大孔徑頂管施工關(guān)鍵技術(shù)研究

耿志華 牟雨龍 張康榮 楊 榮 王 杰

（中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100048）

1 工程概況

該工程位于江門(mén)市蓬江區(qū)大林路，線(xiàn)路長(zhǎng)2093m。正常段采用管廊基本斷面，過(guò)橋段高壓管廊采用機(jī)械頂管方式長(zhǎng)度為68m，覆土深度4.5m～7.5m。該項(xiàng)目場(chǎng)地地貌類(lèi)型屬于河口沖淤積平原。沿線(xiàn)場(chǎng)地現(xiàn)多為魚(yú)塘、農(nóng)田，受人為活動(dòng)影響較大。

2 土壓平衡式頂管施工基本原理

頂管施工通過(guò)刀盤(pán)對(duì)斷面上的土壤進(jìn)行切削并運(yùn)到土艙攪拌，使原土壤的流動(dòng)性和可塑性得性能得到提升，并成為有止水性的彈性土壤。在頂進(jìn)過(guò)程中主頂油缸的推力作用下土艙內(nèi)土體的壓力上升，當(dāng)土壓到達(dá)一定值時(shí)通過(guò)螺旋機(jī)排出，在推力卸載后，土艙內(nèi)土壤壓力下降，如果使推進(jìn)速度與排出土壤量相互匹配，此時(shí)土艙內(nèi)的壓力就能保持在被動(dòng)土壓力與主動(dòng)土壓力之間，就能保證開(kāi)挖斷面土壤保持穩(wěn)定進(jìn)而完成頂管施工。

3 施工關(guān)鍵技術(shù)研究

對(duì)土壓平衡式頂管施工而言，土壓力的預(yù)計(jì)設(shè)定、頂進(jìn)力的大小值，以及作業(yè)所需要的觸變泥漿的配置都需要根據(jù)土壤平衡原理進(jìn)行有效計(jì)算與預(yù)估，找出關(guān)鍵參數(shù)值，同時(shí)對(duì)頂管施工進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)測(cè)，為頂進(jìn)作業(yè)提供施工參考，保證質(zhì)量。

3.1 頂力估算

對(duì)頂管施工的頂進(jìn)推力進(jìn)行估算是保證施工是否順利的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，其估算的結(jié)果將作為液壓千斤頂系統(tǒng)的選擇、后靠背材料選擇和尺寸設(shè)計(jì)以及最大施工距離等。由設(shè)計(jì)圖紙查得該段管道尺寸為DN3000，頂進(jìn)長(zhǎng)度為68m，頂管控制頂力及鋼筋混凝土管允許頂力10000 kN。通過(guò)對(duì)總頂力進(jìn)行估算，判斷該施工段是否需要設(shè)置中繼間。頂力計(jì)算公式如下。

式中：-總頂力標(biāo)準(zhǔn)值；-管道外徑，由設(shè)計(jì)圖紙查得3.6m；-頂進(jìn)距離，68m；f-管道外壁與土的平均摩阻力，由地勘資料查得土層為黏性土固取值為5 kN/m；N-頂管機(jī)的迎面阻力。

頂管機(jī)的迎面阻力計(jì)算公式如下。

式中：為管道外徑，由設(shè)計(jì)圖紙查得3.6m；γ為土的容重，根據(jù)地勘資料查得18 kN/m3；H為覆土厚度，根據(jù)地勘報(bào)告查得為7.52m。

由計(jì)算結(jié)果可知總頂力小于允許頂力，所以不需要設(shè)置中繼間。

3.2 土壓力設(shè)定

頂進(jìn)施工中，土倉(cāng)壓力與掘進(jìn)土層的主動(dòng)土壓力P和被動(dòng)土壓力P存在密切關(guān)系，當(dāng)＜P時(shí)，地面會(huì)發(fā)生沉降，當(dāng)>P時(shí)，地面會(huì)發(fā)生突起。因此在頂進(jìn)中土倉(cāng)內(nèi)的土壓力控制是重點(diǎn)，范圍為P＜＜P。被動(dòng)土壓力P計(jì)算公式如下。

