淺談大口徑長距離頂管施工關(guān)鍵技術(shù)

吳金鋒

（福建省水利水電工程局有限公司，福建 泉州362000）

1 工程背景

安徽淠河水系綜合治理二期項(xiàng)目工程范圍和主要內(nèi)容為城西河3#支流現(xiàn)澆鋼筋砼箱涵、4#支流和3#～4#支流連接段鋼筋砼預(yù)制箱涵工程等施工建設(shè)，線路總長度3093.5 m。其中3#～4#支流連接段462.4 m長度范圍內(nèi)障礙物極其密集，沿途穿越高速公路連接線快速通道、軍用光纜、燃?xì)夤艿?、高壓電纜、大型廣告牌、在建醫(yī)院、大型棄土場等，工程施工難度較大，對工期、安全、投資等產(chǎn)生不利影響。

線路優(yōu)化后頂管長度412 m，采用DN3000鋼承口C50鋼筋砼預(yù)制涵管（F型，壁厚275 mm），Φ8000工作井1座（壁厚700 mm），Φ8000接收井2座（壁厚600 mm）；頂管工作段長度劃分為1#接收井～1#工作井107.5 m；1#工作井～2#接收井304.5 m；管道穿越土層主要為濕陷性粉質(zhì)粘土層、部分地段存在淤泥地質(zhì)，覆土厚度7.8 m～9 m，地下水較為豐富，采用泥水平衡方法頂進(jìn)施工。頂管平面圖見圖1。

圖1 頂管平面圖

2 泥水平衡式頂管基本原理

泥水平衡式頂管是通過操作臺(tái)控制機(jī)械切削破碎土體施工的一種頂管方法，屬于機(jī)械自動(dòng)化頂管，以泥水為介質(zhì)平衡土、水壓力，保持穩(wěn)定且防止坍塌。利用排出的泥水來輸送棄土的一種頂管施工工藝，并將破碎下來的泥土通過水力方法連續(xù)的從位于刀盤和導(dǎo)向頭后面的破碎室或泥漿室中排至地表。

工作原理示意圖見圖2。

圖2 泥水平衡式頂管工作原理示意圖

3 工作井頂進(jìn)距離驗(yàn)算

頂管頂進(jìn)必須克服管道所受最大頂進(jìn)阻力，故頂進(jìn)力包含掘進(jìn)機(jī)迎面阻力、頂進(jìn)阻力。頂管采用3600 mm口徑的泥水平衡頂管機(jī)施工，頂進(jìn)阻力計(jì)算公式如下：

式中：F為總推力；Fl為迎面阻力；F2為頂進(jìn)阻力。

F1＝π/4×D2×P（D為管外徑3.6 m；P為控制土壓力），

式中：Ko為靜止土壓力系數(shù)，一般取0.55；Ho為地面至掘進(jìn)機(jī)中心的厚度8.2 m，取最大值9 m；γ為土的濕重量，取2.00 t/m3；P＝0.55×2.00×8.2＝9.02 t/m2。

式中：f為管磨擦阻力：管壁與土間磨擦系數(shù)及土壓力大小有關(guān)。根據(jù)有關(guān)工程統(tǒng)計(jì)資料，管壁磨擦阻力一般在0.1 t/m2～0.2 t/m2之間；D為管外徑3.6 m；L為頂距取304.5 m。

F2＝3.14×3.6×0.15×304.5＝516.31 t。

因此，總推力F=（15.3+516.31）×9.8=5209.8 kN。

后座墻是頂進(jìn)管道時(shí)為千斤頂提供反作用力的一種結(jié)構(gòu)，是頂進(jìn)成敗的關(guān)鍵臨時(shí)結(jié)構(gòu)。在施工中，必須保持穩(wěn)定并留有較大的安全余量，要確保有充分的強(qiáng)度和剛度。為滿足本工程管徑φ3000 mm頂管的要求，后背設(shè)計(jì)為寬3000 mm、高3000 mm、厚100 mm的鋼板內(nèi)澆C30砼結(jié)構(gòu)。后靠背后力分析圖見圖3。

圖3 靠背受力分析圖

后靠背受力計(jì)算：

式中：R為反作用力；a為計(jì)算系數(shù)，取2.0；B為后座墻寬度，取4 m；r為土的容重，取19.306 KN/m3；H為后座墻的高度，取3 m；Kp為被動(dòng)土壓系數(shù)tg2（45°+θ/2），取1.525；C為土的內(nèi)聚力，取10 kPa；h為地面到后座墻頂部土體的高度，取6 m［1］。

經(jīng)計(jì)算，圓形工作井加護(hù)套后能承受6485.04 kN＞5209.8 kN，故工作井結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。

