頂管工程施工中關(guān)鍵性技術(shù)環(huán)節(jié)控制

李明

摘要：項(xiàng)管施工就是以一個(gè)事先堆備好的地坑（即頂壓坑）為出發(fā)點(diǎn)，用液壓千斤頂將管子頂推壓入土層中，同時(shí)排出和運(yùn)走擠出的泥土。第一節(jié)管全部壓入土層后，再把第二節(jié)管接在后面繼續(xù)頂進(jìn);與此同時(shí)再將第一節(jié)管內(nèi)擠出的泥土排除和運(yùn)走，直到第二節(jié)管也全部壓入土層;然后再把第三節(jié)管接上頂進(jìn)。本文結(jié)合具體工程介紹了頂管工程的理論應(yīng)用與研究、頂管工程施工設(shè)備控制與泥漿配制和控制參數(shù)。

關(guān)鍵詞：頂管工程;理論應(yīng)用;設(shè)備控制;泥漿

前 言

只要頂管千斤頂?shù)捻?xiàng)力足以克服頂管時(shí)產(chǎn)生的阻力，這個(gè)過(guò)程便可以一再地重復(fù)下去。從理論上講，千斤頂?shù)捻斄梢匀我馓岣?，從而也能達(dá)到任意長(zhǎng)度的推頂距離。但因千斤頂產(chǎn)生的頂力必須全部由管子來(lái)承受，所以頂力的提高應(yīng)以管子的承載能力為極限，同時(shí)應(yīng)考慮工作坑井的承載力，過(guò)大的頂推力勢(shì)必要增加管材和頂壓坑的承載力，從而增加投資及技術(shù)措施費(fèi)用[1]。

一、頂管工程的理論應(yīng)用研究

1.工程應(yīng)用的項(xiàng)管限度要求

頂管技術(shù)在理論上可應(yīng)用于任何管徑，但實(shí)際上也有一定的限度。頂進(jìn)管直徑之所以不能低于一定的下限，是因?yàn)楸仨氃诠茏觾?nèi)部完成挖土和運(yùn)土作業(yè)。因此就必須保證工人有可能在管內(nèi)工作。800m內(nèi)徑的規(guī)格，乃是在管子中進(jìn)行操作的最低限度。但在這種情況下，對(duì)在管內(nèi)操作工人要求較高，同時(shí)空間狹小，工作效率大大降低，所以從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)考慮，也以選用較大的直徑為宜。一般頂管的下限以1m為宜。對(duì)于制管廠制造的管子，直徑極限一方面決定于制造方法，另一方面也決定于運(yùn)輸條件，管子一般是順向放在車內(nèi)運(yùn)輸，公路運(yùn)輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)寬度是2.5m，這相當(dāng)于大約2m的管內(nèi)徑。超寬運(yùn)輸要經(jīng)過(guò)批準(zhǔn)，極限約為3.6m，相當(dāng)于內(nèi)徑3m。

2.土質(zhì)土層的適應(yīng)性

頂管技術(shù)特別適用于在礫石、砂、碎石等非粘性土層中，以及在壤土、砂壤土、粘土和泥灰?guī)r等粘性土層中敷設(shè)管道。對(duì)流砂、淤泥、沼澤地以及巖石來(lái)說(shuō)，頂管也只能有條件的采用[2]。

3.頂管工程土壓力應(yīng)用理論

由土力學(xué)理論可知，頂管頂進(jìn)的正面阻力與前端處所受的土壓力的大小有關(guān)，可有相應(yīng)的土壓力性質(zhì)來(lái)計(jì)算確定，它們分別是：

情況一：隧道管節(jié)頂進(jìn)速度較慢的超挖狀態(tài)，從網(wǎng)格后端擠出土體體積大于因管涵頂進(jìn)而產(chǎn)生隆起土體的體積，此時(shí)管涵前方土體瞬時(shí)表現(xiàn)為沉降。

情況二：隧道管節(jié)頂進(jìn)速度較前者略快的均衡狀態(tài)，從網(wǎng)格后端擠出土體體積基本等于因管涵頂進(jìn)而產(chǎn)生隆起土體的體積，此時(shí)管涵前方土體瞬時(shí)表現(xiàn)為不沉降也有隆起。

