□文/胡朝暉 趙 棟

長(zhǎng)距離頂管土壓平衡控制

□文/胡朝暉 趙 棟

在土壓式頂管施工過(guò)程中，如何保持頂管掘進(jìn)機(jī)與后背主頂油缸的動(dòng)態(tài)平衡一直是困擾施工人員的技術(shù)難題。文章依托薊運(yùn)河過(guò)河頂管工程，從土壓力計(jì)算、頂管參數(shù)設(shè)定以及頂管設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制3個(gè)方面論述了在長(zhǎng)距離頂管施工過(guò)程中如何實(shí)現(xiàn)土壓平衡。

長(zhǎng)距離；頂管；土壓平衡

1 工程概況

薊運(yùn)河過(guò)河頂管工程全長(zhǎng)437 m，頂管管徑為2 000 mm，穿越薊運(yùn)河河床部分頂管距離為342 m，覆土厚度6 m，河水深度6 m。由于薊運(yùn)河河底地質(zhì)情況復(fù)雜，頂管穿越過(guò)程必須控制好土壓平衡，保持頂管掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)平穩(wěn)勻速推進(jìn)，減小因頂管施工對(duì)河床擾動(dòng)造成的隆起或沉陷。

根據(jù)土壓平衡的基本原理，結(jié)合施工采用的DK式土壓平衡頂管掘進(jìn)機(jī)開(kāi)口率為100%的特點(diǎn)，進(jìn)行了土壓力的計(jì)算，根據(jù)土壓力設(shè)定值進(jìn)行了相應(yīng)的頂管參數(shù)設(shè)定以及為實(shí)現(xiàn)土壓平衡而施行的一些列控制措施。

2 實(shí)施方案

2.1 合理設(shè)定土壓力值

從理論上講，掘進(jìn)機(jī)在頂進(jìn)過(guò)程中，土倉(cāng)的壓力p如果小于掘進(jìn)機(jī)所處土層的主動(dòng)土壓力pA時(shí)，地面就會(huì)產(chǎn)生沉降；反之，如果PA大于掘進(jìn)機(jī)所處土層的被動(dòng)土壓力pp時(shí)，地面就會(huì)隆起。因此，只要把土壓力控制在pA＜p＜pp，就能達(dá)到土壓平衡。

靜止土壓力是介于主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力之間的一個(gè)特殊的情況，在穿越兩側(cè)堤岸部分的靜止土壓力強(qiáng)度p0可由式（1）計(jì)算

式中：K0——靜止土壓系數(shù)，在砂性土中，K0一般可在0.25～0.33之間取值，在粘性土中，K0則一般可在0.33～0.70之間取值，本次頂管穿越土層為淤泥質(zhì)粘土，取值為0.5；

γ——土體天然重度，根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，γ=18.1 kN/m3；

h——掘進(jìn)面的深度，自沉井頂部至頂管中線的高差，h=13.885 m。

經(jīng)計(jì)算，p0=125.65 kPa。在穿越河底部分，掘進(jìn)面的靜止土壓力由2部分組成，即河底以上為水壓力，河底以下為土壓力，則p0=γ水h水+K0γ土h土=10×6+0.5×18.1×6=114.3（kPa）。

從實(shí)際操作來(lái)看，一般常把控制土壓力設(shè)置在靜止土壓力（p0±20）kPa，本次頂管將土壓力設(shè)定為100～120 kPa。

2.2 合理設(shè)定頂管參數(shù)

頂管掘進(jìn)機(jī)刀盤扭矩為定值，對(duì)應(yīng)于同一土質(zhì)，刀盤轉(zhuǎn)速為定值，即單位時(shí)間內(nèi)切削下來(lái)的土體積為一定值，為保證土倉(cāng)內(nèi)壓力為一相對(duì)固定數(shù)值，要求螺旋輸送機(jī)排土速度和頂管機(jī)進(jìn)尺速度保持動(dòng)態(tài)平衡。

