大口徑頂管穿越淺埋高水位淤泥層河道施工技術(shù)研究

馮新濤FENG Xin-tao

（中鐵十二局集團第一工程有限公司，西安710038）

0 引言

頂管施工作為一種先進的非開挖施工技術(shù)，可在確保地表不被破壞的情況下施做地下管道的敷設(shè)，故頂管技術(shù)在我國城市市政網(wǎng)管施工中逐漸得到推廣和應(yīng)用。但地下工程具有地質(zhì)情況復(fù)雜多變，周邊環(huán)境對施工質(zhì)量及安全的影響因素多，頂管施工涉及多種學(xué)科技術(shù)的綜合運用，如何制定出科學(xué)合理、適用于具體實際情況的頂管方案對施工技術(shù)人員是極大的考驗，本文通過施工實例，介紹了針對各種不利情況下，頂管工藝的選擇及具體措施的運用，期望總結(jié)和積累的經(jīng)驗?zāi)軌蚪o其它項目帶來一些借鑒。

1 工程概況

徐州市彭祖大道快速路-會議中心段項目的污水管網(wǎng)工程大龍湖橋節(jié)點采用“倒虹吸”設(shè)計，水平導(dǎo)向穿越既有大龍湖支流河道，本次實施的水平定向穿越距離為92m，管徑為DN1350；設(shè)計河底標高距離頂進管頂標高最低為2m，地下水水位標高超管道軸線標高5.6m左右。

查閱巖土工程勘察（詳勘），穿越層地質(zhì)為黏土層及含砂姜黏土層。由于經(jīng)年承載河道，河底下部土層淤泥化明顯，土壓承載力較差。砂姜主要粒徑約為0.3～5cm，局部見大于10cm砂姜，含量約15～35%，局部富集成層。對頂進機頭選擇要求較高。

設(shè)計穿越標高為現(xiàn)有河道既有淺埋淤泥層，對于DN1350大口徑管網(wǎng)頂進施工期間對洞門封堵止水、土壓平衡、精度控制、防滲漏等方面面臨巨大考驗。

2 頂管方案設(shè)計

2.1 頂力計算及千斤頂選型

確保順利頂進，并達到精準度控制的要求，需采用足夠的頂力，并有足夠富余值以應(yīng)對可能出現(xiàn)的異常情況而增加頂力的情況出現(xiàn)，確?？焖佟㈨樌瓿身斶M。DN1350管節(jié)頂進總推力的理論計算如下。

①頂管機頭端部泥水壓力按下式計算：

式中：F1為泥水施加于頂管機端面的壓力荷載；D為頂管機結(jié)構(gòu)的外徑；P為泥水施加于頂管機端面的最大壓力值，該值受地下水狀況、土體濕密度及土體摩擦角等有關(guān)，P按頂管機端面距頂面以下2/3處的被動土壓力值。

式中：γ為頂管處土體容重，1.9t/m3；H為管節(jié)上部覆土層高度，取本項目最高值9.0m；φ為土體的內(nèi)摩擦角，取值18°；按最不利頂進工況進行頂進機頭端面土泥壓力的計算，計算得P=17.5t/m2。將數(shù)據(jù)代入，計算得F1=3.14*1.35*1.35/4*17.5=25.0t。

②管壁摩擦阻力計算。

管壁摩擦阻力計算式如下：

式中：L為頂管最大長度，本項目按95m；f為管壁與土體間綜合摩擦系數(shù)，該值受地下水狀況、土體濕密度及土體摩擦角等有關(guān)。根據(jù)地質(zhì)勘察資料及本項目設(shè)計情況，f保守取值為1.0t/m2。計算得F2=402.7t。

③總阻力計算及千斤頂配備。

總阻力F=F1+F2=25+402.7=427.7t。

為了確保頂力足夠，并有富余應(yīng)對特殊情況，千斤頂按70%總頂力不低于計算總阻力進行配備。本工程擬采用2個320T千斤頂施工，2×320×0.7=448t＞427.7t滿足施工要求。因為頂進距離適中，采用的千斤頂總頂力大于理論計算頂力，故不需設(shè)置中繼頂。

④頂進后背承載驗算。后背采用C30混凝土澆筑，承受最大頂為427.7t，C30砼的軸心抗壓強度fc=15N/mm2，千斤頂與后背墻間墊放了一塊尺寸為2m×2m×0.05m的鋼板，則鋼板后背能承受的最大頂力荷載為1500×2×2=6000t，完全能夠滿足施工要求。

2.2 頂進工作井及接收井設(shè)計

頂進工作井、接收井的結(jié)構(gòu)均設(shè)計成矩形，工作井內(nèi)部凈空尺寸為5m×8m，深8.2m，井壁厚40cm，后背墻厚度為1.0m，井壁及后背墻內(nèi)均設(shè)置雙層鋼筋。后背墻與千斤頂間設(shè)2m×2m×0.05m的鋼墊板；接收井內(nèi)部凈空為4m×4m，深8.5m，壁厚40cm，壁內(nèi)也設(shè)置雙層鋼筋網(wǎng)。兩井的池壁、池底及后背墻均采用C30砼澆注。