情況三：隧道管節(jié)頂進(jìn)速度較快的欠挖狀態(tài)，從網(wǎng)格后端擠出土體體積小于因管涵頂進(jìn)而產(chǎn)生隆起土體的體積，此時(shí)管涵前方土體瞬時(shí)表現(xiàn)為隆起。

在這三種情況下，頂管面前壁上的土壓力應(yīng)分別有各自的算法，卻情況一時(shí)應(yīng)按主動(dòng)土壓力計(jì)算，情況二時(shí)可按靜止土壓力計(jì)算，情況三時(shí)應(yīng)按被動(dòng)土壓力計(jì)算[3]。

二、頂管工程施工設(shè)備控制

1.頂管掘進(jìn)機(jī)

選擇好頂管掘進(jìn)機(jī)對(duì)頂管施工是至關(guān)重要的。根據(jù)本工程特點(diǎn)，選擇大刀盤泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)，具有沉降控制精度高，頂進(jìn)速度快，施工可靠性好等特點(diǎn)。

主頂進(jìn)系統(tǒng)共有8～10只2500KN單沖程等推力油缸，行程1700，總推力20000KN。主項(xiàng)油缸組裝在油缸架內(nèi)，安裝后的油缸中心位置必須與主環(huán)受力部位一致且與頂進(jìn)軸線平行，以使頂進(jìn)受力點(diǎn)和后座受力都保持良好狀態(tài)。安裝后的油缸中心誤差應(yīng)小于10mm。主頂液壓動(dòng)力機(jī)組由二臺(tái)大流量斜軸式軸向柱塞泵供油，采用大通徑的電磁閥和系統(tǒng)管路，減小系統(tǒng)阻尼，油缸可以單動(dòng)，亦可聯(lián)動(dòng)。主頂系統(tǒng)由PLC可編程序計(jì)算器控制，并采用變頻調(diào)速器實(shí)現(xiàn)流量的無(wú)級(jí)調(diào)速。主頂系統(tǒng)操作臺(tái)設(shè)在地面控制室內(nèi)。

2.中繼環(huán)設(shè)計(jì)

為提高工程的可靠性，每套中繼環(huán)安裝30只800kN雙作用油缸，總推力24000kN（實(shí)際控制頂力為12000kN），油缸行程為500mm，由于中繼環(huán)的實(shí)際總推力是頂進(jìn)阻力引起的，所以在正常頂進(jìn)條件下，中繼環(huán)液壓系統(tǒng)工作壓力較低，設(shè)備故障率小，可靠性高。中繼環(huán)采用砼管加鋼套接口的形式接口結(jié)構(gòu)是經(jīng)過(guò)立車切削加工的，尺寸精度高。在每套中繼環(huán)處設(shè)一臺(tái)三柱式液壓動(dòng)力機(jī)組，啟用時(shí)一名操作人員就可控制。設(shè)置了一門有線電話以便操作人員聯(lián)系。

3.注漿設(shè)備系統(tǒng)

對(duì)超長(zhǎng)距離曲線頂管能否及時(shí)地有效地向管節(jié)外圍壓注觸變泥漿，以形成和維護(hù)好泥漿套，起到高效的減摩作用，往往是頂管成敗的關(guān)鍵[4]。為確保本工程的頂管外壁能形成良好的泥漿潤(rùn)滑套，管內(nèi)共設(shè)置二套管路系統(tǒng)。一套采用螺桿泵把儲(chǔ)漿箱內(nèi)的漿液壓入掘進(jìn)機(jī)尾部的同步注漿，另一套采用液壓注漿泵進(jìn)行補(bǔ)漿及輸送掘進(jìn)機(jī)尾部漿液。地面設(shè)置二套管路系統(tǒng)，用于補(bǔ)漿、輸送漿液及對(duì)出洞口補(bǔ)漿。

4.泥水管路系統(tǒng)

