大孔徑頂管施工關鍵技術研究

耿志華 牟雨龍 張康榮 楊 榮 王 杰

（中電建路橋集團有限公司，北京 100048）

1 工程概況

該工程位于江門市蓬江區(qū)大林路，線路長2093m。正常段采用管廊基本斷面，過橋段高壓管廊采用機械頂管方式長度為68m，覆土深度4.5m～7.5m。該項目場地地貌類型屬于河口沖淤積平原。沿線場地現(xiàn)多為魚塘、農田，受人為活動影響較大。

2 土壓平衡式頂管施工基本原理

頂管施工通過刀盤對斷面上的土壤進行切削并運到土艙攪拌，使原土壤的流動性和可塑性得性能得到提升，并成為有止水性的彈性土壤。在頂進過程中主頂油缸的推力作用下土艙內土體的壓力上升，當土壓到達一定值時通過螺旋機排出，在推力卸載后，土艙內土壤壓力下降，如果使推進速度與排出土壤量相互匹配，此時土艙內的壓力就能保持在被動土壓力與主動土壓力之間，就能保證開挖斷面土壤保持穩(wěn)定進而完成頂管施工。

3 施工關鍵技術研究

對土壓平衡式頂管施工而言，土壓力的預計設定、頂進力的大小值，以及作業(yè)所需要的觸變泥漿的配置都需要根據(jù)土壤平衡原理進行有效計算與預估，找出關鍵參數(shù)值，同時對頂管施工進行全過程監(jiān)測，為頂進作業(yè)提供施工參考，保證質量。

3.1 頂力估算

對頂管施工的頂進推力進行估算是保證施工是否順利的關鍵技術指標，其估算的結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計以及最大施工距離等。由設計圖紙查得該段管道尺寸為DN3000，頂進長度為68m，頂管控制頂力及鋼筋混凝土管允許頂力10000 kN。通過對總頂力進行估算，判斷該施工段是否需要設置中繼間。頂力計算公式如下。

式中：-總頂力標準值；-管道外徑，由設計圖紙查得3.6m；-頂進距離，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-頂管機的迎面阻力。

頂管機的迎面阻力計算公式如下。

式中：為管道外徑，由設計圖紙查得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)地勘報告查得為7.52m。

由計算結果可知總頂力小于允許頂力，所以不需要設置中繼間。

3.2 土壓力設定

頂進施工中，土倉壓力與掘進土層的主動土壓力P和被動土壓力P存在密切關系，當＜P時，地面會發(fā)生沉降，當>P時，地面會發(fā)生突起。因此在頂進中土倉內的土壓力控制是重點，范圍為P＜＜P。被動土壓力P計算公式如下。

式中：-土的容重，由地勘資料查得19.5 kN/m；-土的內摩擦角，由地勘資料查得14.5°；-地面至頂管機中心高度，由設計圖紙取得7.52 m；-土的內聚力，由地勘資料查得35 kPa。

主動土壓力P計算公式如下。

式中符號取值及意義同上式。

靜止土壓力計算公式如下。

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，所以被動土壓力與主動土壓力變化區(qū)間大，再由于施工的不確定性土倉壓力取靜止土壓力P0±20即kPa～110 kPa，滿足P＜P＜P，即理論上按照90 kPa～110 kPa范圍內控制土倉壓力能滿足施工要求。在實際施工中根據(jù)實際土層變化的情況，覆土埋深情況及反映的監(jiān)測數(shù)據(jù)變化等及時調整。

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外圈，降低頂進中設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為粉質黏土坍塌所引發(fā)的地層流失，進而控制地面下沉。

觸變泥漿的參數(shù)指標能直接影響頂管施工質量，其成分之一的膨潤土由于受各地地質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，說明研究不同密度的膨潤土對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土∶CMC∶純堿=8%∶0.1%∶0.2%進行配置，再原材料之一的膨潤土不同含量進行配置，觀察膨潤土對觸變泥漿性能參數(shù)的影響。膨潤土含量變化試驗見表1。試驗結果如圖1所示。

表1 觸變泥漿配合比試驗（膨潤土含量變化）

圖1 觸變泥漿配合比試驗圖

根據(jù)試驗結果可知，其他原材料占比保持不變情況下，膨潤土占比增大，泥漿的析水率不斷下降，因為泥漿的黏度隨著膨潤土占比變大而變大，泥漿固相占比也越來越大。從圖1可知，當膨潤土占比在8%以上時，對黏度的影響曲線更大，由于膨潤土占比超過一定量后泥漿本身不再具備減阻的特性，不符合試驗要求，所以膨潤土最大占比不應超過8%，又膨潤土占比在6%以上時，泥漿析水率都為0，不再隨膨潤土占比發(fā)生改變，因此根據(jù)試驗結果，膨潤土最佳配比在6%左右。

