大型輸水工程中土壓平衡頂管施工技術(shù)分析

李 濤

(新疆伊犁河水利水電投資開發(fā)(集團)公司，新疆 烏魯木齊 830000)

大型輸水工程中的輸水管道直徑較大，如果采用明挖法會造成較大的土方作業(yè)量，由挖方所形成的基坑也會產(chǎn)生潛在的安全隱患。土壓平衡頂管施工技術(shù)屬于典型的暗挖法，其優(yōu)點是無需開挖地面，對建筑物、公路、鐵路等既有設(shè)施的影響非常小。在工程應(yīng)用中要掌握這種施工技術(shù)的要點，尤其是頂進過程控制，包括泥土倉內(nèi)壓力控制、導(dǎo)向、糾偏、排泥等。掌握土壓平衡頂管施工的技術(shù)要點有助于提高工程質(zhì)量、控制安全風險。結(jié)合工程實踐和相關(guān)的理論研究，發(fā)現(xiàn)工作井設(shè)計、頂進過程控制對施工質(zhì)量的影響較為突出，作業(yè)過程中對管道敷設(shè)的方向具有嚴格的要求，頂進時需精準導(dǎo)向。安全管理中關(guān)鍵是控制土壓力，避免塌陷或者隆起，泥漿應(yīng)用及排土對土壓控制影響較大。當前需加大對這些重要施工因素的研究力度，突出施工控制的要點。

1 工程概況

某大型輸水工程需穿越清伊高速公路(新疆伊犁哈薩克自治州霍城縣蘭干鄉(xiāng)境內(nèi)路段)，輸水管線與高速公路的交叉點處存在4條并行線路，分別為鄉(xiāng)道、清伊高速公路、G218國道、Z778專線。該輸水工程需鋪設(shè)3排DN2400的鋼筋混凝土管道，其水平間距為5m，單條輸水管線的長度為110m，3條管線總計330m。

輸水管道敷設(shè)在地下，可采用明挖法或者暗挖法，該項目為了不影響正在使用的公路、鐵路、國道，決定采用暗挖法，對比多種暗挖施工工藝后，最終選用土壓平衡頂管施工法，頂進長度為3條管線長度之和。

2 土壓平衡施工的前期技術(shù)準備

2.1 地質(zhì)勘察

地質(zhì)勘察為施工技術(shù)選型、安全隱患預(yù)防、工程造價評估、工藝參數(shù)設(shè)計提供了重要的判斷依據(jù)，項目工程地質(zhì)勘察結(jié)果顯示：該段地層巖性為第四系上更新統(tǒng)沖洪積低液限粉土，含水率為2.2%～26.2%，土層穩(wěn)定性較好。地下水埋深大于50m，對頂管施工幾乎無干擾。管道上方的覆土厚度3～11m，對地面交通設(shè)施不會造成明顯的影響。

2.2 工藝參數(shù)計算

2.2.1土壓力計算

土壓平衡頂管施工技術(shù)通過控制土壓力來防止頂進過程中出現(xiàn)地面塌陷或者隆起的現(xiàn)象，這一過程稱之為土壓平衡。頂管機所處土層的主動土壓力記為Pa，被動土壓力記為Pp，頂管機土倉內(nèi)的控制土壓力記為P，實現(xiàn)土壓平衡的條件是Pa

Pa=γh·tgn2(45°-φ/2)-2C·tgn(45°-φ/2)

(1)

Pp=γh·tgn2(45°+φ/2)+2C·tgn(45°+φ/2)

(2)

P=k0·P0=k0·γ·h

(3)

2.2.2頂力計算

足夠的頂力是實施頂管施工的基本前提，也是頂管機選型的主要依據(jù)。管道在頂進過程中受到迎面土層的阻力和四周土體對管壁所產(chǎn)生的摩擦力，頂力需大于阻力和摩擦力之，計算方法為式(4)。其中Fp為頂進阻力，D1為管道外徑，L是管道的計算頂進長度，管道外徑與土的單位面積摩擦阻力用fk表示，NF是頂進機受到的迎面阻力，代入項目中的實際參數(shù)，計算出總頂進阻力為5076kN。

Fp=π·D1·L·fk+NF

(4)

3 土壓平衡頂管施工關(guān)鍵工序的技術(shù)要點

3.1 工作井及配套設(shè)施建設(shè)

