砂性地质条件下顶管施工技术要点的探讨

尤东军

摘要： 本文针对南水北调保沧干渠工程（保定段）在砂性地质条件下大口径顶管穿越107国道的施工技术要点进行了阐述，根据工程特点实施了专门的施工方案，对以后类似工程施工具有一定的参考价值。

关键词：砂性地质；土压平衡；顶进施工；泥浆置换

中图分类号： TU74 文献标识码： A前言顶管施工是一种地下管道施工方法，它不需要开挖面层，并且能够穿越公路、铁路、地下建筑物及地下管线等，切实解决了施工中遇到的实际困难，减少或避免了对交叉建筑物的破坏，节约投资也降低了施工风险。

一、工程简介：

本标段为管线工程，位于定州市内，穿越3个乡镇，14个自然村。桩号从14+600至29+830，管线全长15.23km，为管径2200mm双管布置PCCP管，工作内压0.6～0.8MPa。保沧干渠顶管穿越107国道，穿越处与京广铁路间距约30m， G107两侧有架空光缆及地下光缆。穿越顶管采用双排DN2600III级钢筋砼管，管道壁厚为260mm，两根套管间距14.88m，橡胶圈密封，顶进方法采用土压平衡顶管机进行顶进，内套DN2200钢管输水管道。起止里程为K20+623.47~K20+683.47，长度60m。顶管穿越的地层主要为砂性土，没有地下水。

二、主要设备及材料

顶管施工主要机械设备表

顶管施工所需管材表

三、施工流程

四、 顶进施工及主要施工程序

4.1施工方法和顶力计算

根据砂性土质条件，采用土压平衡机械顶管方法施工。该方法是市政管道铺设的一项新技术，它省却了全线降水（仅工作坑位置降水），地面沉降小，对地面构筑物的稳定性影响小，施工不影响地面交通，顶进速度快（平均顶进速度10米/天）。

顶力计算 使用经验计算公式：

P ＝ NGL

其中：

G — 单位长度管体自重（KN/m）

N — 土质系数，本工程土质取2.5

P — 总顶力

L — 最长顶距

按顶距最长（60m）计算顶力： DN2600mm的混凝土管每节长为2.5米，管重为13800千克/节。

则预测总顶力为：

P = 2.5×60×13800/3×9.8

= 7400（KN）

约需1000吨的顶力推动。

4.2工作坑尺寸

工作坑分为顶进坑与接收坑，其深度由设计管底高程决定。顶进坑需做30厘米厚的混凝土底板，管外底高程加上机坑轨道及底板厚度，就是顶进坑的坑底标高；接收坑标高与管外底标高相等。综合顶管机具的尺寸及作业要求，确定工作坑的净空尺寸：9.3米（长）×6.2米（宽）×7.6米（深）

4.3顶管工作坑做法

顶进坑底板采用钢筋混凝土浇筑，接收坑底板只需保留原状土即可。

（1）管线调查：施工前对地下管线调查，实施对原有管线的保护方案，施工中不得损坏原有管线。

（2）探槽：先开挖相互垂直的二条探槽，分别平行于工作坑的两边，其长度大于工作坑开挖范围1米，深度通常在2米左右。

（3）工作坑上口采用混凝土地圈梁、墙壁采用混凝土锚喷支护。

（4）土方开挖：上部采用挖掘机，下部土方在锚喷施作的同时人工挖土，使用吊车和土斗运土。

（5）地圈梁的施工：地圈梁尺寸为600mm（宽）×600mm（高），混凝土标号为C25。

（6）锚杆：锚杆使用Φ50超前小导管，长4m，间距1*1m梅花布置，45°斜插入原状土内壁。表面设双层Φ8钢筋网20*20cm，层间距20cm，喷射30cmC25混凝土。

（7）支撑：选用30#工字钢做支撑，与钢格栅焊接在一起，每道支撑分步采用盘撑、角撑、直撑，角撑在四个方角内侧，长度为1.5米。垂直的两道支撑间距不大于2米，最后一道支撑，距坑底3.2米。为便于吊装顶管掘进机，顶进坑的横支撑距后背墙不大于2.8米。

