頂管施工關(guān)鍵技術(shù)研究及中航支線工程實踐

吳發(fā)展

（中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司 河北 三河 065201）

0 引言

頂管法是借助千斤頂將掘進(jìn)機(jī)從工作井推進(jìn)到接收井的施工方法，依靠管道掘進(jìn)機(jī)頭部的鉆掘系統(tǒng)切削土屑，出土系統(tǒng)將切削的土屑排出，邊頂進(jìn)，邊切削，邊排土，將管道逐節(jié)向前鋪設(shè)的一種地下管道非開挖施工技術(shù)。頂管施工占地面積少，其地下施工對地面活動影響較小，它不需要開挖地面層，故節(jié)約征地拆遷費(fèi)，尤其是在城市繁華地段，有很高的經(jīng)濟(jì)和社會效益。施工時產(chǎn)生的噪音很小，不擾民。在現(xiàn)有道路下鋪設(shè)管線時，不影響地面交通，頂管法在市政工程中得到了較好的應(yīng)用［1］。袁魯峰等人［2］將泥水平衡機(jī)械頂管施工方法應(yīng)用在市政截污工程中，取得較好的施工效果。榮亮等人［3］以下穿城市道路的超大斷面矩形頂管工程為背景，對土壓平衡頂管狀態(tài)控制和糾偏進(jìn)行了詳細(xì)介紹。談力昕等人［4］通過拱北隧道頂管頂進(jìn)力實測分析，以國內(nèi)外2 種計算公式，探討了曲線頂管頂進(jìn)力計算與實際頂進(jìn)力的差異，頂進(jìn)力與泥漿潤滑程度有密切關(guān)系，頂進(jìn)力估算參數(shù)依賴地區(qū)經(jīng)驗結(jié)合現(xiàn)場試驗確定。觸變泥漿在頂管施工中起減阻、填補(bǔ)和支撐作用。袁為玲等人［5］通過試驗研究原材料含量對觸變泥漿的影響，施工現(xiàn)場應(yīng)根據(jù)膨潤土性能、地層參數(shù)等試驗出適合本工程的觸變泥漿配合比。張鵬等人［6］、蘇榮軍等人［7］研究了頂管施工引起的地表沉降，對地表及相鄰建筑物的沉降進(jìn)行控制至關(guān)重要。狄曉紅［8］探索矩形頂管在砂卵層中的適用性，研究頂管機(jī)的切削系統(tǒng)和排渣系統(tǒng)。本文依托城市北環(huán)電纜隧道介紹中航支線頂管施工技術(shù)。

1 工程概況

電網(wǎng)北環(huán)110 kV 架空線改造入地電纜隧道工程線路全長約24.8 km，中航支線長552.021 m，起訖里程ZH1K0+000～ZH1K0+552.021，采用頂管法施工，將位于中心公園的SJ4 豎井作為工作井，電網(wǎng)大樓旁邊的SJ4-1 豎井作為接收井，頂管隧道設(shè)24.03‰上坡由SJ4 豎井向SJ4-1 豎井方向頂進(jìn)；頂管在工作井的埋深為25.195 m，在接收井的埋深為16.4 m。頂管管節(jié)為預(yù)制C50P10 鋼筋混凝土（見圖1），管節(jié)內(nèi)徑3 500 mm，外徑4 140 mm，管壁厚320 mm，節(jié)長2 500 mm，管接口為F 形接口，鋼尾套長145 mm。每節(jié)管節(jié)預(yù)埋4 個DN25 鋼管注漿孔，管節(jié)最大容許頂力為 15 000 kN［9］。

頂管隧道下穿中心公園、華富路、振興路、中航路，工作井端至ZH1K0+100 隧道圍巖穩(wěn)定，巖體主要為完整的微風(fēng)化花崗巖。ZH1K0+100～SZ1K0+200 圍巖變化頻繁，依次經(jīng)歷的花崗巖分別為中風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、微風(fēng)化、中風(fēng)化狀態(tài)，ZH1K0+200～ZH1K0+530 圍巖依次為殘積礫質(zhì)粘性土、全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，接收井端花崗巖主要為中風(fēng)化。地下水按賦存方式主要分為第四系松散層和全風(fēng)化帶中的孔隙水、強(qiáng)-微風(fēng)化基巖裂隙水類型?？紫端饕邮艽髿饨邓暗乇硭a(bǔ)給。裂隙水主要受地下水徑流側(cè)向補(bǔ)給，且未形成穩(wěn)定連續(xù)的水位面，地下水穩(wěn)定水面埋深為2.15～2.83 m。