3.1.1工作井設(shè)計與施工

工作井是土壓平衡頂管施工的始發(fā)點，也是頂管機進入作業(yè)面的基礎(chǔ)條件，工作井需滿足多種要求。①足夠的設(shè)備安裝空間。工作井內(nèi)要足以容納后背墻、軌道、頂管機、千斤頂、排泥管道、液壓站、頂鐵、輸水管道。該項目中設(shè)計了一座工作井，其尺寸為22.8m×7m×8.14m；②足夠的結(jié)構(gòu)強度。工作井屬于典型的深基坑，為達到足夠的結(jié)構(gòu)強度，應(yīng)科學設(shè)計基坑四周的維護結(jié)構(gòu)以及基坑底板。該項目中將四周護壁設(shè)計成厚度為0.5m的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，利用混凝土的優(yōu)異承載能力提高基坑的安全性。

工作井施工管理階段的重點是控制好深基坑的邊坡，項目中采用掛網(wǎng)和錨噴支護的邊坡加固方案，噴射C15混凝土[3]。另外，由于護壁、基底等均為大體積混凝土結(jié)構(gòu)，在施工時要控制其澆筑溫度，防止出現(xiàn)結(jié)構(gòu)開裂?？稍诨炷两Y(jié)構(gòu)內(nèi)部預(yù)置溫度監(jiān)控傳感器以及冷水降溫管路。

3.1.2后背墻設(shè)計及施工

后背墻集成了液壓站和主千斤頂，其作用是為頂管施工提供反作用力，工藝參數(shù)中的頂力計算對千斤頂設(shè)計提供了理論依據(jù)，千斤頂?shù)捻斄Ψ逯狄笥陧椖克枳畲箜斄?。在頂進作業(yè)中，由液壓站驅(qū)動主千斤頂，向頂鐵施加推力，頂鐵再將推力傳遞到管道和掘進機械上，隨著頂進距離的增加，后背墻上承受的載荷會逐步升高。因此，在建造后背墻之前要提前計算出最大反力R，確保后背墻的剛度、穩(wěn)定性以及強度滿足頂進作業(yè)的要求，避免其在施工過程中出現(xiàn)彈性變形或者滑移。該項目中將后背墻的尺寸設(shè)計為高5m、寬5m、厚度不低于0.5m。后背墻背靠護壁，施工方法為鋼筋混凝土現(xiàn)場澆筑，在澆筑之前將主千斤頂、液壓站、預(yù)埋管線設(shè)置在預(yù)定位置上。設(shè)計關(guān)鍵是計算出后背墻所能提供的最大反力R，要求R達到總阻力的1.2～1.6倍[4]。最大反力R的計算方法如式(5)，其中R為總推力的反力，α是反力R對總阻力的倍數(shù)，B和H分別為后背墻的寬度和高度，Kp代表被動土的壓力系數(shù)，c代表土的內(nèi)聚力，γ為土的容重，h是后背墻頂部土體到地面的距離。

(5)

3.1.3軌道安裝

導(dǎo)軌的作用包括兩個方面，其一是為頂管機安裝提供穩(wěn)固的平臺，因為頂管機體積和質(zhì)量都較大，難以實現(xiàn)整機吊裝，因而在工程實踐中多采用分體吊裝、作業(yè)平臺組裝的安裝方式。導(dǎo)軌是組裝頂管機的平臺。其二是為頂管機提供導(dǎo)向作用，頂管機在導(dǎo)軌的導(dǎo)向作用下始發(fā)。因此，設(shè)計和建造導(dǎo)軌時要求其達到足夠的承載力和穩(wěn)定性。導(dǎo)軌的施工材料包括型鋼和厚鋼板，以焊接的方式將工字鋼和鋼板連接成特定的軌道結(jié)構(gòu)。導(dǎo)軌安裝的質(zhì)量與頂面高程、軸線位置、軌道內(nèi)距等密切相關(guān)，施工單位要嚴格控制安裝精度。例如，頂面高程誤差要求控制在±3mm之內(nèi)。另外，頂管機、管道、頂鐵等產(chǎn)生的載荷會通過導(dǎo)軌傳遞到基坑底板結(jié)構(gòu)上，如果底板的承載力不夠，導(dǎo)軌的穩(wěn)定性也會受到影響，甚至會出現(xiàn)導(dǎo)軌沉降的現(xiàn)象。