式中：-土的容重，由地勘資料查得19.5 kN/m；-土的內(nèi)摩擦角，由地勘資料查得14.5°；-地面至頂管機(jī)中心高度，由設(shè)計(jì)圖紙取得7.52 m；-土的內(nèi)聚力，由地勘資料查得35 kPa。

主動(dòng)土壓力P計(jì)算公式如下。

式中符號(hào)取值及意義同上式。

靜止土壓力計(jì)算公式如下。

式中：、取值及意義同上式；-靜止土壓系數(shù)，由地勘資料查得0.75。

=0.75×19.5×7.52=110kPa

由地勘資料知施工段土層均為黏性土，所以被動(dòng)土壓力與主動(dòng)土壓力變化區(qū)間大，再由于施工的不確定性土倉(cāng)壓力取靜止土壓力P0±20即kPa～110 kPa，滿(mǎn)足P＜P＜P，即理論上按照90 kPa～110 kPa范圍內(nèi)控制土倉(cāng)壓力能滿(mǎn)足施工要求。在實(shí)際施工中根據(jù)實(shí)際土層變化的情況，覆土埋深情況及反映的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化等及時(shí)調(diào)整。

3.3 觸變泥漿配合比研究

注入的觸變泥漿可以包裹住頂管機(jī)外圈，降低頂進(jìn)中設(shè)備與土體間的摩阻力。泥漿圈具備的支撐力，還能夠有效地減少因?yàn)榉圪|(zhì)黏土坍塌所引發(fā)的地層流失，進(jìn)而控制地面下沉。

觸變泥漿的參數(shù)指標(biāo)能直接影響頂管施工質(zhì)量，其成分之一的膨潤(rùn)土由于受各地地質(zhì)條件以及溫度氣候等方面的影響，因此其不同地區(qū)的性能有明顯差異，說(shuō)明研究不同密度的膨潤(rùn)土對(duì)觸變泥漿的性能影響是有必要的。先按不添加外摻擠初始比例為膨潤(rùn)土∶CMC∶純堿=8%∶0.1%∶0.2%進(jìn)行配置，再原材料之一的膨潤(rùn)土不同含量進(jìn)行配置，觀察膨潤(rùn)土對(duì)觸變泥漿性能參數(shù)的影響。膨潤(rùn)土含量變化試驗(yàn)見(jiàn)表1。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

表1 觸變泥漿配合比試驗(yàn)（膨潤(rùn)土含量變化）

圖1 觸變泥漿配合比試驗(yàn)圖

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，其他原材料占比保持不變情況下，膨潤(rùn)土占比增大，泥漿的析水率不斷下降，因?yàn)槟酀{的黏度隨著膨潤(rùn)土占比變大而變大，泥漿固相占比也越來(lái)越大。從圖1可知，當(dāng)膨潤(rùn)土占比在8%以上時(shí)，對(duì)黏度的影響曲線(xiàn)更大，由于膨潤(rùn)土占比超過(guò)一定量后泥漿本身不再具備減阻的特性，不符合試驗(yàn)要求，所以膨潤(rùn)土最大占比不應(yīng)超過(guò)8%，又膨潤(rùn)土占比在6%以上時(shí)，泥漿析水率都為0，不再隨膨潤(rùn)土占比發(fā)生改變，因此根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，膨潤(rùn)土最佳配比在6%左右。

3.4 注漿量計(jì)算

對(duì)該工程，頂管段機(jī)頭外徑值為3650mm，鋼筋混凝土管外徑為3600mm，單邊空隙25mm，一節(jié)管節(jié)長(zhǎng)度值為2.5m。理論注漿量公式如下。