圖1 鋼筋混凝土預(yù)制管節(jié)Fig.1 Reinforced Concrete Prefabricated Pipe

2 頂管機(jī)選型

頂管掘進(jìn)機(jī)根據(jù)施工方法分為敞開式和封閉式兩大類，敞開式頂管因安全性不高及精度差，已經(jīng)限制使用；封閉式為機(jī)械化程度較高的土壓平衡、泥水平衡和混合式頂管機(jī)。頂管機(jī)型選擇的原則是適應(yīng)性、安全性和經(jīng)濟(jì)性。不僅考慮機(jī)具的地層適應(yīng)性、施工效率，更重要的是保證施工人員的安全。地層條件是選擇頂管工法的主要依據(jù)，施工前取得比較詳盡的勘探資料，對頂管所涉土層的物理、力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)的描述，頂管掘進(jìn)應(yīng)采用泥水平衡式或土壓平衡式［10］，中航支線地面為城市道路，接收井附近為電網(wǎng)大樓，由于周圍建筑物安全等級高、對施工地層變形控制要求高，土壓平衡頂管的螺旋輸送機(jī)易發(fā)生噴涌致掘進(jìn)面失穩(wěn)，故選用泥水式頂管較宜［11］。泥水平衡機(jī)械頂管機(jī)通過泥水循環(huán)系統(tǒng)出渣，通過頂進(jìn)參數(shù)有效控制沉降變形，其土質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)、安全性高、地表沉降少、可有效平衡地下水、管理方便。根據(jù)地質(zhì)條件和管節(jié)內(nèi)徑，中航支線配置DN3500 泥水平衡巖石頂管機(jī)組織施工。

3 工作井端頭加固

頂管工作井始發(fā)端采用基坑圍護(hù)樁及止水帷幕加固。始發(fā)洞門采用C30、P10 混凝土，采用HRB335鋼筋進(jìn)行加固處理，洞口預(yù)埋鋼環(huán)及與洞口連接的管節(jié)預(yù)埋鋼環(huán)的鋼環(huán)鋼板與法蘭鋼板的焊接焊縫連續(xù)不滲水。洞口預(yù)埋鋼環(huán)與洞口連接的管節(jié)預(yù)埋鋼環(huán)鋼材均為Q235 鋼，除與混凝土的接觸面外，鋼板需涂防銹漆。

4 現(xiàn)有頂進(jìn)力計算公式

4.1 中國非開挖技術(shù)協(xié)會給出的頂管頂力計算公式［12］：

式中：P 為計算的總頂力（kN）；f 為頂進(jìn)時，管道表面與其周圍土層之間的摩擦系數(shù)；γ 為管道所處土層的重力密度（kN/m3）；D1為管道的外徑（m）；H 為管道頂部以上覆蓋土層的厚度（m）；φ 為管道所處土層的內(nèi)摩擦角（°）；ω 為管道單位長度的自重（kN/m）；L 為管道的計算頂進(jìn)長度（m）；Ps為頂進(jìn)時頂管掘進(jìn)機(jī)的迎面阻力（kN）。

4.2 廣東省基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司給出的頂進(jìn)力計算式［10］：

式中：F 為頂進(jìn)阻力（kN）；F1為頂管機(jī)前端正面阻力（kN）；F2為管道的側(cè)壁摩阻力（kN）；D 為管道的外徑（m）；P 為泥水平衡頂管機(jī)截面中部的地下水壓力（kN/m2）；fk為管道外壁與土的單位面積平均摩阻力（kN/m2）；L 為管道頂進(jìn)施工長度（m）；。

4.3 頂進(jìn)力計算應(yīng)采用當(dāng)?shù)貞?yīng)用成熟的經(jīng)驗公式。當(dāng)?shù)責(zé)o經(jīng)驗公式時，可用住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部給出的計算式［13］：

式中：Fp為頂進(jìn)阻力（kN）；D0為管道的外徑（m）；L 為管道設(shè)計頂進(jìn)長度（m）；fk為管道外壁與土的單位面積平均摩阻力（kN/m2）；NF為頂管機(jī)的迎面阻力（kN）。

4.4 上海市頂進(jìn)力計算公式［14］：

式中：F 為總頂進(jìn)阻力（kN）；F1為管道的側(cè)壁摩阻力（kN）；F2為頂管機(jī)的迎面阻力（kN）；D 為管道外徑（m）；L′為管道頂進(jìn)長度（m）；f 為管道外壁與土的平均摩阻力（kN/m2），宜取 2～7。

