市政管網(wǎng)小管徑泥水平衡頂管機(jī)頂進(jìn)參數(shù)控制

張磊,彭富波,王準(zhǔn)，李圍

(1.中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司,云南 昆明,650041；2.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 軌道交通學(xué)院，上海，201418)

城市早期的市政道路雨污水網(wǎng)絡(luò)工程建設(shè)中，許多市政雨污水管網(wǎng)出現(xiàn)了不少工程質(zhì)量問(wèn)題[1]，嚴(yán)重影響相關(guān)的雨水與污水的收集排放，對(duì)市民的生活造成了較大影響，所以，必須完善城市地下截污管網(wǎng)，如目前正在建設(shè)的東莞市水生態(tài)建設(shè)五期工程常平鎮(zhèn)范圍管網(wǎng)工程。該工程污水管道長(zhǎng)約84.145 km，其中頂管段長(zhǎng)6.884 km，采用泥水平衡頂管機(jī)頂進(jìn)，其穿越的主要地層為粉質(zhì)黏土層。在頂管機(jī)頂進(jìn)過(guò)程中需要確定頂進(jìn)參數(shù)，如果頂進(jìn)參數(shù)控制不好，將導(dǎo)致頂進(jìn)力不足、開(kāi)挖的掌子面不能保持平衡，嚴(yán)重影響頂進(jìn)作業(yè)安全和施工進(jìn)度，因此，有必要進(jìn)行頂進(jìn)參數(shù)計(jì)算與控制研究。

在頂管法頂進(jìn)參數(shù)方面，關(guān)于頂進(jìn)力的研究比較多[2-6]，而關(guān)于頂進(jìn)面阻力計(jì)算的研究比較少[7]。從目前的文獻(xiàn)可以看出，未有從地層特性出發(fā)推導(dǎo)泥水平衡頂管機(jī)頂進(jìn)力的計(jì)算公式。因此，基于頂管機(jī)穿越的粉質(zhì)黏土層建立頂進(jìn)力的技術(shù)公式，然后計(jì)算頂進(jìn)速度、泥水平衡壓力以及觸變泥漿的注入壓力，并提出頂進(jìn)參數(shù)控制措施，確保東莞市水生態(tài)建設(shè)五期工程常平鎮(zhèn)頂管段的順利施工，同時(shí)為今后類似工程提供參考。

1 依托工程概況

常平鎮(zhèn)2018—2020批次截污管網(wǎng)為東莞市水生態(tài)建設(shè)項(xiàng)目五期工程(第一標(biāo)段)的1個(gè)子單位工程，施工范圍涉及寒溪河西部片區(qū)、寒溪河?xùn)|部片區(qū)、廣梅汕鐵路北部片區(qū)和廣梅汕鐵路南部片區(qū)4大片區(qū)。該標(biāo)段管網(wǎng)工程頂管施工長(zhǎng)度共計(jì)6.884 km，不同型號(hào)的管徑參數(shù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。頂管采用Ⅲ級(jí)鋼筋混凝土管，其管徑有DN500，DN600和DN800 3種類型，其中DN800型管道總長(zhǎng)3 800 m，DN600型管道長(zhǎng)1 499 m，DN500型管道長(zhǎng)1 585 m。管道的坡度為5‰～5%，埋深為3.55～7.16 m。

表1 管網(wǎng)參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Parameter statistics of pipe network

根據(jù)區(qū)域性地質(zhì)資料和周邊場(chǎng)地地勘報(bào)告，結(jié)合工程特點(diǎn)，常平鎮(zhèn)10 m之內(nèi)的地層自上而下分布的主要地層有素填土、雜填土、粉質(zhì)黏土(部分地段夾雜淤泥質(zhì)黏土)、細(xì)砂和中粗砂。頂管穿越粉細(xì)砂層段長(zhǎng)292 m，砂質(zhì)黏土層段長(zhǎng)429 m，粉質(zhì)黏土層段長(zhǎng)6 163 m，穿越粉質(zhì)黏土層占頂管工程的89.53%，說(shuō)明頂管機(jī)主要穿越粉質(zhì)黏土層。

場(chǎng)地地下水主要貯存于填土層中的上層滯水和貯存于第四系砂土層中的孔隙潛水，在強(qiáng)風(fēng)化巖層中貯存少量基巖裂隙水。地下水受鄰近地表水影響，主要接受大氣降水下滲補(bǔ)給及周圍地表水側(cè)向補(bǔ)給，以蒸發(fā)及地下徑流的方式排泄?？碧狡陂g測(cè)得陸地鉆孔地下初見(jiàn)水位埋深為0.3～1.7 m，相應(yīng)的標(biāo)高為1.28～20.26 m，地下靜止水位埋深為0.6～2 m，相應(yīng)的標(biāo)高為0.98～19.96 m。地下水位的常年變化幅度為0.5～1.5 m，水位主要受地形地貌、大氣降水、自然蒸發(fā)及季節(jié)性等因素的影響而變化。