3.2 頂進過程控制

3.2.1科學設(shè)計頂進工序

按照從前到后的順序，作業(yè)面上最靠前的設(shè)備是頂管機，其作用是利用刀盤破碎巖土層，同時將破碎的巖土體排出，頂管機后緊跟著管道、環(huán)形頂鐵、U型頂鐵。主千斤頂?shù)捻斄χ苯幼饔迷赨型頂鐵上。環(huán)形頂鐵的作用是保護混凝土管口，主千斤頂不可直接作用在管口上，否則有可能導(dǎo)致管口破裂。環(huán)形頂鐵與管口緊密貼合，將作用力均勻地分散在管口上，起到保護管口的作用。U型頂鐵類似于一個開口的環(huán)裝管段，具有一定的長度，千斤頂直接向U形頂鐵施加作用力，實現(xiàn)頂管。當一個U型頂鐵向前移動，并超過千斤頂?shù)淖饔梅秶?，利用吊裝機械重新放置一個U型頂鐵，于是頂管便不斷前進。完成一節(jié)混凝土管道的頂進之后，將數(shù)量不定的U形頂鐵和一個環(huán)形頂鐵依次吊裝拆除，再吊裝下放新的混凝土管道，然后重復(fù)上述頂進程序。管道前端設(shè)計了密封圈接口，管道后端設(shè)計了鋼套環(huán)，在頂力作用下，密封圈被推進鋼套環(huán)，實現(xiàn)管道之間的連接。

3.2.2頂進過程的土壓力控制

泥土倉內(nèi)的控制土壓力始終要處于主動土壓力和被動土壓力之間。當控制土壓力大于被動土壓力和地下水壓力之和時，地面就會出現(xiàn)隆起，造成這一問題的常見原因是頂管機推進速度過快，排土能力不能及時跟進。反之，當控制土壓力小于主動土壓力和地下水壓力之和時，土就涌向頂管機的泥土倉，造成地面塌陷，這一問題的常見原因是推進速度過慢，實際排土量超過理論排土量。由此可見，控制頂管機泥土倉內(nèi)的土壓力是預(yù)防地面下沉或者隆起的關(guān)鍵。由于作業(yè)線路上的地質(zhì)結(jié)構(gòu)并不完全相同，實際的土壓力在不斷地變化。因而頂管機要根據(jù)主動土壓力、被動土壓力以及地下水壓力的變化來實時調(diào)節(jié)泥土倉內(nèi)的控制土壓力。該項目幾乎不受地下水壓力的影響，只需考慮主被動土壓力。在頂管機的泥土隔倉板上安裝了專門的土壓表，其作用是實時測量泥土倉外的土壓力，系統(tǒng)獲得相關(guān)數(shù)據(jù)后調(diào)節(jié)頂進速度和排土速度，從而實現(xiàn)土壓平衡[6]。

3.2.3頂進過程排泥控制

刀盤切削下來的泥土要持續(xù)排出泥土倉，頂管機內(nèi)設(shè)置有螺旋輸送機，將切削下來的泥土源源不斷地輸送到料斗內(nèi)，料斗通過管道與輸送泵連接，由輸送泵產(chǎn)生動力，將膏狀的泥土從料斗內(nèi)吸走，再通過提升泵接力，最終將泥土排到地面上的收集點。為了防止膏狀泥土在管道內(nèi)形成堵塞，輸送過程中同步向排泥管道內(nèi)注入泡沫狀的潤滑劑，以降低摩擦阻力。排泥控制對維持土壓平衡具有重要的作用，當泥土倉內(nèi)壓力過大時，螺旋輸送機轉(zhuǎn)速提高，排泥速度同步提升。當泥土倉內(nèi)壓力過低時，螺旋輸送機轉(zhuǎn)速下降，排泥速度同步下降。在精確地控制下始終維持土壓平衡，防止地面塌陷或者隆起。

3.3 頂進作業(yè)中的漿液配置及應(yīng)用

頂進過程中使用的漿液用于促進掘進、排泥，合理運用泥漿、土體改良液有助于土壓平衡控制。

3.3.1泥漿的應(yīng)用方法

第一，泥漿的作用。頂管機通過刀盤切削正面的巖土體，將其破碎后排出，通過這種方式向前掘進，為頂進作業(yè)提供空間。刀盤轉(zhuǎn)動時受到巖土體的阻力，形成反力矩，并且?guī)r土體會對刀具產(chǎn)生較大的摩擦力，容易導(dǎo)致刀具磨損。為了降低摩擦力和反力矩，在頂管機的刀盤中心處設(shè)計了2條注漿管道，在掘進的過程中通過管道同步向作業(yè)面注入泥漿，一方面可以起到潤滑作用，降低摩擦作用力，另一方面則是利用泥漿潤濕破碎后的巖土體，使其形成具有一定流動性的膏狀物，便于利用螺旋輸送機和管道將其排出工作井。另外，除了向切削作業(yè)面注漿外，還需向管道四周外壁注漿，目的是在管壁外形成泥漿套，降低管壁和土體的摩擦力。因此，泥漿在整個頂進過程中發(fā)揮著非常重要的作用。