泥水平衡頂管控制土壓力R1近似計算公式為：

式中：γ 為頂管上覆土層的容重（kN/m2）；H 為上覆土層的厚度（m）；D′為頂管機(jī)外徑（m）；φ 為土的內(nèi)摩擦角（°）；c 為土的黏聚力（kN/m2）。

上述頂進(jìn)力計算的思路基本是頂進(jìn)力=頂管機(jī)迎面阻力+管道外壁與土的摩擦阻力。

5 頂進(jìn)力的計算

施工頂進(jìn)力應(yīng)考慮管節(jié)材質(zhì)、頂進(jìn)工作井后背墻的允許最大荷載、頂進(jìn)設(shè)備能力等因素。施工頂進(jìn)力應(yīng)大于頂進(jìn)阻力，不超過管材或工作井后背墻的允許頂力。由于項目地處廣東，應(yīng)采用當(dāng)?shù)貞?yīng)用成熟的經(jīng)驗公式，首選文獻(xiàn)［10］給出的頂進(jìn)力計算式：F=F1+F2，F(xiàn)1=πD2（P+20）/4，F(xiàn)2=πfkDL。

式中：k0為靜止土壓力系數(shù)，一般取0.55；γ為土的濕重度，取19kN/m3；H0為地面至頂管機(jī)中心的厚度，取端頭墻處的最大值24m；fk取5kN/m2；L取485m。

式⑽代入數(shù)值，得 P=0.55×19×24=250.8 kN/m2。則代入⑵～⑷得：F1=3.14×4.142×（250.8+20）/4=3 643.5 kN，F(xiàn)2=3.14×5×4.14×485=31 524 kN，F(xiàn)=3 643.5 kN+31 524 kN=35 167.5 kN。

6 中繼間施工

有關(guān)規(guī)范要求：一次頂進(jìn)距離超過100 m 時，應(yīng)采用中繼間技術(shù)［13］，施工最大頂力超過允許頂力時，應(yīng)增設(shè)中繼間等措施［12］。

本工程DN3500 泥水平衡巖石頂管機(jī)主頂系統(tǒng)采用12 個 2 000 kN 頂鎬組合（見圖2），最大推力24 000 kN。本工程計算頂進(jìn)力為35 167.5 kN，使用的鋼筋混凝土管節(jié)最大容許頂力為15 000 kN，管節(jié)最大容許頂力小于頂管頂進(jìn)所需最大頂力，故需在頂管后設(shè)置中繼間。中繼間的合理布置可滿足頂力要求，起到接力頂進(jìn)的作用，可在頂管機(jī)后方40～50 m 處設(shè)置第1 個中繼間，主要克服前方管節(jié)與機(jī)頭的摩阻力、掌子面對切削刀盤的反力，其他中繼間根據(jù)頂力需要設(shè)置，中繼管段的推力不超過中繼間力的70%。

圖2 頂進(jìn)管節(jié)Fig.2 Jacking Pipe

中繼間外徑與管節(jié)相同，結(jié)合本工程情況，中繼間外徑為4.14 m，長度2.5 m。中繼間采用25 mm 厚鋼板卷制焊接而成，中繼間需有足夠的剛度、良好的密封性和連接性，內(nèi)設(shè)25 mm 厚鋼板作為徑向肋板，防止中繼間頂進(jìn)時的變形。中繼間內(nèi)均勻布置10 組1 000 kN 頂鎬推進(jìn)（見圖3），每循環(huán)推進(jìn)0.5 m。距頂管機(jī)頭最近的中繼間先頂，其余中繼間保持不動，所有中繼間順次頂進(jìn)后，主頂完成最后的頂進(jìn)作業(yè)。

圖3 中繼間均勻布置的頂鎬Fig.3 Top Pick with Uniform Arrangement between Relays

7 注漿減阻

頂管工程中，廣泛使用膨潤土泥漿減小頂進(jìn)時管外壁承受的摩阻力［15］。膨潤土是以鉀、鈣、鈉蒙脫石為主要成分的粘性礦物，其具有膨脹性和觸變性。膨潤土加水?dāng)嚢璩蓱腋∫耗酀{，靜置為膠凝體，經(jīng)攪拌或泵送，轉(zhuǎn)變?yōu)橛姓承院土鲃有缘哪z狀液體，再次靜置，則又成為膠凝體。膨潤土的這種觸變性有助于減小頂進(jìn)管道在地層中的阻力，在管道外圍形成一個較完整的泥漿套，頂進(jìn)時起到減阻和支撐地層的作用。

