大直徑土壓平衡頂管施工技術(shù)在市政工程中的應(yīng)用

趙文華 （中鐵十六局集團(tuán)第三工程有限公司，浙江 湖州 313000）

1 引言

在現(xiàn)代化城市里，隨著城市的發(fā)展各種市政管線、橋涵等構(gòu)筑物逐漸增多，城市可提供的施工場地逐漸少，非開挖施工技術(shù)在城市工程建設(shè)中的應(yīng)用越來越廣泛，當(dāng)前已發(fā)展起來的頂管施工已成為城市地下交通、管線通道工程的主要施工形式，其中土壓平衡頂管施工技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，它適用的土質(zhì)比較廣泛，是一種軟黏土到砂礫土都能適用的施工方法。

2 工程概況

呼和浩特市軌道交通2號線一期工程外電源線路工程豐州變到錫林南路外電源線路工程，標(biāo)段全長7000m，設(shè)計(jì)為地下電力管廊形式，工程穿越賽罕區(qū)7條主干道平交路口，經(jīng)調(diào)查各種市政管線復(fù)雜交錯(cuò)，且交通繁忙，不具備明挖施工條件。經(jīng)設(shè)計(jì)變更該7處路口段采用頂管方式施工。工程管道為強(qiáng)度C50、管內(nèi)徑3500mm、壁厚33mm、單節(jié)管長2.5m的鋼筋混凝土管，接口形式為F型鋼承口式接口、圓形雙橡膠止水帶,襯墊板采用12mm多層膠合板。管節(jié)自重25t。工作井采用抗壓強(qiáng)度C50的鋼筋混凝土沉井，沉井內(nèi)徑7m×9mm，墻厚1m。頂管埋深6～8m。本工程7段頂管中最大頂進(jìn)長度為236m，管節(jié)94節(jié)。

3 地質(zhì)情況及機(jī)型選擇

根據(jù)本工程的地勘圖紙得知施工區(qū)域地貌單元為大黑河沖湖積平原，地下水豐富，對此工程的影響較大。頂管所在地層為礫石成分以砂巖為主，粒徑2～20mm約占50%，礫石最大粒徑50mm，潮濕-飽和，中密-密。

綜合以上地勘情況反映，本頂管工程施工的地層砂礫石含量較大且礫石粒徑較大，巖石硬度大，土質(zhì)密實(shí)，水位7.4m，頂管處于水位線以下。

現(xiàn)在機(jī)械頂管施工形式多式多樣，需根據(jù)水文、地質(zhì)情況選擇不同施工形式，機(jī)型選擇是頂管施工中最重要的一步，一段頂管工程能否成功施工完成，機(jī)型選擇起到?jīng)Q定性作用。本工程根據(jù)地勘情況及參考以往施工經(jīng)驗(yàn)，本工程采用土壓平衡頂管施工方式。根據(jù)前期施工經(jīng)驗(yàn)及設(shè)備原理研究情況認(rèn)為土壓平衡施工技術(shù)在富水、砂礫土、大粒徑土層最為合適。

4 設(shè)備工作原理及特點(diǎn)

4.1 設(shè)備組成及原理

土壓平衡式頂管設(shè)備主要由掘進(jìn)系統(tǒng) (部分掘進(jìn)機(jī)頭自帶地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng))、糾偏系統(tǒng)、排輸土系統(tǒng)、土體改良系統(tǒng)、觸變泥漿系統(tǒng)、頂推系統(tǒng)、操控系統(tǒng)及附屬設(shè)備構(gòu)成。

土壓平衡頂管施工技術(shù)是根據(jù)土壓平衡的基本原理，利用安裝在頂管機(jī)最前端刀盤和機(jī)倉內(nèi)土壓艙的正面土體來抵抗開挖面的土壓力和水壓力，以達(dá)到土體穩(wěn)定。頂管機(jī)用旋轉(zhuǎn)刀盤切削泥土，切削下來的泥土進(jìn)入機(jī)艙內(nèi)的土倉，通過安裝在土倉上的螺旋輸送機(jī)把土倉內(nèi)的土排出土倉，螺旋末端為出料口，采用軌道車+料斗把開挖土體輸送到工作井后由吊車吊出。在刀盤切土及螺旋機(jī)出土的同時(shí)頂推系統(tǒng)推動(dòng)管材及掘進(jìn)機(jī)頭緩慢前進(jìn)。