4 施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 設(shè)備選擇

選擇合理的機(jī)械設(shè)備是頂管成敗的關(guān)鍵。針對推頂最大距離304.7 m、地質(zhì)情況等特點(diǎn)選擇NSPD系列泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)（機(jī)頭直徑3.6 m），具有獨(dú)立注水、注漿系統(tǒng)、刀盤清洗裝置。沉降控制精度高、頂進(jìn)速度快、施工可靠性好等特點(diǎn)。主頂系統(tǒng)包括主頂千斤頂、油泵、液壓高壓管路、注漿設(shè)備等。測量儀器采用2“全站儀、高程測量采用DS3”水準(zhǔn)儀［2］。

4.2 頂管頂進(jìn)糾偏

由于本工程頂管距離長、直徑大，特別是1#工作井～2#接收井長達(dá)304.5 m，在管道頂進(jìn)的全部過程中，控制頂管掘進(jìn)機(jī)前進(jìn)的方向并對出現(xiàn)的偏差采取糾偏措施尤為重要。施工中通過糾偏油缸拼裝成的4組油壓液壓千斤頂調(diào)整伸縮控制頂管方向?qū)崿F(xiàn)，根據(jù)本糾偏系統(tǒng)上下左右最大糾偏角度為2.5°的特性，采用小角度（20′內(nèi)）逐漸糾偏。頂進(jìn)糾偏通過減緩頂進(jìn)速度、勤測量、多微調(diào)，并設(shè)置偏差警戒線（最大偏差角度不大于0.5°，最大偏差距離不大于30 mm）等多項(xiàng)措施控制，整個(gè)糾偏過程均由中央控制室操作完成［3］。

4.3 頂管注漿減阻

長距離頂管施工中，降低頂進(jìn)阻力最有效的方法是進(jìn)行注漿。使管周外壁形成泥漿潤滑套，從而降低頂進(jìn)阻力。預(yù)埋管節(jié)總體交錯(cuò)布置注漿孔，具體布置方式為頂管機(jī)后兩節(jié)管節(jié)帶注漿孔（3個(gè)/節(jié)，均勻分布），兩節(jié)管節(jié)不帶注漿孔，以后每隔一節(jié)設(shè)置一個(gè)帶注漿孔的管節(jié)，有利于在管道周圍形成均勻的漿套。減阻泥漿由膨潤土、水、純堿、CMC減阻劑組成，每立方米配置比例為137∶820∶4.8∶3.7。壓漿方式以同步注漿為主，補(bǔ)漿為輔。在頂進(jìn)過程中，每隔200 m增設(shè)壓漿泵以增大壓力，并經(jīng)常檢查各推進(jìn)段的槳液形成情況，確保注漿效果。注漿結(jié)束后應(yīng)對注漿孔進(jìn)行密封。注漿系統(tǒng)見圖4。

圖4 注漿系統(tǒng)圖

4.4 頂管地面沉降控制

頂管施工引起地面沉降最主要的原因是由施工引起的各種地層損失和頂管管道周圍受擾動(dòng)土體的再固結(jié)造成的。特別是本項(xiàng)目穿越高速公路連接快速通道（60 m）對沉降控制尤為關(guān)鍵。過路段共施工4天，實(shí)際土樣為均質(zhì)濕陷性黃土，頂進(jìn)時(shí)控制好泥水壓力保持工作面穩(wěn)定、合理增大減阻泥漿濃度。頂進(jìn)結(jié)束后立即將泥漿置換為水泥砂漿（1∶2）填充、固結(jié)土體，并在施工過程中加強(qiáng)沉降監(jiān)測等措施有效控制地面沉降。

4.5 頂管機(jī)具出洞

頂管機(jī)具準(zhǔn)確出洞是頂管成功的關(guān)鍵。首先，在接收頂管機(jī)時(shí)，為避免引起頂管機(jī)前方土體不規(guī)則坍塌，導(dǎo)致頂管機(jī)出洞前方向失控；需在接收井施工完成后對井周注漿加固，采用水泥漿和水玻璃混合液（注漿比例1∶0.8），最大注漿壓力0.5 MPa，注漿孔距0.8 m。并用低標(biāo)號混凝土砌堵磚封門。其次，在頂進(jìn)過程中為防止因管節(jié)自重、地質(zhì)情況等原因?qū)е缕湓谶_(dá)到接收井時(shí)產(chǎn)生叩頭現(xiàn)象，頂管高程進(jìn)行對應(yīng)調(diào)高5 mm～10 mm以抵消相應(yīng)誤差，并做好測量控制，確保準(zhǔn)確出洞［4］。

5 結(jié)語

安徽淠河水系綜合治理二期項(xiàng)目頂管段經(jīng)完工驗(yàn)收，未發(fā)現(xiàn)地面有明顯沉降，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。實(shí)踐證明，本施工段采用大斷面泥水平衡頂管工藝安全可靠、節(jié)約工期、減少投資，可為整個(gè)水系防洪排澇發(fā)揮積極的社會(huì)效益，為類似施工提供實(shí)踐依據(jù)。