頂管始發(fā)井為矩形，矩形井外包長(zhǎng)×寬為8.7 m×5.7 m、內(nèi)凈空長(zhǎng)×寬為6.3 m×4.3 m，見(jiàn)圖1。最深的沉井刃腳至頂板之間的最大距離為12.1 m。采用沉井法施工，第一節(jié)施工刃腳部分，第2節(jié)施工以上井筒部分，井內(nèi)挖土排水下沉，C30混凝土封底，待沉井強(qiáng)度達(dá)100%即可開(kāi)挖施工。

圖1 始發(fā)井結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.1 Structural profile of starting shaft

2 頂進(jìn)參數(shù)控制

2.1 頂進(jìn)力

2.1.1 粉質(zhì)黏土層中頂進(jìn)力計(jì)算公式

頂管機(jī)穿越的主要地層為粉質(zhì)黏土層，泥水平衡頂管機(jī)的頂進(jìn)力最小值為頂管機(jī)頂進(jìn)過(guò)程刀盤(pán)和管道所受阻力的總和，包括頂管機(jī)刀盤(pán)正面泥水壓力和管壁摩擦阻力。粉質(zhì)黏土層采用水土合算的方式，則通過(guò)頂進(jìn)阻力可計(jì)算出頂進(jìn)力的最小值如下：

(1)

式中：1.4為荷載系數(shù)；k為被動(dòng)土壓力系數(shù)；γ為土的飽和容重，kN/m3；H為刀盤(pán)中心埋深，m；D為刀盤(pán)外徑，m；f為管壁摩擦力系數(shù)，kN/m2；D1為管道的外徑，m；L為頂進(jìn)管道的長(zhǎng)度，m。

2.1.2 頂進(jìn)力計(jì)算

粉質(zhì)黏土層的孔隙比為0.9；天然密度為1 900 kg/m3；含水量為32.9%。飽和容重計(jì)算為rsat=eg/(1+e)+ρg/(1+w)=19.033 kN/m3，被動(dòng)土壓力系數(shù)計(jì)算為k=tan2(45°+φ/2)=1.352，頂進(jìn)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同管徑頂進(jìn)力計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of jacking force for pipes of different diameters

2.1.3 主頂油缸選用

主頂油缸選用2臺(tái)2 000 kN級(jí)油缸，每只油缸的推力控制在90%的最大推力為1 800 kN，則總推力為3 600 kN，大于所需頂進(jìn)力的最大值3 553.66 kN，滿足頂進(jìn)力要求。

2.2 頂進(jìn)速度

頂進(jìn)速度的快慢可防止頂管機(jī)頂進(jìn)過(guò)程中掌子面塌陷，保證頂管機(jī)切削土量和泥漿進(jìn)泥量與排泥量的循環(huán)保持平衡，即刀盤(pán)的削土量與凈的排泥量相同。頂進(jìn)速度計(jì)算公式如下：

v=(Q排-Q進(jìn))/(πR2γ)

(2)

式中：v為頂進(jìn)速度，m/min；Q排為排泥量，m3；Q進(jìn)為進(jìn)泥量，m3；R為頂管機(jī)半徑，m；γ為刀盤(pán)轉(zhuǎn)速，r/min。

本工程頂管機(jī)進(jìn)排泥管直徑為0.1 m ，泥水的流速大于臨界流速2.4 m/s，即排泥量需大于1.13 m3/min。頂管機(jī)半徑為0.49 m，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為1 r/min。取排泥量為1.13 m3/min,進(jìn)泥量為1.12 m3/min，則頂進(jìn)速度為0.042 m/min。在頂管機(jī)頂進(jìn)中可通過(guò)調(diào)節(jié)主頂液壓站油壓來(lái)控制主頂千斤頂每分鐘伸出量，達(dá)到頂進(jìn)速度控制為0.042 m/min。

2.3 泥水平衡壓力

2.3.1 泥水平衡壓力計(jì)算

為了平衡頂管機(jī)施工中掌子面的水壓力，可通過(guò)調(diào)整泥水倉(cāng)中的泥水壓力略大于地下水壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而避免掌子面前方的土層涌入泥水倉(cāng)，導(dǎo)致開(kāi)挖面土體失穩(wěn)，甚至造成土方超挖。泥水平衡壓力的計(jì)算公式如下：

P=0.5(P2+P5)=0.5[γw(h2+Δh)+γw(h1+Δh)+γh3]

(3)

式中：P為泥水平衡壓力，kPa；P2為頂部的泥水壓力，kPa；P5為底部泥水壓力，kPa；γw為水的容重，kN/m3；h1為地下水位與頂管機(jī)底部的高差，m；h2為頂管機(jī)頂部與地下水位的高差，m；Δh為泥水倉(cāng)的泥水壓力高出地下水的水頭差，m；γ為泥漿的容重，kN/m3；h3為頂管機(jī)的外徑，m。