在頂進(jìn)過程中以千斤頂?shù)捻斔伲ǖ侗P切削量）為常量，螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速（排土量）為變量，通過電腦及人工操作系統(tǒng)，控制土壓艙內(nèi)的土壓力和水壓力與切削面的土壓力和水壓力保持平衡，以減少對土體的擾動(dòng)和減小地面的沉降或隆起。

4.2 土壓平衡的特點(diǎn)

①施工設(shè)備簡單，占用施工場地較小，對周邊環(huán)境影響較小。

②能較好保持挖掘面穩(wěn)定，地面變形較小，能有效保證地下管線、地面構(gòu)筑物及人員安全。

③棄土的運(yùn)輸、處理都較方便、簡單，出土可直接裝車運(yùn)走，也可儲存堆放，無泥水外流，無需特殊裝置處理渣土，較為環(huán)保。

④地層中夾雜大粒徑孤石在刀盤滾刀輕微破碎后可隨出土螺旋機(jī)排出，一般體積不大于螺旋半徑均可順利排出，排石直徑可達(dá)30cm。

5 主要技術(shù)參數(shù)及重要工藝

5.1 頂力計(jì)算

頂管施工參數(shù)計(jì)算主要為管段頂力的計(jì)算，根據(jù)《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》經(jīng)驗(yàn)公式，即：

FP=πD0Lfk+NF

注：FP——管道頂進(jìn)阻力（kN）；

D0——管道外徑（m）；

L——管道設(shè)計(jì)頂進(jìn)長度（m）；

fk——管外壁與土體單位摩阻力（kN/m2）；

NF——頂管機(jī)迎面阻力（kN）。

頂力計(jì)算是頂管施工的關(guān)鍵參考依據(jù)，可通過計(jì)算頂力值來確定主要頂推系統(tǒng)的設(shè)備型號及其附屬物資配備需求，確定采用泥漿減阻的形式，驗(yàn)算管節(jié)承受的最大頂力及后靠板規(guī)格等。

5.2 土質(zhì)改良

掘進(jìn)機(jī)的土質(zhì)改良系統(tǒng)是通過設(shè)置在掘進(jìn)機(jī)刀盤上的注漿孔把在地面加工好的土體改良劑通過壓力管道系統(tǒng)添加到掘進(jìn)面，使掘進(jìn)面土體松軟，利于土體切削，加過改良劑的泥土經(jīng)攪拌后可使原來土體的物理性質(zhì)發(fā)生變化，可以使原止水性、流動(dòng)性、塑性比較差的土體變成、止水性、流動(dòng)性、塑性較好的土體。既保證了施工安全，也加快了施工進(jìn)度。減小了頂管機(jī)的設(shè)備磨損，擴(kuò)展了土壓頂管機(jī)的適用范圍。本工程采用土體改良劑為聚丙酰胺，是一種線性高分子聚合物，使用效果非常突出。

5.3 觸變泥漿減阻

頂管管徑越大，管材自重也越大，管外摩阻力就相應(yīng)增加，隨頂進(jìn)長度增加，所需頂力逐漸增大，頂力的增大對管體及后背墻的破壞性就加大。觸變泥漿減阻是頂管施工中一個(gè)重要工藝，可減小土體與管道間的摩阻力，延長頂距，降低頂力。從管道內(nèi)側(cè)向管道外壁（預(yù)制管道時(shí)預(yù)留的注漿孔）注入觸變泥漿，使管道外側(cè)形成整圈的泥漿環(huán)，由于浮力作用使管節(jié)懸浮在泥漿中，（一般刀盤半徑大于頂管管材半徑1cm）可以有效達(dá)到減阻效果，可有效降低頂力50%以上。泥漿由膨潤土泥（黏土）、化學(xué)添加劑、水組成。泥漿制備質(zhì)量直接影響減阻效果，在開工前需先對制備泥漿的各種材料進(jìn)行試驗(yàn)檢測，根據(jù)檢測結(jié)果進(jìn)行泥漿試配，得出合理配比，方可施工。

在冬季施工時(shí)需對泥漿制備車間進(jìn)行加溫和對注漿管道進(jìn)行保溫處理。在注漿時(shí)必須控制好注漿壓力，注漿壓力可有效控制地面變形。注漿壓力可根據(jù)覆蓋土層厚度計(jì)算或通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定，在砂礫石地層正?？刂圃?.1～0.2MPa。本工程注漿壓力在 0.14～0.18MPa。由于本工程管徑較大，采用10臺200t(2000kN)千斤頂,1臺31.5MPa液壓站，理論最大頂力在18000kN左右。本工程應(yīng)用觸變泥漿減阻工藝后使用最大頂力為14000kN。