式中：-理論注漿量（m）；-單節(jié)管節(jié)長(zhǎng)度，取2.5m；-混凝土管中心至空隙邊緣半徑，取1.825m；-混凝土管半徑，取1.8m。

由地勘資料知頂管施工位置主要位于淤泥質(zhì)黏土層，實(shí)際漿液注入量應(yīng)取理論注漿量的1.5倍～3倍，即實(shí)際注漿量應(yīng)為5.34m～10.68m。后面管節(jié)補(bǔ)漿視穿越不同的土體以及施加的頂力情況而進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。補(bǔ)漿間距估算公式如下。

式中：為補(bǔ)漿孔間距（m）；為每天平均頂進(jìn)速度，該項(xiàng)目取5 m/d；為減阻泥漿失效期，取6 d。

即頂進(jìn)施工中補(bǔ)漿孔應(yīng)每30m設(shè)置一處。注漿孔的布置應(yīng)合理，該項(xiàng)目根據(jù)實(shí)際情況，在每個(gè)注漿斷面設(shè)置4個(gè)注漿孔，沿環(huán)向以45°布置。

3.5 頂管機(jī)前進(jìn)中姿態(tài)控制

頂管機(jī)姿態(tài)主要監(jiān)測(cè)滾動(dòng)角、豎直偏角以及水平偏角。使用的儀器主要為經(jīng)緯儀和水準(zhǔn)儀等測(cè)量?jī)x器。

在切削艙后面設(shè)置兩個(gè)控制點(diǎn)，兩點(diǎn)對(duì)稱(chēng)布置，距離固定且位于同一水平線(xiàn)，使用電子水準(zhǔn)儀對(duì)兩點(diǎn)高程進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)兩點(diǎn)間的高差就能計(jì)算出頂管機(jī)的滾動(dòng)角，進(jìn)而知道滾動(dòng)偏差。原理如圖2所示。

圖2 頂管機(jī)滾動(dòng)偏角監(jiān)測(cè)示意圖

頂管機(jī)滾動(dòng)圓心角計(jì)算公式如下。

式中：H為點(diǎn)的高程；H為點(diǎn)的高程。為與點(diǎn)間的距離。

由上述公式可知當(dāng)H-H>0時(shí)，頂管機(jī)發(fā)生逆時(shí)針滾動(dòng)，反之當(dāng)H-H<0時(shí)，頂管機(jī)發(fā)生順時(shí)針滾動(dòng)，如果計(jì)算出的圓心角度超過(guò)1.5°，須通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)對(duì)應(yīng)方向的偏差進(jìn)行校正。

使用電子水準(zhǔn)儀測(cè)量頂管機(jī)機(jī)頭位置發(fā)生的豎向高程變化，可判斷出其呈上仰或是下附狀態(tài)，并計(jì)算出具體數(shù)值。

使用經(jīng)緯儀測(cè)量出頂管機(jī)行進(jìn)中發(fā)生的方向偏差，并通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算出偏差的方向以及大小。

在頂管機(jī)上也安裝有激光導(dǎo)向系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)點(diǎn)發(fā)射激光到測(cè)量板，通過(guò)設(shè)置好的系統(tǒng)計(jì)算出頂管機(jī)與設(shè)計(jì)路線(xiàn)間的偏差值，并將結(jié)果反饋到控制室內(nèi)的監(jiān)控顯示設(shè)備上。

頂進(jìn)施工中通過(guò)人工測(cè)量與自動(dòng)測(cè)量進(jìn)行合并分析，能有效提高測(cè)量精度。

對(duì)滾動(dòng)偏差，因?yàn)榍邢鞯侗P(pán)正向與反向都能作業(yè)，所以根據(jù)測(cè)量數(shù)值判斷出頂管機(jī)的滾動(dòng)偏差角，當(dāng)角度大于1.5°時(shí)進(jìn)行反向作業(yè)，產(chǎn)生的扭矩能糾正頂管機(jī)的滾動(dòng)偏差。

