刀盤電流及壓力表可反映頂進(jìn)是否正常，如果發(fā)現(xiàn)異常，打開人孔，可以清除機(jī)頭前方障礙。

2.2 工作坑內(nèi)布置

主要工作包括安裝基坑導(dǎo)軌、洞口止水、測量儀器安裝。

2.3 工作坑坑外布置

工作坑坑外布設(shè)原則上不妨礙起吊及交通運(yùn)輸，設(shè)備之間互相不沖突以及合理利用場地。附施工現(xiàn)場平面布置圖見圖1。

2.4 管道頂進(jìn)

頂進(jìn)過程：安裝頂鐵，千斤頂油泵，活塞伸出一個(gè)工作行程后，千斤頂回油，活塞回縮，增加頂鐵。重復(fù)以上工作循環(huán)，直至頂進(jìn)長度超過一節(jié)管子長度后，撤去縱向頂鐵，安裝下節(jié)管。

圖1

3 頂管施工主要技術(shù)措施

3.1 穿墻出井

從打開穿墻管悶板，將頂管環(huán)掘進(jìn)機(jī)頂出工作井外到安裝好穿墻止水，這一過程成為穿墻。鋼板樁拔除應(yīng)按洞門一側(cè)向另一側(cè)依次拔出的原則進(jìn)行。

3.2 測量放樣

主要有：①地面測量。由于工作井和接收井兩井不通視，故采用 0.5級全站儀直接布置地面控制樁。在頂管施工期間必須對控制樁進(jìn)行復(fù)測，每頂 50 m對控制樁進(jìn)行復(fù)測一次。②井內(nèi)測量。通過控制樁用儀器定出井下管道頂進(jìn)軸線測量儀器的位置，同時(shí)在測量儀器對面井沿口與井壁上分別設(shè)置測量儀器的復(fù)測校核點(diǎn)與線，以便在管道頂進(jìn)軸線測量過程中對儀器自身位置的位移進(jìn)行檢查；儀器位置的復(fù)核每隔6 h一次。③管道頂進(jìn)軸線測量。

3.3 糾偏

管道偏離軸線主要是由于作用于工具管的外力不平衡造成的，其直接結(jié)果就是頂管頂力產(chǎn)生偏心。頂進(jìn)糾偏普遍采用調(diào)整糾偏千斤頂?shù)木幗M操作，若管道偏左則千斤頂采用左伸右縮方法，反之亦然。如同時(shí)有高程和方向偏差，先應(yīng)糾正偏差大的一面。除此之外，采用封閉式頂管掘進(jìn)機(jī)，有條件可用削土盤上可伸縮的超挖刀，超挖正面局部土體，以達(dá)到糾偏目的。頂進(jìn)中發(fā)生頂管機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)采取措施防止偏轉(zhuǎn)擴(kuò)大，常用措施為改變切削刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和在管內(nèi)的相反方面增加壓重塊直至正常。

3.4 觸變泥漿減阻和長距離壓漿

3.4.1 壓漿設(shè)備

注漿泵選用脈動(dòng)很小的螺桿泵、攪拌器、泥漿管道、管路接頭、控制閥、壓力表。

3.4.2 注漿孔的布置

我們擬將注漿孔設(shè)置在管子前端、橡膠圈偏后，這樣注進(jìn)的漿液在土壁上形成較為均勻的漿套。

3.4.3 注漿壓力

泵送注漿出口處壓力控制在0.1～0.125 MPa（或2～3 γh）。注漿時(shí)壓力不宜過高，這樣易產(chǎn)生冒漿，由于壓力的增大，也會使阻力增大。

3.4.4 壓漿順序

地面拌漿→啟動(dòng)壓漿泵→總管閥門打開→管節(jié)閥門打開→送漿（頂進(jìn)開始）→管節(jié)閥門關(guān)閉（頂進(jìn)停止）→總管閥門關(guān)閉→井內(nèi)快速接頭拆開→下管節(jié)接總管→循環(huán)復(fù)始。

3.4.5 壓漿配比

注：此配比為重量比，單位kg。

3.5 正面穩(wěn)定

頂管在頂進(jìn)和開挖過程中，注意防坍塌、防涌水、確保正面土體穩(wěn)定。保證正面土體穩(wěn)定最關(guān)鍵的是盡量使正面土體保持和接近原始應(yīng)力狀態(tài)。對土壓平衡工具管施工中保證正面穩(wěn)定最關(guān)鍵的是其密封土壓艙中的土壓力值，一般該土壓力值為正面土體靜止土壓力的1.0～1.1倍。

3.6 施工參數(shù)控制

3.6.1 土壓力設(shè)定

實(shí)際土壓力的設(shè)定值應(yīng)介于上限值與下限值之間。為了有效的控制軸線，初出洞時(shí)，宜將土壓力值適當(dāng)提高，同時(shí)加強(qiáng)動(dòng)態(tài)管理，及時(shí)調(diào)整。隨著頂管機(jī)切口距洞門的距離逐漸縮短，應(yīng)降低土壓力的設(shè)定值，確保封門結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，避免封門過大變形而引起泥水流入井內(nèi)等嚴(yán)重后果，在頂管機(jī)切口距洞門6 m左右，土壓力將為最低幅度，以維持正常施工的條件。

3.6.2 頂進(jìn)速度

一般情況下，頂進(jìn)速度控制在20～30 mm/min.初入洞時(shí)，頂進(jìn)速度不宜過快，一般控制在10 mm/min左右，頂管機(jī)處于進(jìn)洞區(qū)域時(shí)，為控制頂進(jìn)軸線、保護(hù)刀盤，正面水壓設(shè)定值應(yīng)偏低，頂進(jìn)速度不宜過快，盡量將頂進(jìn)速度控制在10 mm/min。

3.6.3 出土量

嚴(yán)格控制出土量，防止超挖及欠挖。正常情況下出土量挖制在理論出土量的98 %～100 %之間。進(jìn)洞加固區(qū)出土量一般控制在 105 %左右。為避免工具管切口內(nèi)土體涌入接收井內(nèi)，在工具管進(jìn)入洞門前應(yīng)盡量挖空正面土體。

3.7 施工防范措施

防止冒漿，防止頂管“磕頭”和“抬頭”。在頂進(jìn)過程中要做好沉降監(jiān)測。通過對路面沉降觀測，可掌握地層動(dòng)態(tài)，隨時(shí)采取調(diào)整降水或回灌、注漿加固等措施，以確保施工沿線建筑物安全。

3.8 頂管施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

標(biāo)準(zhǔn)有：①管內(nèi)清潔，管節(jié)無破損；②頂進(jìn)管道允許偏差；③鋼筋混凝土管道的接口應(yīng)填料飽滿、密實(shí)，且與管節(jié)接口內(nèi)側(cè)表面齊平，接口套環(huán)對正管縫、貼緊，不脫落。

4 總結(jié)

通過實(shí)際施工的檢驗(yàn)，土壓平衡法施工對頂管工程的質(zhì)量及安全有巨大的指導(dǎo)作用，可以長期推廣。