3.4 注漿量計算

對該工程，頂管段機頭外徑值為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黏土層，實際漿液注入量應取理論注漿量的1.5倍～3倍，即實際注漿量應為5.34m～10.68m。后面管節(jié)補漿視穿越不同的土體以及施加的頂力情況而進行適當調整。補漿間距估算公式如下。

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

即頂進施工中補漿孔應每30m設置一處。注漿孔的布置應合理，該項目根據(jù)實際情況，在每個注漿斷面設置4個注漿孔，沿環(huán)向以45°布置。

3.5 頂管機前進中姿態(tài)控制

頂管機姿態(tài)主要監(jiān)測滾動角、豎直偏角以及水平偏角。使用的儀器主要為經緯儀和水準儀等測量儀器。

在切削艙后面設置兩個控制點，兩點對稱布置，距離固定且位于同一水平線，使用電子水準儀對兩點高程進行測量，通過兩點間的高差就能計算出頂管機的滾動角，進而知道滾動偏差。原理如圖2所示。

圖2 頂管機滾動偏角監(jiān)測示意圖

頂管機滾動圓心角計算公式如下。

式中：H為點的高程；H為點的高程。為與點間的距離。

由上述公式可知當H-H>0時，頂管機發(fā)生逆時針滾動，反之當H-H<0時，頂管機發(fā)生順時針滾動，如果計算出的圓心角度超過1.5°，須通過控制系統(tǒng)對對應方向的偏差進行校正。

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

使用經緯儀測量出頂管機行進中發(fā)生的方向偏差，并通過測量數(shù)據(jù)計算出偏差的方向以及大小。

在頂管機上也安裝有激光導向系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過預先設定的基準點發(fā)射激光到測量板，通過設置好的系統(tǒng)計算出頂管機與設計路線間的偏差值，并將結果反饋到控制室內的監(jiān)控顯示設備上。

頂進施工中通過人工測量與自動測量進行合并分析，能有效提高測量精度。

對滾動偏差，因為切削刀盤正向與反向都能作業(yè)，所以根據(jù)測量數(shù)值判斷出頂管機的滾動偏差角，當角度大于1.5°時進行反向作業(yè)，產生的扭矩能糾正頂管機的滾動偏差。

對豎直與水平方向偏差，通過調整頂管機千斤頂對應方向的頂力進行糾偏。如頂管機下俯，則加大下側方向千斤頂?shù)捻斄?，上仰時同理。頂管機向左發(fā)生方向偏差時，則對應增大左側千斤頂頂力，右偏時同理。

3.6 施工監(jiān)控量測

頂管施工中，其周圍構筑物會不可避免發(fā)生沉降，為確保施工人員及周邊受影響的構筑物的結構安全，對施工進行全過程監(jiān)控量測。

對外部環(huán)境監(jiān)測，按頂管施工斷面影響線范圍布置測點，其中影響線與水平方向夾角為45°，并在影響線外側5m處左右再加設兩處測點，如圖3所示。

圖3 頂管施工監(jiān)測點布置示意圖

頂管施工會引起周圍土壤的擾動導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沉降和土體損失兩個因素組成。在工程施工前，對地表沉降采用Peck公式進行估算。由估算結果對比允許沉降值，如果在范圍內即不需要對土體做加固處理，如果超出范圍則需要對土體采取加固處理。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，和有關計算公式如下。

式中：V-每米的超挖量，按每米出土量的2%計（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：-土層的內摩擦角，由地勘資料查得14.5°。-計算深度處土層與管頂之間最大覆土厚度，由設計圖紙取得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)；-沉降曲線中心線至沉降計算點的水平距離（m）。

估算路面沉降時，其計算結果如下。

由計算結果可知土層最大沉降量為20.6mm，對該項目要求控制在30mm以內，固沉降值滿足要求，不需要對土體進行加固處理。

4 結論

該文依次分析了大孔徑頂管過程需要的幾大關鍵施工技術點位，透過土壤土壓平衡原理，著重分析了頂力估算、土壓力設定、觸變泥漿配合比設定以及后續(xù)帶來的相關沉降問題的估算，得出如下結論：1）雖然該項目頂管內徑大，所處土層土體性質差，但是在施工前，通過計算頂力和土壓力，確定了不需要設置中繼間，確定了土壓力設定參數(shù)。2）對觸變泥漿進行配合比研究確定了原材料之一膨潤土的最佳占比以及通過計算確定了理論注漿量。3）對頂管機姿態(tài)進行測量糾偏并估算地表最大沉降量，保障施工安全。4）在施工中對關鍵點觸變泥漿提出質量控制措施。做到了事前預防，事中干預，提高施工質量，保證了頂管施工的正常作業(yè)。