长距离大口径顶管技术在工程中的应用

陈志军

1 工程概况

某变电站线路出线配套电缆隧道工程位于深圳市南山区后海填海区北侧、滨海大道南侧，采用顶管施工。线路主线分4号～5号、5号～6号、6号～7号三个区间，共746.6 m，最大顶进距离为407.2 m(4号～5号区间)。隧道呈φ4.14 m的圆形，拱顶埋深10 m～12 m。地下水位埋深 1.80 m～4.70 m，高程 －0.25 m～3.73 m。管节采用DN4 140钢筋混凝土管壁厚320 mm。4号～5号顶管区间穿越砾质粘土层。其中工作井、接收井均采用矩形钢筋混凝土结构。

2 顶管施工工艺流程

施工前期准备→测量放样、复核→工作井施工→搅拌桩施工→工作井上下设备安装准备→工具头吊装下井、全套设备调试→工具头穿墙顶进→吊放管道→管道顶进、测量控制及纠偏→加中继环(根据计算位置设置)→后续下管节吊放就位→下段顶管顶进→管道贯通、回收工具头→竣工验收、清场。

3 顶管工程力学参数确定

3.1 顶力计算

顶管的顶力主要包括工具头正面泥水压力、管壁摩擦阻力。这里主要计算顶距较长的4号～5号顶管段。4号～5号顶管段，长407.2 m，管顶覆土取13 m。F=F0+f0L。其中，F为总推力，kN;F0为初始推力，kN;f0为每米管子与土层之间的综合摩擦阻力，kN/m。。其中，Δp为附加压力，一般取20 kPa;Bc为管外径，取4.14 m;p0为土水压力(砂分算，粘土合算);δ=r1h1tg2(45°－Ф2/2)－2c2tg(45°－Ф2/2)≈350 kN/m;p0=ρgh=1 000×10×8=80 000 Pa=80 kPa，ρ为水的密度，kg/m3，g为重力加速度，m/s2，h为地下水位到挖掘机中心深度，取8 m。得:F0=(350+80+20)×3.14/4 ×4.14 ×4.14=6 055 kN。f0=RS。其中，R为综合摩擦阻力，取8 kPa;S为管外周长，得S=πBc=3.14×4.14=13 m。得:f0=8×13=104 kN/m。最后得出:总推力F=6 055+104×407.2=48 383 kN＞13 000 kN(管节容许顶力)，需加中继间。

3.2 中继环的配置计算

下面主要介绍4号～5号井段中继环布置计算:

1)根据主顶油缸总顶力为10 800 kN计算，顶管长度小于L=(P－N)/F(若考虑触变泥浆减阻效果，则总和摩阻力可以减少1/3左右，取砂层段 F=48 383/407.2×2/3=79 kN/m)，即 L=(10 800－2 020)/79=111 m的管段可以直接由总顶力完成顶进，不需要增加中继间。2)当顶进长度大于111 m时，中继间布置方法如下:a.第一道中继间布置:L=(K·P－N)/F。其中，P为中继间设计顶力，拟设计采用50个300 kN的油缸，则总推力为15 000 kN＞13 000 kN＞10 800 kN，取10 800 kN;N为机头迎面阻力，N=150×3.14×4.14×4.14/4=2 020 kN;F 为每米管壁摩阻力，取为79 kN/m(考虑触变泥浆减阻效果);K为总推力达到中继间总推力的百分比，取50%。得:L=(50% ×10 800－2 020)/79=42.6 m，取42 m。因此，第一道中继间布置于距头部42 m处。b.第二道中继间开始，若余下顶管长度小于L=P/F=10 800/79=136.7 m，则管段可以直接由总顶力完成顶进，不需要继续增加中继间。c.若余下顶管段大于136.7 m时，则增加中继间布置如下:L=(K·P)/F。其中，P为中继间设计顶力，拟设计采用50个300 kN的油缸，取10 800 kN;F为每米管壁摩阻力，取为100 kN/m;K为总推力达到中继间总推力的百分比，取75%。得:L=(75% ×10 800)/79=76.7 m，取76 m。因此，若需要增加第二道或更多中继间时，每隔75 m布置一道。4号～5号井段设置4个中继间。

