頂管法在長距離管道施工中的應用與分析

伍 豪

（中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510290）

0 引言

在市政基礎建設過程中，因為人員極為密集，同時地面建（構）筑物和各類地下管線較復雜，采用常規(guī)的開槽方案對地下管道進行敷設有了更高難度，為盡可能地規(guī)避正常施工遭受干擾，最恰當的方案是非開挖施工。在各類非開挖施工方法中包括機械頂管法，其具體原理是利用千斤頂產生的頂力，克服管道與周圍土壤的摩阻力，將管道按一定的坡度進行頂入，完成一節(jié)管子后，再頂入下一節(jié)管子，該過程會對主頂油缸以及中繼間所具備的推力加以利用，讓頂管機穿過地下土層，直至到達接收井，再將掘進機吊出，管道隨著頂管機前進，埋設在兩坑之間。

由于長距離管網出現，施工地質條件更復雜，也使管道中具體的頂管施工過程更難，所以，在進行頂管施工時，應對合理方案進行研究，從而保證頂管結構、所選材料、糾偏控制、配套設備、設置以及應用中繼間、優(yōu)化相關測量技術等方面能夠具備應有的質量以及管理水準。

1 頂管施工技術應用實例

1.1 工程概況

自貢市某雨水管道工程，管道沿線主要分布為原始低丘地貌、交通道路、景觀綠化及教學樓等，采用機械頂管施工，全長1050m，管徑DN2000，C50Ⅲ級鋼筋混凝土管節(jié)，每節(jié)長度為3m。

本段地勢總體較平坦，局部存在沖溝、丘坡交錯，丘坡地段坡度約5°～15°，沖溝地段地表較平緩，地基土分布較穩(wěn)定，管道埋深20m范圍內主要土層地質情況如下：1）素填土層，稍密，稍濕，中壓縮性。2）粉質黏土層，可塑，稍濕，黏土為主。3）強風化泥巖層，風化裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖質較軟。4）中風化砂質泥巖層，泥質結構，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較完整。頂管管道大部分位于強風化泥巖、中風化砂質泥巖地層中，部分頂進區(qū)間地層變化較為復雜，地下水較少，多低于管道底部。

1.2 頂管方式選擇

該工程屬于長距離頂管，考慮土層地質情況、施工條件、經濟效益，相應資質頂管機生產廠家提供的設備參數，通過全方位分析，確定采用單刀盤土壓平衡掘進機進行頂管施工。在頂進過程中，利用頂管機前方所擁有的刀盤切削以及土壓艙中的土體，對開挖面所產生的水以及土壓力進行抵抗，使土體穩(wěn)定。通過頂管機的頂進速度與螺旋輸送機的排土量進行控制，使土壓力處于均衡狀態(tài)，減少或抑制地面出現沉降和隆起，頂管施工示意圖如圖1所示。

圖1 頂管施工示意圖

1.3 頂進施工參數計算

通過工藝參數計算，當頂管機的正面阻力和管壁周圍摩擦阻力之和，大于主千斤頂或管接頭的極限壓力，或后背墻的反力所允許的總頂進力時，應采用中繼接力頂進技術，進行分段頂進，讓所有受力面降低到允許頂力范圍內。本次所計算的相關工藝參數為管道總頂力、鋼筋混凝土管接頭能承受的最大頂力及后背墻土體穩(wěn)定性。

式中：D-管道的外徑（m），為2.4m；-管道設計頂進長度（m），為1050m；-管道外壁與土的平均摩阻力（kN/m），取5.0kN/m；N-頂管機的迎面阻力kN。

式中：D-頂管機外徑，為2.46m；y-土的重度（kNm），取24.5kNm；H-覆蓋層厚度（m），取最深位置15.2m。

頂管機的迎面阻力N=πD2γH/4=3.14×2.46×2.46×24.5×15.2/4=1769.1kN；管道總頂力為F=πDLfk+N=3.14×2.4×10 50×5+1769.1=41333.1kN。