地下水位深1 m，Δh=1.53 m，h2=5.47 m，h1=6.45 m，h3=0.98 m，泥漿的容重取為11 kN/m3，水的容重取為9.8 kN/m3，計(jì)算得出頂管機(jī)泥水平衡壓力P為78.792 kPa。

2.3.2 泥水平衡壓力控制

泥漿在頂管機(jī)開(kāi)挖的掌子面形成泥膜，具有較好的止水性，防止掌子面前方的地下水通過(guò)泥膜涌入泥水倉(cāng)。同時(shí)，泥漿的進(jìn)出通過(guò)容重的差來(lái)實(shí)現(xiàn)排渣功能，即排出的泥漿濃度大于進(jìn)泥管輸入的泥漿的濃度，其濃度相差越大，則排出的渣土就越多。在頂管機(jī)頂進(jìn)施工中，其泥漿循環(huán)系統(tǒng)的排泥泵功率固定不變，通過(guò)變頻器控制進(jìn)泥泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)穩(wěn)定泥水倉(cāng)壓力，實(shí)現(xiàn)控制進(jìn)泥的流速與流量。頂管機(jī)停止頂進(jìn)時(shí)，開(kāi)啟旁通閥讓泥漿進(jìn)行小循環(huán)實(shí)現(xiàn)泥水倉(cāng)的壓力平衡。

2.4 觸變泥漿注漿壓力

2.4.1 觸變泥漿

觸變泥漿是頂管施工中起減阻作用的主體，應(yīng)具有一定的黏度,這一方面可以防止泥漿從管道圍巖土層滲漏掉，另一方面黏度較高的泥漿便于形成潤(rùn)滑膜封閉在頂管機(jī)和管節(jié)的周圍實(shí)現(xiàn)減阻的作用，要求泥漿的黏度必須大于 30 s，容重為1.1 g/cm3。觸變泥漿的采用添加了多種聚合物的鈉基膨潤(rùn)土與水按一定的比例混合攪拌而成，能有效提高觸變泥漿的懸浮性、護(hù)壁性和潤(rùn)滑性，且其造漿率高、滲漏率低。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)配比(質(zhì)量比)設(shè)計(jì)，膨潤(rùn)土與水的質(zhì)量比為30∶1 000。

觸變泥漿配制采用大葉片葉輪對(duì)膨潤(rùn)土與水的混合液進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，每桶泥漿攪拌完成后需放入貯漿箱內(nèi)靜置2 h，讓膨潤(rùn)土充分吸水，達(dá)到最佳的減阻效果后再使用。

2.4.2 觸變泥漿注漿壓力計(jì)算

觸變泥漿注漿壓力的計(jì)算公式如下：

P=γw×H1+γ×H×tan2(45°-ψ/2)-2C×tan(45°-ψ/2)

(4)

式中：P為觸變泥漿壓力，kPa；γw為水的容重，kN/m3；H1為頂管機(jī)頂部以上的水柱高，m；γ為土的重度，kN/m3；H為管道覆土厚度，m；ψ為土的內(nèi)摩擦角；C為土的凝聚力，kPa。

粉質(zhì)黏性土的凝聚力為8.6 kPa，內(nèi)摩擦角為8.6°，經(jīng)計(jì)算得出觸變泥漿注漿壓力P=62.485 kPa。取實(shí)際注漿壓力為計(jì)算值的1.6倍，即注漿壓力控制值為0.1 MPa。

2.4.3 觸變泥漿注漿壓力控制

在頂管機(jī)尾部和注漿泵出口的注漿管上設(shè)有隔膜式壓力表監(jiān)控注漿壓力，并在注漿泵出口設(shè)有流量表監(jiān)控注漿量。在頂管機(jī)尾部均勻布設(shè)有4 個(gè)注漿孔，同時(shí)在頂管機(jī)后面的3節(jié)管段上與設(shè)有注漿孔。注漿的原則為“先注后頂、隨頂隨注、及時(shí)補(bǔ)漿”，且每個(gè)管節(jié)均設(shè)有注漿孔，增加注漿的均勻性。頂管施工完成后2 d內(nèi)每隔2 h加注1次觸變泥漿，每次注漿時(shí)間為15 min。

3 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合東莞市水生態(tài)建設(shè)項(xiàng)目五期工程常平鎮(zhèn)范圍管網(wǎng)工程，基于水土合算、被動(dòng)土壓力系數(shù)和頂進(jìn)力安全系數(shù)，建立了粉質(zhì)黏性土頂管機(jī)頂進(jìn)力的計(jì)算公式。通過(guò)計(jì)算得出了頂進(jìn)力、頂進(jìn)速度、泥水壓力以及觸變泥漿注漿壓力的控制值，并提出頂進(jìn)參數(shù)控制措施，確保東莞市水生態(tài)建設(shè)五期工程常平鎮(zhèn)頂管段的順利施工，同時(shí)為今后類似工程提供參考。