頂進工作井及接收井采用間距為1.0m的Φ800灌注樁進行基坑圍護，灌注樁外圍采用間距0.6m的Φ850三軸水泥攪拌樁止水。因井底為河床淤泥，采用壓注漿加固，加固厚度為3m。

2.3 頂進洞門及止水裝置設(shè)計

本項目頂進洞門距離地面較深，且位于高水位的淤泥層，頂進進洞時，極易發(fā)生泥土及泥漿從管節(jié)外壁與井壁間的間隙流入工作井內(nèi)，甚至引起洞門處土體坍塌的事故，故需在以上間隙處設(shè)置止水防滲漏裝置，本項目采取的止水防滲漏裝置如圖1所示。

圖1 頂進洞門止水防滲漏裝置結(jié)構(gòu)示意圖

沿頂管頂出的洞門預(yù)埋鋼環(huán)，在鋼環(huán)上鉆設(shè)圓孔，以通過螺栓安裝止水裝置，本項目止水裝置為折頁式，由橡膠簾布、壓緊墊板和扇形鋼板等構(gòu)成，達到止水、防漏漿的效果。

預(yù)埋鋼環(huán)的安裝精度為關(guān)鍵工序，施工時需嚴格按圖紙的設(shè)計位置及要求進行定位和預(yù)埋。

2.4 頂管機選型及工作原理

根據(jù)設(shè)備參數(shù)、以往施工經(jīng)驗、現(xiàn)場土質(zhì)（淤泥含砂姜），選用了集成先進技術(shù)的信息化及智能化的DNP1350泥水平衡頂管機，并精心進行配套設(shè)備和控制儀器、儀表的配置。并于頂管機刀盤上焊接能輕易切削硬巖的滾刀，以確保順利穿過富集砂姜層。

泥水平衡頂管施工原理：頂管機前端的刀盤轉(zhuǎn)動刀削作用下，把砂石破碎，并設(shè)置1根鋼管注入水而形成泥漿，經(jīng)由排漿管排出泥漿，設(shè)置離心器進行泥漿的離心脫水后運棄至棄土場，分離出的水則輸送至儲水箱重復(fù)利用。

3 頂管施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 裝置安裝

3.1.1 導(dǎo)軌安裝

在工作井頂板上設(shè)置安裝導(dǎo)軌的鋼橫梁，精確定位的鋼橫梁與井底的預(yù)埋鐵件焊接牢固，橫梁上鋪設(shè)采用2[36a槽鋼制作的導(dǎo)軌，導(dǎo)軌與橫梁焊接固定，確保導(dǎo)軌穩(wěn)固，并在導(dǎo)軌上涂黃油。

3.1.2 安放千斤頂

后背墻前墊尺寸為2m×2m×0.05m的鋼板。采用2臺320t的千斤頂，千斤頂固定支架采用型鋼制作，為確保頂力的合力線與管道設(shè)計軸線重合，千斤頂著力點對稱、水平布置在管節(jié)同一直徑上。

3.1.3 吊裝頂進機頭及聯(lián)結(jié)管路、儀器

采用50t汽吊將頂管機下緩緩下放至導(dǎo)軌上，將頂管機與首節(jié)管節(jié)連接，安裝完成管路及配置設(shè)備后，進行設(shè)備試運行，以檢測系統(tǒng)的安裝的正確性、匹配性、安全性。

3.2 進洞

頂管進洞是頂管的關(guān)鍵工序，存在事故多發(fā)的現(xiàn)象。

當系統(tǒng)調(diào)試確認無誤后，人工用風鎬將封堵進洞洞門的磚墻約1/2厚度鑿除，再利用頂管機頭的刃口將剩余磚墻頂破后進洞。因本項目采取的洞口止水措施得當，沒有出現(xiàn)洞口間隙的泥水滲漏現(xiàn)象。

3.3 正常頂進過程中蛇行控制

3.3.1 頂進速度控制

對頂進速度的良好控制有利于順利頂進及保證精準度，在開始2～3節(jié)管節(jié)頂進及機頭出洞時，速度宜放緩，穩(wěn)打穩(wěn)扎。頂進正常后，宜將頂進速度逐漸提高至合適值后，保持恒定速度，避免過大波動。并同時使切口水壓也保持穩(wěn)定，泥水的排、注暢通穩(wěn)定。

根據(jù)實際施工經(jīng)驗，正常頂進條件下，頂進速度設(shè)定為2.5～3.5cm/min為宜；如正面遇到障礙物或地基加固土，頂進速度控制在1cm/min內(nèi)。在穿越大龍湖支流河床下時，將頂進速度放緩，同時嚴格控制注漿壓力，避免注漿壓力過大而貫通河床。