式中：F—混凝土管道允許頂力設計值，N；—混凝土材料受壓強度折減系數，取0.9；—偏心受壓強度提高系數，取1.05；—材料脆性系數，取0.85；—混凝土強度標準調整系數，取0.79；Y—頂力分項系數，取1.3；f—混凝土受壓強度設計值（N/mm），為23.1N/mm，A—管道的最小有效傳力面積，mm。

通過計算能夠發(fā)現，F＞F，也就是說，總頂力與管節(jié)傳力面所能承受的最大頂力相比要大，因此需要設置中繼間，其中繼間的設計最大頂力不宜超過鋼筋混凝土管承壓面抗壓能力的70%。

假定主千斤頂上施加的頂力通過后背墻均勻地作用在工作井后的土體中，則需要保證一次頂進后背墻的反力或是土抗力超過總頂力F的1.2倍以上，方可確保頂進過程中后座的安全，反力如公式（5）所示。

式中：-總推力之反力（kN）；-系數，取1.5～2.5，本次取2.0；后座墻寬度，為4m；-土的重度，kN/m，取24.5kN/m；K-被動土壓系數，取2.46；-土的內聚力，kPa，取40kPa；-后背墻頂部至地面的土體高度，為10m；-后背墻高度，為4m。

通過計算能夠發(fā)現，F＞，管道的總頂力比后座反力或土抗力大，需要設置中繼間分段的方式進行頂進工作。

2 頂管工藝流程

根據不同的方法、環(huán)境條件以及設備要求，確定工藝流程有利于保證生產過程質量，指導整個施工任務，便于計劃和組織實施，充分提高工作效率。

本次應用在總結工程實踐經驗的基礎上，對機械頂管施工工藝進行梳理，主要分為施工技術準備、工作井及配套設備的實施、頂管機進洞及管節(jié)頂進過程、完成及檢查驗收等階段。通過梳理組成的工藝流程能夠明確各工序之間的邏輯關系，在施工中配合更加緊密，工作重點更清晰，使機械頂管技術有更高的科學性及合理性，具體流程如圖2所示。

圖2 機械頂管法工藝流程

3 土壓平衡控制管理

在控制開挖面穩(wěn)定方面，應對地層的土質、配套設備的性能、理論出土量以及監(jiān)控量測等方面進行充分考慮，選擇最有效的方式控制土倉內的土壓值。針對管理土壓平衡的相關流程進行梳理，以下為簡捷工藝流程：理論土壓力（通過土的性質，初始控制在0.1MPa）→頂進控制土壓力（調整范圍0.1MPa～0.15MPa）→調整頂進速度或螺旋出土機速度（調整以保持土壓平衡）→試驗頂進（初始控制在20m～30m）→保持土壓平衡→實際與理論出土質量比值（計算出土量）→地表變形監(jiān)測（控制在±10mm）→正常推進。通過分析需要注意以下3點：1）如果不改變螺旋輸送機排土量，則頂進速度與控制土壓力成正比關系，要想有效控制倉室內土壓，須對頂進速度進行調整，使其處于合理范疇。2）如果不改變頂進速度，控制土壓力與螺旋輸送機所排出的土量之間成反比關系，為進一步優(yōu)化控制，可根據地表沉降或隆起情況確定是否增加或減少出土量。3）將土壓力控制在合理范圍內，需要頂進速度和出土量同時變化，一旦提升推進速度，將產生更大的土壓力，螺旋輸送機的出土量須相應增加。

4 注漿減阻控制

4.1 觸變泥漿制作工藝控制

在頂管施工中，控制頂力最重要的是使頂進阻力下降，要達到該目的，最有效的方法是注漿減阻，利用膨潤土，將水以及堿摻入其中，形成觸變泥漿，進而將其注入，為保證流動性正常，摻入緩凝劑和塑化劑。在該工程應用中，在進行數次對比試驗以后，制備了以膨潤土∶燒堿∶CMC∶水=0.2∶0.1∶0.01∶1的配比，具體制造流程如下：攪拌缸就位→加入物料→攪拌（20min～30min）→濃度測試（宜為1.13g/cm3～1.15g/cm3）→靜置水化（24h后）→使用觸變泥漿（使用前再攪拌）。