對(duì)豎直與水平方向偏差，通過(guò)調(diào)整頂管機(jī)千斤頂對(duì)應(yīng)方向的頂力進(jìn)行糾偏。如頂管機(jī)下俯，則加大下側(cè)方向千斤頂?shù)捻斄?，上仰時(shí)同理。頂管機(jī)向左發(fā)生方向偏差時(shí)，則對(duì)應(yīng)增大左側(cè)千斤頂頂力，右偏時(shí)同理。

3.6 施工監(jiān)控量測(cè)

頂管施工中，其周?chē)鷺?gòu)筑物會(huì)不可避免發(fā)生沉降，為確保施工人員及周邊受影響的構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)安全，對(duì)施工進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)控量測(cè)。

對(duì)外部環(huán)境監(jiān)測(cè)，按頂管施工斷面影響線(xiàn)范圍布置測(cè)點(diǎn)，其中影響線(xiàn)與水平方向夾角為45°，并在影響線(xiàn)外側(cè)5m處左右再加設(shè)兩處測(cè)點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 頂管施工監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

頂管施工會(huì)引起周?chē)寥赖臄_動(dòng)導(dǎo)致土層黏聚力減弱從而發(fā)生下陷，其下陷程度能由地表沉降量直觀展現(xiàn)。影響沉降的因素主要由固結(jié)沉降和土體損失兩個(gè)因素組成。在工程施工前，對(duì)地表沉降采用Peck公式進(jìn)行估算。由估算結(jié)果對(duì)比允許沉降值，如果在范圍內(nèi)即不需要對(duì)土體做加固處理，如果超出范圍則需要對(duì)土體采取加固處理。地表沉降估算公式與土層的最大沉降量和地面沉降槽寬度系數(shù)有關(guān)，和有關(guān)計(jì)算公式如下。

式中：V-每米的超挖量，按每米出土量的2%計(jì)（m）。

式中：V意義同上式；-管道每米出土量，m；-管道直徑，取3.6m。

式中：-土層的內(nèi)摩擦角，由地勘資料查得14.5°。-計(jì)算深度處土層與管頂之間最大覆土厚度，由設(shè)計(jì)圖紙取得7.52m。

由以上公式表示出地表沉降估算公式如下。

式中：-計(jì)算深度處土層的最大沉降量（mm）；-地面沉降槽寬度系數(shù)；-沉降曲線(xiàn)中心線(xiàn)至沉降計(jì)算點(diǎn)的水平距離（m）。

估算路面沉降時(shí)，其計(jì)算結(jié)果如下。

由計(jì)算結(jié)果可知土層最大沉降量為20.6mm，對(duì)該項(xiàng)目要求控制在30mm以?xún)?nèi)，固沉降值滿(mǎn)足要求，不需要對(duì)土體進(jìn)行加固處理。

4 結(jié)論

該文依次分析了大孔徑頂管過(guò)程需要的幾大關(guān)鍵施工技術(shù)點(diǎn)位，透過(guò)土壤土壓平衡原理，著重分析了頂力估算、土壓力設(shè)定、觸變泥漿配合比設(shè)定以及后續(xù)帶來(lái)的相關(guān)沉降問(wèn)題的估算，得出如下結(jié)論：1）雖然該項(xiàng)目頂管內(nèi)徑大，所處土層土體性質(zhì)差，但是在施工前，通過(guò)計(jì)算頂力和土壓力，確定了不需要設(shè)置中繼間，確定了土壓力設(shè)定參數(shù)。2）對(duì)觸變泥漿進(jìn)行配合比研究確定了原材料之一膨潤(rùn)土的最佳占比以及通過(guò)計(jì)算確定了理論注漿量。3）對(duì)頂管機(jī)姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量糾偏并估算地表最大沉降量，保障施工安全。4）在施工中對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)觸變泥漿提出質(zhì)量控制措施。做到了事前預(yù)防，事中干預(yù)，提高施工質(zhì)量，保證了頂管施工的正常作業(yè)。