大型土壓平衡矩形頂管施工技術(shù)研究

賀志剛

摘 要：隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，箱涵頂管施工已成為下穿道路一種重要的施工方法。其憑借高效、對(duì)地面干擾少、智能化的優(yōu)勢(shì)，得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。文章以實(shí)際工程為例，對(duì)箱涵頂進(jìn)的施工技術(shù)進(jìn)行分析討論，頂進(jìn)的施工速度加快，觸變泥漿減阻頂進(jìn)技術(shù)、土壓平衡技術(shù)等是頂進(jìn)法工藝的發(fā)展趨勢(shì)，頂進(jìn)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)有了較大的提高，可供參考。

關(guān)鍵詞：觸變泥漿 頂管設(shè)計(jì) 施工軸線控制

1.工程概況

南昌市梅湖水系截污工程截污箱涵下穿南蓮路位于昌南大道高架橋下南側(cè)交叉路口，南蓮路為城市交通主干道，道路總寬度40m。采取頂管法施工，斷面設(shè)計(jì)為矩形，凈空尺寸為6m×3.75m，頂進(jìn)區(qū)間線路全長(zhǎng)67.5m。道路現(xiàn)狀為混凝土路面，面層有破損。頂管位于雜填土層和粉質(zhì)粘土層，上部覆蓋雜填土。頂管下部分別為細(xì)砂、粗砂、礫砂和強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。

2.施工程序

矩形頂管施工順序?yàn)椋菏┕?zhǔn)備→工作井施工→地面輔助設(shè)施施工→頂管機(jī)運(yùn)輸→頂管機(jī)下井組裝→始發(fā)與初始掘進(jìn)→正常掘進(jìn)→頂管機(jī)到達(dá)接收井→頂管機(jī)解體運(yùn)出→結(jié)束。

3.頂管設(shè)計(jì)

3.1頂管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）底部埋深7.1m，上部埋深2.4m。

（2）頂管采用C50預(yù)制鋼筋混凝土管，結(jié)構(gòu)外尺寸為6900×4650，底板和頂板厚500mm，側(cè)墻壁厚450mm，抗?jié)B等級(jí)為0.8MPa。

（3）頂管采用縱向穿預(yù)應(yīng)力鋼絞線的方式加強(qiáng)縱向剛度，預(yù)應(yīng)力孔道在管節(jié)預(yù)制時(shí)埋設(shè)。

3.2后配套設(shè)計(jì)

頂管后配套包括：基坑導(dǎo)軌、后靠背、組合頂鐵（環(huán)型+U型）、主頂油缸架、主頂油缸及注漿系統(tǒng)等。導(dǎo)軌分由管節(jié)移動(dòng)導(dǎo)軌和頂鐵移動(dòng)導(dǎo)軌兩部分組成。組合頂鐵由一塊環(huán)形頂鐵和一塊U形頂鐵組成，采用40mm厚鋼板焊接而成。頂進(jìn)采用鉆孔灌注樁后背，同時(shí)兼作基坑圍護(hù)樁。為使灌注樁與后靠板貼合緊密，在兩者之間澆筑400mm厚C30混凝土。

3.3止退裝置與防后退技術(shù)

由于土壓平衡矩形頂管在頂進(jìn)中前端阻力很大，在每次管節(jié)拼裝或加墊塊時(shí)，油缸回縮造成機(jī)頭和管節(jié)一起后退，使前方土體得不到支撐，引起機(jī)頭前方的土體坍塌。因此，在前基座上安裝一套止退裝置，將管節(jié)和機(jī)頭穩(wěn)住，從而使地面沉降量明顯減少。

4.頂管施工方案及技術(shù)措施

4.1端頭加固

工作井結(jié)構(gòu)底板及部分側(cè)墻施工完成，滿足頂管施工后，按照設(shè)計(jì)圖紙要求進(jìn)行頂管端頭區(qū)加固施工，以滿足頂管始發(fā)端頭止水、加固需求。

4.2正面土壓力設(shè)定

根據(jù)Rankine土壓力理論進(jìn)行計(jì)算，如式①所示：

4.4箱涵頂進(jìn)

初始階段不宜過(guò)快，頂進(jìn)速度控制在5～10mm/min左右，正常施工階段控制在10～20mm/min左右，頂進(jìn)速度應(yīng)盡量控制平穩(wěn)，尤其要避免頂速突然加大的現(xiàn)象。在頂進(jìn)過(guò)程中，根據(jù)地質(zhì)情況和施工效果進(jìn)行刀盤(pán)轉(zhuǎn)速和扭矩的控制和調(diào)整。正常頂進(jìn)情況下刀盤(pán)應(yīng)調(diào)至高轉(zhuǎn)速、中低扭矩的狀態(tài)工作，以獲得較好的泥水分離效果。

土壓平衡矩形頂管在始發(fā)基座上向前推進(jìn)時(shí)，通過(guò)控制推進(jìn)油缸行程和加配重等方式使土壓平衡矩形頂管基本沿始發(fā)基座向前推進(jìn)。