4 泥水平衡顶管施工主要施工方法

1)穿墙顶进。顶管进出洞是整个施工过程中的关键环节之一。本工程是采用地下预埋钢盒作为预留进出洞口，在进出洞口安装可拆式止水钢圈，再在钢圈上安装止水胶圈，达到止水效果。并在洞口前方挨着顶进方向的支护桩的外边线做旋喷桩止水幕墙并加固，旋喷桩为φ600 mm。

2)正常顶进。管道出洞成功后，管道开始正常顶进。通过后座主顶油泵和主顶千斤顶产生推力，推动管道向前推进。在管节推进的同时，顶管机大刀盘切削前方土体，切削下来的土体进入顶管机的泥土仓内，经刀盘的搅拌与进浆管送入的清泥浆搅拌成浓的泥浆，再通过排浆管道将浓泥浆排出机头。顶进千斤顶时应注意观察工作仓的土压力表，调节渣浆泵的流量达到工作仓的泥水平衡。初始顶进时顶进速度一般控制在20 mm/min～50 mm/min，正常顶进时顶进速度控制在50 mm/min～150 mm/min，如遇正面障碍物，应控制在10 mm/min以内。

3)测量、纠偏。激光经纬仪安置在观测台上，它发出的激光束为管道中心线，实为顶管导向的基准线。施工开始时将顶管机的测量靶的中心与激光斑点中心重合。当顶管机头出现偏差，相应激光斑点将偏离靶中心，测量靶图像通过视频传送到操作台的监示器上，通过控制纠偏千斤顶的伸缩量，进行顶进方向的纠正，使顶管机始终沿激光束方向前进。纠偏应贯穿在顶进施工的全过程，必须做到严密监测顶管的偏位情况，并及时纠偏，尽量做到纠偏在偏位发生的萌芽阶段。纠正偏差应缓慢进行，不得猛纠硬调。

4)触变泥浆。顶进过程中，需要经常进行压触变泥浆工作，以减少顶进的阻力，触变泥浆系统由拌浆、注浆和管道三部分组成。拌浆是把注浆材料兑水以后再搅拌成所需的浆液(造浆后应静置24 h后方可使用)。注浆是通过注浆泵进行的，根据压力表和流量表，它可以控制注浆的压力(压力控制在水深的1.1倍～1.2倍)和注浆量(计量桶控制)。注浆孔布置为:工具头后4节管各设一道，之后每间距3节管设一道补浆孔。注浆流程:造浆静置→注浆→顶管推进(注浆)→顶管停顶→停止注浆。

5)中继环接力顶进。在顶进过程中，随着距离的增长，管道的摩阻力也随之增大，主顶推力也随之增大，管节强度和工作井的结构强度不能满足顶力时，需采取中继环接力顶进。中继环内均匀地安装有许多台小千斤顶，通过中间的小千斤顶的伸出动作，推动外套往前推出，外套向前推动管节一段距离(如300 mm)后，又通过后部主顶推动管道运动，使小千斤顶缩回复位。不断往复运动推进管节，使整段管道向前推进。

6)顶管机顶入接收井。在顶进接近接收井前，先将接收井施工好等待顶管机的接收。同时，必须先复测本段管道的长度与设计长度相符，然后通过测量得知顶管机出口的具体位置，将接收井工具头出洞位置的混凝土护壁凿除。当顶管机进入接收井边时，顶管机要快速顶进，直至顶管机完全顶出接收井。如遇地下水丰富时，用棉纱堵塞住管和洞口间的空隙，等顶管机完全出洞后即用水玻璃或水泥浆压住止水。

5 结语

顶管过程是一个复杂的力学过程，它涉及材料力学、岩土力学、流体力学、弹塑性力学等诸多学科。但顶管施工必须严格控制好顶管推力，而对顶管计算复核能够准确估计顶管的推力。该工程通过了严密的顶管计算，采取了先进的顶管设备，成功高效地完成了该项目顶管施工的工作。

［1］何大鹏，陈 磊.顶管施工工艺及质量控制［J］.山西建筑，2010，36(9):146-147.