將物料加至攪拌罐內時，須根據相應順序對膨潤土實施加入，先做完前期工作，再加水，控制攪拌時間，保證制作過程的質量，完成后進行靜置，讓膨潤土能夠充分吸水，同時通過合理的方式進行保護，確保不影響到最終的漿液濃度。

4.2 注漿管理

要想保證注漿減阻施工的質量，需要確定安裝注漿管的具體位置以及間距。本次施工應用對地層特性、減阻效果以及注漿量方面的問題進行了考慮，標準每段設3個注漿孔，分布在管道斷面的頂部與左右側，兩段之間的布設距離為6m，其余于頂管機后端斷面縮小位置及所有中繼間處布設一組注漿孔。

在控制壓力以及注漿時間時，采用的注漿方式主要是同步注漿，輔以補漿，單次注漿時間以3min～5min為宜，考慮到周邊土體的塌落程度、管路所產生的沿程壓力損失以及滲透系數不一致等因素，要想讓各點的注漿壓力不出現太大差距，選擇增設壓漿泵使其注漿飽滿，確實起到潤滑減阻的作用。開始以0.1MPa加至0.2MPa后穩(wěn)壓觀察，過程中以漿液能以較平穩(wěn)的工作壓力連續(xù)注入、不會竄入管道內中、壓力上限處于管道覆土能夠承受范圍內為具體的控制指標。

5 中繼間頂進的應用

在長距離頂管方面，較為關鍵的技術是中繼間接力頂進，由于有了更大的頂進距離，管壁與土體之間的摩擦力也會提升，盡管利用觸變泥漿能夠發(fā)揮出減阻作用，但仍然存在一定的局限性。本次管道工程頂進選擇對中繼間借力頂進技術加以利用，增加一次頂進的距離，減少工作井，降低施工成本。

中繼間設置數量估算公式如下。

式中：-中繼間數量（往上取整數）；D-管道的外徑，為2.4m；f-管道外壁與土的平均摩阻力，kN/m，取5.0kN/m；-管道設計頂進長度，為1050m；—中繼間設計允許頂力，kN，考慮為9000kN。

通過計算在理論情況下，設6個中繼間能滿足要求，但要考慮中繼間頂力富裕量，首個中繼間應在40%以上，另外的則在30%以上。

當頂力達到中繼間設計頂力的60%（因>0.7F所以=0.7F×60%=5235.9kN）時，設置第一個中繼間。

設置位置：根據實際地質部分土質為中風化地層及以往施工經驗，且理論計算與實際有差異，為了不影響頂進，預防機頭前方產生太大定力，首個中繼間于=60m處進行布置。

第二個中繼間應具備超過30%頂力富裕量，當頂力達到中繼間設計頂力的70%（即=0.7×70%=6108.5kN）時設置，位置=+（-）/π=60+115=175m以內。

同理，其他中繼間設置與第二個計算類似，通過整體計算，選擇中繼間設置數量為=10個，所有中繼間共同構成了整個頂進系統，中繼間配備頂力9000kN能夠與之匹配，布置位置處于合理范圍。

按照以上布置方式，進行具體的頂進驗證能夠發(fā)現，第一臺中繼間在頂進過程中，因地質條件變化、減阻效果偏差等原因，實際使用頂力與理論頂力存在較大的差距，但預留的備用頂力能夠滿足最終的頂進要求；第二、第三、第四中繼間所預留的安全頂力與備用頂力實際使用之比偏差不大，后續(xù)中繼間設置也可以滿足頂升任務要求。