4.5出土量控制

頂管工程中，螺旋輸送的出泥量要與頂進(jìn)的取泥量相一致，出泥量>頂進(jìn)取泥量，地面會(huì)沉降，出泥量<頂進(jìn)取泥量，地面會(huì)隆起，這都會(huì)造成管道周?chē)耐馏w擾動(dòng)。嚴(yán)格控制出土量，防止超挖或欠挖，正常情況下出土量控制在理論出土量的98%～102%。而要做到出泥量與取泥量一致的關(guān)鍵是嚴(yán)格控制土體切削掌握的尺度，防止超量出泥。

4.6觸變泥漿制作、注漿

（1）頂管管節(jié)設(shè)置10個(gè)注漿孔，合理使用觸變泥漿填充管道的外周空隙，保持土體穩(wěn)定，起到減少坍方起到減阻和護(hù)壁的作用。

（2）觸變泥漿漿液配制。觸變泥漿要求的漿液不失水、不沉淀、不固結(jié)，既要有良好的流動(dòng)性，又要有一定的稠度。所用潤(rùn)滑漿液主要成分為膨潤(rùn)土、純堿以及CMC（化學(xué)漿糊）。觸變泥漿配比=膨潤(rùn)土：水：純堿：CMC=25：100：1：1。觸變泥漿性能指標(biāo)：比重為1.1～1.16g/cm3；粘度≥30S；PH值=7。

（3）觸變泥漿注入原則與注入壓力。頂進(jìn)時(shí)壓漿要及時(shí)，確保形成完整、有效的泥漿套，必須遵循“先壓后頂、隨頂隨壓、及時(shí)補(bǔ)漿”的原則。泥水壓力主要由頂管上路面監(jiān)測(cè)情況和挖掘面地下水壓力決定，若監(jiān)測(cè)過(guò)程中路面抬高或下沉超過(guò)允許值或路面周?chē)霈F(xiàn)異常，立即調(diào)整泥水壓力。頂進(jìn)施工中，觸變泥漿的實(shí)際用量一般取理論計(jì)算管道周?chē)g隙值的2～3倍。

4.7施工軸線控制

推進(jìn)方向控制與調(diào)整采取以下兩方面的手段和方式：

（1）推進(jìn)自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)和人工測(cè)量輔助進(jìn)行土壓平衡矩形頂管姿態(tài)監(jiān)測(cè)。土壓平衡矩形頂管采用激光制導(dǎo)的方法進(jìn)行推進(jìn)導(dǎo)向，當(dāng)頂進(jìn)一段距離后，量測(cè)激光束打在土壓平衡矩形頂管上目標(biāo)靶上的偏移量來(lái)測(cè)出施工中管道的高程及中心偏差。同時(shí)機(jī)內(nèi)設(shè)置傾角傳感器，利用傳感器檢測(cè)土壓平衡矩形頂管的滾動(dòng)況，并在顯示屏上進(jìn)行角度顯示。

為保證頂進(jìn)方向的準(zhǔn)確性，每頂進(jìn)10m左右進(jìn)行一次人工測(cè)量復(fù)核，以驗(yàn)證自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)。

（2）操作土壓平衡矩形頂管鉸接油缸控制土壓平衡矩形頂管推進(jìn)方向。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況所做的分段軸線擬合控制計(jì)劃、導(dǎo)向系統(tǒng)反映的土壓平衡矩形頂管姿態(tài)信息，結(jié)合頂管地層情況，通過(guò)操作頂管機(jī)的鉸接油缸來(lái)控制推進(jìn)方向。同時(shí)可以在土壓平衡矩形頂管的壁上注泥漿，通過(guò)壓力差變化來(lái)調(diào)整方向。

（3）方向控制及糾偏注意事項(xiàng)。要隨時(shí)監(jiān)控各管節(jié)接頭上實(shí)際頂力與管道軸線的偏心度和不均勻壓縮情況，并以此調(diào)整糾偏幅度，防上因偏心度過(guò)大而使管節(jié)接頭壓損或管節(jié)中部出現(xiàn)環(huán)向裂縫。糾偏控制由糾偏千斤頂進(jìn)行，掘進(jìn)機(jī)共有糾偏千斤頂4個(gè)，一般情況每次糾偏角度≤0.5°，以適當(dāng)?shù)那拾霃街鸩降胤祷氐捷S線上來(lái)，做到精心施工。在直線推進(jìn)的情況下，選取頂管當(dāng)前所在位置點(diǎn)與設(shè)計(jì)線上遠(yuǎn)方的一點(diǎn)作一直線，以這條線為新的基準(zhǔn)進(jìn)行線形管理。

5.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在同等截面積下，矩形頂管比圓形頂管可更有效地利用空間，減少地下掘進(jìn)土方，具有明顯的優(yōu)越性。施工中利用先進(jìn)的土壓平衡矩形頂管機(jī)進(jìn)行全斷面切割，通過(guò)操作控制器及各類(lèi)傳感器等隨時(shí)監(jiān)測(cè)施工狀況，確定頂進(jìn)速度及出渣量等施工參數(shù)，保持土壓平衡，減少對(duì)周?chē)馏w擾動(dòng)。從而有效控制矩形箱涵頂進(jìn)軸線、轉(zhuǎn)角偏差及地面沉降，使整個(gè)施工過(guò)程處于受控狀態(tài)，確保各項(xiàng)指標(biāo)都處于安全可控范圍內(nèi)。

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