頂進(jìn)施工使管道與土體之間產(chǎn)生空隙，合理的注漿可填補(bǔ)該空隙，減小土層的運(yùn)動，減小地面沉降。注漿壓力過大將擠壓周圍土體，形成地面隆起，注漿壓力小則不能充分填補(bǔ)空隙，造成地面沉降。隨著頂管推進(jìn)，注漿效果明顯下降，需要對已施工管節(jié)補(bǔ)充注漿。管節(jié)上均布4 個注漿孔，在管節(jié)頂進(jìn)時同步注漿。

⑴泥漿配比

膨潤土、水、純堿、CMC 分別為 200～250、350、3.5～4.5、1.5～3.5 kg/m3。

⑵壓漿管路及壓漿孔布置

泥漿攪拌機(jī)固定在始發(fā)井口，泥漿充分?jǐn)嚢杈鶆蚝笙茸⑷雰{桶，通過壓漿泵送至井下進(jìn)漿主管。壓漿主管在需要壓漿的管節(jié)處連接到4 根支管，通過管節(jié)上預(yù)留的4 個注漿孔向管節(jié)外注入減阻泥漿，以有效降低混凝土管節(jié)與周圍地層間的摩擦阻力，壓漿原則是“先壓后頂、隨頂隨壓、及時補(bǔ)漿”。頂進(jìn)過程中，部分漿液散失到土層中，為保證漿液的填充效果，間隔一段時間后必須進(jìn)行補(bǔ)漿。

8 置換注漿

頂管結(jié)束后，采用1∶1 的水泥漿，將管道外的觸變漿液通過注漿孔置換出來，防止頂管地層沉降，達(dá)到穩(wěn)固頂管隧道結(jié)構(gòu)的目的。注漿前對注漿管做壓水試驗，必要時進(jìn)行疏通清理，保證注漿管暢通。注漿時必須控制注漿的壓力，連續(xù)作業(yè)。注漿順序為由通道中部向工作井、接收井兩端進(jìn)行。

9 地面沉降監(jiān)控

為保證地面建筑物、道路交通的正常使用，事先充分預(yù)測頂管施工對地表變形的影響［12］，采取有效的技術(shù)措施進(jìn)行監(jiān)測和保護(hù)。在市區(qū)施工，必須進(jìn)行地面變形監(jiān)測和建筑物沉降觀測。在施工區(qū)域外設(shè)置監(jiān)控基準(zhǔn)點，沿頂管機(jī)前進(jìn)軸線方向布置觀測點，對交通道路、建筑物設(shè)監(jiān)控點，監(jiān)測數(shù)據(jù)分析資料及時反饋給頂管司機(jī)，據(jù)此決定是否調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)、糾偏。SJ4～SJ4-1 區(qū)間頂管施工時地表沉降監(jiān)測點和周邊建筑物監(jiān)測點一直在進(jìn)行觀測，監(jiān)測頻率為施工單位每天1 次，第三方監(jiān)測單位每周3 次。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示（見表1），地表沉降監(jiān)測點受到施工的影響有一定的沉降和隆起，建筑物沉降監(jiān)測點則較為穩(wěn)定。

表1 頂管施工時地表沉降監(jiān)測成果表Tab.1 Surface Subsidence Monitoring Results Table during Pipe Jacking Construction

10 結(jié)束語

頂管機(jī)選型是施工關(guān)鍵，應(yīng)根據(jù)實際地質(zhì)情況合理選型，必要時施工單位可以要求補(bǔ)勘，以獲取詳細(xì)的地質(zhì)資料，一旦選型失誤，將對后續(xù)施工帶來很大的不利影響，出現(xiàn)頂進(jìn)困難甚至失敗。

中繼間主要克服前方管節(jié)與機(jī)頭的摩阻力、掌子面對切削刀盤的反力，中繼間的合理布置可滿足頂力要求，起到接力頂進(jìn)的作用。中繼間需有足夠的剛度、良好的密封性和連接性，防止中繼間頂進(jìn)時的變形。

在管節(jié)外壁與土層之間注入觸變泥漿，減小頂進(jìn)阻力，填補(bǔ)管道外壁與土層間空隙，減小土體變形，支撐地層，選擇良好的注漿材料很關(guān)鍵，觸變泥漿應(yīng)選擇經(jīng)鈉化處理的膨潤土泥漿。