第二，泥漿制備。頂進作業(yè)中使用的觸變泥漿利用膨潤土和水進行配置，必要時可向其中加入純堿和其他外加劑。在制備泥漿時要科學設(shè)計各類物質(zhì)的含量，通常膨潤土和水的比例為1∶4左右，純堿和其他外加劑的用量非常少。

第三，注漿壓力控制。注漿壓力與主動土壓力存在密切關(guān)聯(lián)，在工程實踐中將注漿壓力P注設(shè)計為Pa

3.3.2土體改良液的作用及應(yīng)用

土體改良液用于改變泥土倉內(nèi)破碎巖土的形態(tài)，使其形成流塑狀，這種形態(tài)的土體有助于控制泥土倉內(nèi)的壓力。土體改良液的主要成分是水和聚丙烯酰胺。通常聚丙烯酰胺溶液中的聚丙烯酰胺含量為0.01%～0.02%，可根據(jù)實際需要調(diào)整其濃度。該溶液在制備時需攪拌較長的時間，初期存在聚團的現(xiàn)象，隨著攪拌時間的延長，溶液逐漸趨于均勻和透明。頂管機的刀盤可借助電流自動控制土體改良液的加注時機以及具體的加注量，在工程實踐中將土體改良液加入泥漿中，形成特定的漿液，表1為該輸水項目中所用漿液的配比。

表1 土壓平衡頂管施工法漿液配比

3.4 導(dǎo)向、姿態(tài)測量與糾偏

3.4.1導(dǎo)向與糾偏

在頂管施工中，導(dǎo)向關(guān)系到管道敷設(shè)的走向，影響著工程目標的實現(xiàn)。對于400m以下的頂管作業(yè)，大多采用激光束導(dǎo)向，激光從工作井發(fā)出，照射導(dǎo)向靶，為頂進作業(yè)提供精確的方向控制。一旦距離超過400m，或者頂進線路非直線，激光導(dǎo)向作用將受到限制。當前，土壓平衡頂管系統(tǒng)中大多集成了自動化的導(dǎo)向功能，典型的如MTD-D自動測量導(dǎo)向系統(tǒng)。導(dǎo)向系統(tǒng)檢測到頂管方向偏差之后，控制中樞則根據(jù)測量結(jié)果進行方向糾偏，在糾偏工作中遵循小幅度糾偏、勤糾偏的基本原則。

3.4.2姿態(tài)測量與糾偏

除方向之外，還要關(guān)注頂管機的平衡性，因為頂管機橫向?qū)挾容^大，在掘進過程中受巖土反力矩的作用，可能出現(xiàn)水平向不均衡的問題。為保證頂管機的水平度，在系統(tǒng)中利用激光經(jīng)緯儀、導(dǎo)向靶、傾角檢測傳感器以及螺旋輸送機等控制頂管機的水平姿態(tài)。在糾偏時，由螺旋輸送機與頂管機的糾偏油缸相互配合，調(diào)整其水平姿態(tài)，在頂管機的兩側(cè)各布置一個螺旋輸送機，可靈活調(diào)整兩側(cè)的排泥速度和排泥量，進而控制頂管機的水平姿態(tài)。

4 結(jié)語

土壓平衡頂管施工技術(shù)在大型輸水工程中具有降低造價、減少環(huán)境影響、幾乎不干擾既有設(shè)施等優(yōu)點。在施工準備階段需通過地質(zhì)勘察掌握作業(yè)區(qū)的地質(zhì)條件，然后結(jié)合地質(zhì)條件計算土壓力、頂力，選擇符合力學要求的頂管機，奠定施工基礎(chǔ)。進入施工階段后，應(yīng)加大對關(guān)鍵工序的設(shè)計和施工控制，合理建造工作井，清晰規(guī)劃頂管施工的工序和流程，強化頂進過程控制，尤其是泥土倉壓力、頂進方向、頂管機姿態(tài)，及時糾正各類偏差。科學運用泥漿，促進排泥施工和土壓平衡控制。研究內(nèi)容對施工的指導(dǎo)意義集中體現(xiàn)在突出關(guān)鍵工序的內(nèi)在聯(lián)系，漿液制備及應(yīng)用、導(dǎo)向、姿態(tài)控制都服務(wù)于頂進過程控制。不足之處在于未能結(jié)合施工中的地質(zhì)變化分析具體的應(yīng)對策略。