泥水系統(tǒng)選一臺(tái)渣漿泵加三臺(tái)或以上沙礫泵。渣漿泵放在地面上為送泥泵沙礫泵分別放在基坑下及管道中作為排泥泵，管道中的沙礫泵按經(jīng)驗(yàn)放置在工具頭后100m和400m左右處。進(jìn)泥及排泥管路采用4英寸無(wú)縫鋼管，管節(jié)接頭為卡箍式活絡(luò)接頭?；觾?nèi)設(shè)有旁通裝置等。地面設(shè)置6×2米的泥漿箱六個(gè)作為沉淀池兼儲(chǔ)泥池產(chǎn)生泥漿及時(shí)由罐裝車外運(yùn)，泥水系統(tǒng)采用Tdemole管路系統(tǒng)。

三、泥漿配制和控制參數(shù)

頂管作業(yè)機(jī)頭出洞時(shí)，由于在出洞階段無(wú)法建立完整的泥漿套，因而泥漿用量較少，同時(shí)在出洞口4m范圍內(nèi)進(jìn)行了地基加固及20m范圍內(nèi)降水方案的實(shí)施，使機(jī)頭出洞口20m范圍內(nèi)頂力較大。根據(jù)頂進(jìn)油缸直徑320mm、油壓力、同時(shí)作用油缸數(shù)量，計(jì)算實(shí)時(shí)頂力

若油缸壓力p（Mpa）， 同時(shí)作用油缸數(shù)量n（只），則總頂力F

[F=pn3202π4×10-4]

則根據(jù)實(shí)時(shí)壓力表讀數(shù)P及啟用油缸數(shù)量n，由上述公式計(jì)算的頂力（含機(jī)頭部分頂進(jìn)50m范圍內(nèi)），可計(jì)算頂力變化。

頂管作業(yè)正常實(shí)施階段，根據(jù)上海地區(qū)地質(zhì)情況，參考有關(guān)資料，對(duì)工程中機(jī)尾一次注漿和補(bǔ)漿進(jìn)行不同的配制。

為了及時(shí)充填管子和土層之間的空隙，同時(shí)膨潤(rùn)土懸浮液滲入土層空隙內(nèi)，在管子與土壤間形成泥漿套，在機(jī)尾刃腳后第二節(jié)管子開(kāi)始?jí)喝肽酀{。由于在一定的壓力下，膨潤(rùn)土含量較高時(shí)有利于泥漿套的形成，且向土壤中擴(kuò)散較小。

由于在頂管作業(yè)中，膨潤(rùn)土泥漿會(huì)不斷的流散到土層中去而有所消耗，而必須補(bǔ)充壓入膨潤(rùn)土，以使管子和土層之間空隙中懸浮液保持足夠的數(shù)量，懸浮液厚度得到保證，泥漿套持續(xù)穩(wěn)定有效，使管子總是懸浮其中，管底部由于自重產(chǎn)生的法向壓力減小了，從而使管外壁摩阻力減小。同時(shí)，補(bǔ)充的懸浮液中膨潤(rùn)土含量需進(jìn)行調(diào)整，含量大的懸浮液，運(yùn)動(dòng)流限大，頂管阻力大;含量過(guò)小時(shí)，懸浮液會(huì)很快滲入土壤中去。

四、結(jié)束語(yǔ)

頂管施工中頂力的計(jì)算、膨潤(rùn)土的配制和壓入是頂管施工中成功的關(guān)鍵。本工程的順利完成了1032m頂進(jìn)而不起用中繼間，正是我們對(duì)頂力的科學(xué)計(jì)算和實(shí)際中正確的應(yīng)用，對(duì)觸變泥漿的潛心研究和大膽實(shí)踐。使總頂進(jìn)力總是在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)，縮短了工期。同時(shí)因頂管時(shí)間縮短而降低了頂管風(fēng)險(xiǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]余彬泉，陳傳燦.頂管施工技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，1988.

[2]魏綱，徐日慶，邵劍明.頂管施工中注漿減摩作用機(jī)理的研究[J].巖土力學(xué)，2004，25（6）：222-228.

[3]潘同燕.大口徑急曲線頂管施工力學(xué)分析與監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[J].上海：同濟(jì)大學(xué)，2000.

[4]符禮斌.超淺層頂管施工控制技術(shù)[D].重慶：重慶交通學(xué)院，2004.