6 頂管施工注意事項(xiàng)及有效措施

6.1 地質(zhì)調(diào)查

根據(jù)地勘圖詳細(xì)了解施工區(qū)域地質(zhì)、水文情況，根據(jù)兩端工作井開挖情況實(shí)際記錄地質(zhì)，水文情況，掌握一手資料，有利于機(jī)型選擇，設(shè)備配套，可充分做好施工準(zhǔn)備。

6.2 地下管線調(diào)查

管線調(diào)查是施工前的一項(xiàng)重要工作，特別是城市管網(wǎng)復(fù)雜地段，需調(diào)查清楚每根管線的詳細(xì)情況，管線路徑、埋深、種類、直徑、材質(zhì)、性能，接口形式等，如市政管線圖紙差異教大必須邀請各管線產(chǎn)權(quán)單位對本單位已知和未知的管線進(jìn)行現(xiàn)場勘察并標(biāo)識，必要時(shí)需先進(jìn)行管道遷改后，方可施工作業(yè)。施工過程必須保證燃?xì)?、供排水、電力、通信等設(shè)施安全和施工安全。

6.3 作業(yè)面通風(fēng)及有毒有害氣體檢測

頂管施工經(jīng)過污水管道、河道及有淤泥地層時(shí)會(huì)產(chǎn)生有毒有害氣體，在管內(nèi)作業(yè)需設(shè)置有害氣體檢測儀，工人作業(yè)佩戴好防護(hù)用品，安裝通風(fēng)設(shè)備，每次作業(yè)前必須先通風(fēng)，檢測合格方可開工，保證施工人員生命安全。

6.4 設(shè)置止水壓板

施工涉水段工作井時(shí)洞門必須設(shè)置止水壓板，洞門可采用鋼洞圈，施工時(shí)在重載車輛較多路段需預(yù)先在頂進(jìn)軸線鋪設(shè)鋼板，鋼板厚度需大于20mm，以防止發(fā)生地面沉降引起的道路安全事故。

6.5 做好頂進(jìn)記錄

頂進(jìn)過程中要做好頂進(jìn)記錄，按勤測量、勤糾偏、慢糾偏的糾偏原則施工，嚴(yán)禁劇大幅度糾偏施工。施工過程嚴(yán)格按照頂管操作規(guī)程操作，把頂力控制在合理數(shù)值力范圍內(nèi)，嚴(yán)禁超頂力施工，以免發(fā)生管節(jié)爆裂等質(zhì)量問題。

6.6 雨污水管道引流

在需要穿越市政供排水主管線施工時(shí)需特別注意，現(xiàn)城市雨污管道大部分年久失修、滲漏嚴(yán)重，大直徑頂管對周圍土體擾動(dòng)較大，會(huì)引起帶水管道滲漏，嚴(yán)重會(huì)發(fā)生涌水現(xiàn)象，根據(jù)這次施工經(jīng)驗(yàn)施工至據(jù)管道5m附近時(shí)，對雨污水管道進(jìn)行引流，機(jī)頭穿過管道5m后，恢復(fù)原排水方式，保證頂管機(jī)作業(yè)面安全及道路通行安全。

6.7 密切注意土倉及泥漿壓力

施工時(shí)需密切注意土倉及泥漿壓力，在快速失壓情況下，要快速停機(jī)，進(jìn)行原因分析，原因不明不能施工，城市地下未知管線及老舊防空等設(shè)施較多，地下未知管線和老舊防空洞較多，施工時(shí)需特別注意，地況復(fù)雜地段可在施工前采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行探測。

7 結(jié)語

大直徑土壓平衡式頂管施工在呼市地鐵2號線外電源標(biāo)取得了成功，且效果顯著，日掘進(jìn)量在8～10m。3.5m頂管為呼市乃至內(nèi)蒙地區(qū)最大直徑的混凝土頂管工程，土壓平衡頂管施工很適合呼市這種短距離地質(zhì)情況變化較大的地層施工。此種施工方式施工精度高，施工進(jìn)度快，且不影響城市交通，減少各種地上構(gòu)筑物及地下管線的遷改，經(jīng)濟(jì)效益顯著，可在保證各種市政設(shè)施運(yùn)行情況下進(jìn)行施工作業(yè)，可穿越各種橋梁、鐵路、河道，整體經(jīng)濟(jì)效益顯著，為今后的市政工程大直徑頂管施工積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，打好了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。