6 頂進監(jiān)測控制

6.1 監(jiān)測點位布設

頂進監(jiān)測主要是對頂管沿線原地表進行監(jiān)測，為后續(xù)構建任務提供具體的數據支持，以便及時掌握地層動態(tài)，采取調整土倉壓力、控制出土量、減少和控制地面沉降或隆起的方法，保障道路及周邊建筑物安全。

結合該工程的場地特點，監(jiān)測點采取全面、具體的原則進行布設，能夠全面掌握所監(jiān)測內容的變化情況。橫向以管道軸線向地表兩側進行對稱布置，寬度取=3倍管道外徑，每個斷面共設7個監(jiān)測點，分別為1/7～?？v向從始發(fā)井開始沿管道頂進方向每隔21m布置一個監(jiān)測斷面，個別區(qū)域存在重要建筑物或者道路的監(jiān)測點在橫縱向進行加密布設。

6.2 監(jiān)測成果分析

在頂進軸線上動態(tài)監(jiān)測4/7點處，取得數據后對監(jiān)測結果進行統計：1）頂進到9m位置，軸線上不會出現太大的地表變形，產生的沉降較為輕微。2）頂進到21m位置，位于工作面后方的土體會出現沉降增大，前方土體有隆起現象。3）頂進到42m位置，已經開挖的位置會出現更大沉降，工作面前方位置土體會出現較大的隆起值，判斷為頂管機對前方土體的擠壓作用變大，造成土層的擾動。4）頂進到63m位置，由于沉降時間以及受力改變，因此后方土體大致處于穩(wěn)定的狀態(tài)。

在頂管橫向地表變形進行監(jiān)測時，取軸線上距工作井9m處的斷面進行數據統計：1）當工作面尚未達到9m時，監(jiān)測點存在不小的數據波動，當工作面更深入，前方土地會產生擾動，以至于底層應力出現重新分布的現象，由于擠壓效應的緣故，而出現隆起。2）已經達到9m，全部監(jiān)測點均出現沉降，主要是頂管機在實際工作過程中產生了較大的斷面，在一定程度上影響到土體，使地表出現沉降現象。3）在頂管機通過該斷面時，出現7個監(jiān)測點沉降變形都在增大的現象，主要是機頭在頂進過程中對周圍土體施加一定的力，使四周土體產生了剪切力，進而導致地表出現沉降現象。當機尾經過時，頂管機仍然會對土體施加作用，以至于地面還會有沉降現象。

7 結論

該文通過收集和整理該工程有關的土層地質、現場條件及施工工藝的相關技術資料，分析了頂管法在管道工程施工中具體的應用，使工藝變得更加成熟，啟發(fā)相關施工企業(yè)重視其技術應用，并將其作為管道工程施工的最佳選擇。根據該文的分析得出以下結論：1）在對長距離管道實施中，機械頂管具備不錯的效率，同時勞動強度較低，具備不錯的安全性。2）頂管施工前，對相應的頂進施工參數進行計算，能為后續(xù)施工提供強有力的理論支撐，不斷優(yōu)化施工中的各工序，為后續(xù)類似工程提供參考。3）在進行頂管施工時，對土壓平衡控制技術加以利用，能確保頂進過程有統一的挖方量以及借方量，對地面沉降進行控制，使出現地質事故的概率變得更低。4）在管道進行頂進作業(yè)時，將潤滑泥漿注入管道跟土壁中間，一方面能讓摩擦阻力變小，另一方面提升頂進效率，從而更好地進行軸線控制。5）中繼間接力頂進是長距離頂管的重要技術措施，能夠分段對摩阻力進行克服，以分段的方式朝前方推動管道，讓主千斤頂所產生的頂力得到分散，同時讓所有管道所承受的頂力處于允許范疇中。6）通過對地表變形監(jiān)測和分析，能夠了解頂管施工時地表所產生具體變化，檢測及提早發(fā)現有一定概率出現的地質事故，保障施工安全。7）長距離管道工程中，與傳統明挖施工相比，頂管施工一方面能讓地面所花費的拆除費用下降，另一方面能使工作量變得更少，節(jié)約成本。