頂管出土采用帶有牽引裝置的小車，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)頂進(jìn)試驗(yàn)，平均每10 min螺旋輸送機(jī)可以裝滿一車泥土，而每頂進(jìn)一節(jié)管道（2.5 m長(zhǎng)）總計(jì)可以裝滿8車，則頂管掘進(jìn)機(jī)的進(jìn)尺速度（亦即主頂油缸的伸長(zhǎng)速度）為v=L/t=2.5/80=0.031（m/min），即每分鐘 31 mm。

對(duì)應(yīng)于直徑2 000 mm管道，開(kāi)挖面面積S=πD2/4=3.14×2.42/4=4.52（m2），則單位時(shí)間排土量為 4.52×0.031，即排土體積為0.14 m3/min。

頂速的控制通過(guò)油泵站調(diào)整液壓油的供油和回油速度，進(jìn)而控制主頂油缸的伸長(zhǎng)和收縮的速度。為與土壓力相匹配，在頂管過(guò)程中，當(dāng)土壓力＞120 kPa時(shí)，為防止河底隆起，需要降低頂管速度同時(shí)加快排土；當(dāng)土壓力＜100 kPa時(shí)，為防止河底塌陷，需要提高頂進(jìn)速度同時(shí)減少排土。

頂管掘進(jìn)機(jī)進(jìn)出沉井預(yù)留洞口時(shí)，為保證頂管機(jī)能夠按照預(yù)定高程準(zhǔn)確進(jìn)入前方土體，頂進(jìn)速度不宜過(guò)快，一般控制在10 mm/min左右。

2.3 頂管設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制措施

螺旋輸送機(jī)的出土速度可以通過(guò)操縱按鈕進(jìn)行控制，掘進(jìn)機(jī)頂進(jìn)速度由后背主頂油缸的伸長(zhǎng)速度決定，而油缸的伸縮由油泵站操作人員進(jìn)行控制，因此，為保證出土量和掘進(jìn)機(jī)進(jìn)尺的平衡，必須要求頂管機(jī)內(nèi)部和油泵站操作人員步調(diào)一致，同步操作。

由于運(yùn)土車容積及后背主頂油缸的沖程有限，因此在運(yùn)土車吊裝卸土及管材吊裝過(guò)程中，不可避免的要暫時(shí)停止頂進(jìn)，隨著頂管距離的增長(zhǎng)，運(yùn)土車從管內(nèi)運(yùn)輸并吊運(yùn)至沉井外的時(shí)間會(huì)逐漸延長(zhǎng)，則頂管暫停的時(shí)間也會(huì)越來(lái)越長(zhǎng)。為盡可能減少頂管暫停時(shí)間并充分利用油缸沖程，可以采取增加運(yùn)土車數(shù)量和加墊頂鐵的方法。

為保證土倉(cāng)壓力相對(duì)恒定，則要求上下工作人員采用對(duì)講機(jī)進(jìn)行及時(shí)溝通，保證動(dòng)作的協(xié)調(diào)一致。在頂管周期內(nèi)，頂管掘進(jìn)機(jī)刀盤切削土體，螺旋輸送機(jī)旋轉(zhuǎn)向小車輸土，同時(shí)后背主頂油缸則勻速伸長(zhǎng)，在吊運(yùn)出土和吊裝下管過(guò)程中，刀盤停止切削，螺旋輸送機(jī)關(guān)閉，后背主頂油缸處于空擋和收縮工況，如此循環(huán)往復(fù)，在動(dòng)與靜中達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)合理設(shè)定土壓力和頂管參數(shù)并在施工過(guò)程對(duì)頂管設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，在長(zhǎng)達(dá)437 m的頂管過(guò)程中，頂管掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)平穩(wěn)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，土壓力變化幅度和薊運(yùn)河河底沉降量均介于可控范圍，真正意義上實(shí)現(xiàn)了土壓平衡。

［1］GB 50268—2008，給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范［S］.

［2］余彬全，陳傳燦.頂管施工技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，1998.

□趙 棟/天津城建濱海路橋有限公司。

TU992.05

C

1008-3197（2012）03-55-02

2012-02-17

胡朝暉/男，1968年出生，高級(jí)工程師，天津城建濱海路橋有限公司，從事道路橋梁工程施工管理工作。