頂進施工時，需確保潤滑泥漿的工作系統(tǒng)運行良好、穩(wěn)定，且每個管節(jié)注入的潤滑泥漿注數(shù)量與頂進速度相匹配。

3.3.2 頂進方向及姿態(tài)控制

因地下水位較高，頂管處為地基承載能力差的河床淤積的黏土層，雖然采取攪拌樁對進洞洞門處的土體進行了加固，但為了確實保證機頭頂進后不會栽頭，而采取機頭方向穩(wěn)固措施，即在機頭進洞頂進時，設(shè)置拉桿將機頭與后續(xù)5節(jié)管節(jié)拉緊固定形成整體，同時，每隔1m設(shè)置1道手拉葫蘆將上述形成整體的機頭和管節(jié)拉緊，使機頭緊貼導(dǎo)軌頂面的設(shè)計方向順利頂進。

由于在頂進過程中對土體的擾動，使土體和頂管機的周邊握裹力減弱，為了避免糾偏過大，產(chǎn)生蛇行。加強潤滑泥漿壓注的科學(xué)管理，確保注漿和頂進的同步性，使?jié){液能及時填充到頂進出現(xiàn)的空隙。

為了避免觸變泥漿的注入工藝不佳，管節(jié)周邊各部位不均勻且頻率變化，造成漿液不能形成穩(wěn)定有效箍套，使管節(jié)頂進產(chǎn)生蛇行。或是觸變泥漿在管節(jié)底部積聚過多，導(dǎo)致管節(jié)上浮。故注漿需按“全長、均勻、適量”的原則進行，避免局部不足或超壓超量而不能形成均勻、穩(wěn)定箍套的現(xiàn)象。

河道淺埋層淤泥壓力不夠，極易造成穿越過程中漂管，故全程設(shè)置四個點同時監(jiān)測壓力情況，制作頂進曲線與壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)；根據(jù)土壓變化情況實時調(diào)速頂進壓力和頂進速度；并采取進洞段上方壓石的外部控制措施。

3.4 糾偏、數(shù)據(jù)傳輸

在頂管機后段之間設(shè)置糾偏千斤頂，在圓周上均勻設(shè)置了4個。調(diào)整頂進方向是依靠糾偏千斤頂?shù)慕M合動作而完成。如出現(xiàn)激光點與測量靶中心不重合，說明頂管方向偏移設(shè)計軸線，需啟動千斤頂進行糾偏。在地面設(shè)置頂進遠程控制室，頂進數(shù)據(jù)傳輸至遠程控制臺?？刂婆_發(fā)出指令，進行頂進的遠程控制。糾編千斤頂及頂管控制柜實況見圖2。

圖2 糾編千斤頂設(shè)置及頂管控制柜

為了確保頂進軸線偏差能夠持續(xù)控制在允許范圍內(nèi)，根據(jù)頂管機控制臺上顯示偏差的激光點位置而及時運用糾偏油缸調(diào)整軸線，糾偏操作嚴格按規(guī)程要求實施，每次糾編控制在1°以內(nèi)，以10′～20′為宜，以避免機糾偏幅度過大導(dǎo)致出現(xiàn)頂進困難、管節(jié)破裂等問題。

糾偏量的控制是通過安放在糾偏千斤頂上的位移傳感器來實現(xiàn)。頂管機的狀態(tài)（水平傾斜、扭轉(zhuǎn)）由安放在機頭的角度傾斜儀來體現(xiàn)。

3.5 觸變泥漿的應(yīng)用

由頂進阻力計算公式可得知，頂進阻力與頂進長度成正比，阻力過大時降低頂進效率，甚至阻力過大而無法頂進。故需采取措施降低管節(jié)外側(cè)的頂進阻力。本項目采取壓注觸變泥漿至管節(jié)外側(cè)降低阻力的方法。

在每節(jié)管節(jié)的頂進前端均勻布設(shè)3個觸變泥漿注漿孔，將嚴格按配合比拌制的觸變泥漿持續(xù)通過注漿孔壓入管節(jié)外側(cè)，在頂管的外側(cè)形成減阻的泥漿套。頂管注漿示意如圖3所示。

圖3 頂管注漿示意圖

3.6 洞內(nèi)照明

為了確保用電安全，分別獨立設(shè)置管內(nèi)照明的電源與頂進設(shè)備的電源控制系統(tǒng)。

本項目管內(nèi)照明電壓為安全低壓（24V），如果管道內(nèi)嚴重潮濕時，則采用更低的6V電源，管道內(nèi)照明燈具以可清晰看清四周環(huán)境為宜。本項目管內(nèi)照明設(shè)置如圖4所示。

圖4 管道內(nèi)照明設(shè)置示意圖

4 結(jié)語

本項目的頂管施工按預(yù)定目標順利完成，施工時及完成后的精度監(jiān)控量測結(jié)果表明，頂管線型控制良好，管節(jié)軸線偏差非常小。沒有出現(xiàn)泥水滲漏、地面深陷及管節(jié)漂浮等問題。證明頂管方案的設(shè)計及施工方法科學(xué)合理。