（8）墙壁锚喷：用钢筋与混凝土地圈梁下部的骨架连接，在地圈梁底部安放、焊接第一层钢格栅，钢格栅使用Φ22的罗纹钢制作。作业时依次向下逐层施工，同层须分部位间隔挖土、安装钢格栅、钢筋网片，并锚喷混凝土。钢格栅的垂直间距：深度5米以上为1米，5米以下为0.5米；网片钢筋采用Φ6@100×100，双层；混凝土强度等级为 C25，材料为水泥、中粗砂、豆石（粒径在0.5～1.0 cm），配合比为水泥：砂子：石子＝1：1.8 : 1.9，并加入速凝剂，速凝剂为水泥重量的3～5%。锚喷混凝土厚度为30厘米。为了保证安全，严禁同层贯通挖土，每层钢格栅需用竖向连接筋相互焊接，连接筋使用Φ12罗纹钢，间距1.5米，若单面焊接，其搭接长度应大于20厘米。

（9）顶进坑底板：在挖深达到顶进坑底标高后施作底板，现浇30厘米厚的C40混凝土，使用Φ20双层罗纹钢，间距@200×200。底板预留500×500×500mm集水坑一个。

4.4 机械顶管后背

（1）机械顶管后背结构为：锚喷墙+混凝土+后背铁。

（2）在锚喷墙壁前垂直地面放置后背铁，后背铁与锚喷墙面之间的空隙以C20素混凝土浇灌填充。

（3）顶进坑后背要有足够的强度，在顶进过程中能承受千斤顶的最大作用力；

（4）后背墙表面要平顺，并且垂直于顶进管道的轴线，避免产生偏心受压。

4.5 导轨安装

导轨安装的准确与否直接影响管道的顶进质量，其安装要求如下：

① 两导轨要平行、等高，或略高于管道设计高程2cm左右，其坡度与管道坡度一致；

② 安装后导轨要牢固，不得在使用中产生位移，且需设专人经常进行检查；

③ 将机械顶管导轨安放在工作坑底板上，导轨两侧牢固地焊接工字钢，工字钢另一端牢牢抵在侧墙上。

4.6顶管机就位

用吊车将顶管机放入顶进坑内的导轨上，顶管机前端距井壁约300毫米。就位后先检查顶管机的轴线是否与机坑轴线、导轨轴线以及主顶油缸的轴线保持一致，发现偏差立即调整。无误后再进行顶管机电路、油路、注浆系统的安装调试。

4.7机头入洞

洞口处采用人工向前挖土500～800 mm，再将机头徐徐推进洞口里，待刀盘全部进洞，然后调整刀盘，使其轴线、高程符合设计。然后开动顶管机刀盘，待土仓压力升到0.1 MPa时，这时螺旋输送机的土压也上升到0.07 MPa左右。掘进机开始入土时，机头外露，只有轨道对机头的摩擦力，机头易发生旋转，故在入土前2米顶进时，顶进速度控制在5mm/分钟以下，以防机头整体旋转，并观测机头倾角和旋转变化，及时修正和调整。倾角的变化用纠偏千斤顶调正，旋转角大于 ±30度时，可使用刀盘反转调正，顶进 2米以后在机头不旋转的情况下可逐渐加大顶进速度。机头完全入土后，土仓压力控制在50～80KPa，安装第一节混凝土管做反封闭。

4.8正常顶进

1） 土仓压力的设定：施工时设备自控可保证10%的土仓压力，遇有砂层、下穿道路时，土仓压力设定适当加大30%左右，以提高安全系数。

2）触变泥浆减阻：顶管过程中，须同步注入减阻泥浆，它是减少顶进阻力、提高顶进速度的重要一环，减阻泥浆采用膨润土配制而成。膨润土一般要求胶质价在80以上。膨润土进场后，先测定其胶质价，根据胶质价确定配合比，见下表（重量比）：

膨润土泥浆重量配合比

膨润土胶质价 膨润土 水 碱

60～70 100 524 2～3