泥水平衡机械顶管穿越富水砂层施工控制技术

曹 晔 (中铁四局集团第一工程有限公司，安徽 合肥 230041)

1 工程及地质概况

毫州市西一环路（文帝路～药都大道）西侧污水管采用泥水平衡机械顶管施工，管径为DN800和DN1000两种类型，最大顶程为120m，管顶覆土6m~10m不等。

西一环路地下水位较高，地面以下2.6m左右出现地下水。本段顶管施工地质较复杂，顶管穿过地层主要包括：①层粉质粘土，该层在本场地中均有分布，未揭穿，最大揭穿厚度为8.70m，层顶面埋深0.40m～7.80m；②层粉土，该层在本场地中大部分地段有分布，厚度为0.70m～4.00m，层顶面埋深2.80m～10.40m；③层粉细砂，层顶面埋深7.30m～9.00m。

2 施工控制技术

顶管穿越富水砂层主要施工包括：沉井封底、机头进出洞、顶力控制、轴线控制技术。

2.1 沉井封底

当沉井沉到设计标高，经2d～3d下沉已稳定，或经观测，在8h内累计下沉量不大于10mm时，即可进行沉井封底。

本沉井采取排水封底方法，分两步进行。第一步进行土形整理，使之成锅底形，自刃脚向中心挖放射形排水沟，填以石子作为滤水暗沟，在中部设集水井，井深1m～2m，插入直径Φ600混凝土管一节作滤井，四周填以卵石，使井底的水都汇集到集水井中，用水泵排出。使地下水位保持低于井底面30cm～50cm。刃脚混凝土凿毛处应洗刷干净。然后，在井底对称均匀浇一层混凝土垫层，强度达到30%后，绑钢筋，浇筑上层防水混凝土底板。浇筑应在整个沉井面积上分层由四周向中央进行，每层厚30cm，并捣固密实。混凝土养护14d期间，在封底的集水井中应不间断的抽水，待底板混凝土达到70%强度后，进行第二步施工，对集水井停止抽水，进行土封堵。方法是在抽出井筒水后，立即向滤水井管中灌入早强混凝土，装上法兰，再在上面浇筑一层混凝土，使之与底板相平。

2.2 机头进出洞

顶管工具管在工作井中安装、调试完毕后，即拆除洞口封门，将工具管逐步推入待开挖土体。顶管进出洞技术包括洞口土体加固、洞口止水装置设计以及测量控制等技术。

2.2.1 洞口土体加固

图1 粘土受力分析

图2 橡胶法兰

洞口土体的加固是利用水泥等硅胶类化学浆液，通过气压、液压等方法使浆液与土颗粒胶结起来，以增加土体强度、自立性和防水性。下面以粘土为例进行说明。

含有大量水的粘土有一定的粘聚力，其破坏特征主要表现在整体滑移失去稳定。如图1中：H 为顶管中心上部土体埋深；D 为加固土体开挖内径，AC 为注浆引起内聚力增加；T 为改良土体正面必须的厚度；θ 为滑移线与改良土体边界线交点和0点连线与井壁的交角(弧度)。假定土体滑移是以0点为圆心的圆弧线。

上部覆土引起的下滑力矩为

滑移圆弧内土体下滑力矩Md2=γ×D3／3

土体改良以前抵抗力矩

土体改良以后增加的抵抗力矩

土体平衡条件为：K×(Mdl+Md2)=Mγ+△Mγ

令Mdl+Md2=Md，解上式可得：θ=(K×Md－Mγ)／(△C×D2)(rad)

T=D×sinθ

K 为安全系数

理论计算加固正面土体的宽度往往偏小，施工工艺无法满足，故加固时一般按管壁外侧左右加固范围不小于2m、下部不小于lm、上部不小于3m取值。

2.2.2 洞口止水装置的设计

洞口止水装置的设计，对顶管能否顺利地进出洞、保证顶进过程中洞口密封的可靠性是至关重要的。工作井洞口止水装置应根据工作井的具体条件来进行，在城市排水工程中，一般管道铺设深度较浅(H<10m)，因而地下水的压力也较小，可以采用一种较简单的橡胶法兰的结构形式，这种形式又分为如下两种情况。

一种是对沉井工作井，如图2所示，在沉井制作时就预埋了一环钢法兰，当沉井下沉封底后，由于洞口标高可能与设计值产生误差，为消除上述误差，可以在在预埋钢法兰上再焊一圈钢法兰。该法兰中心可与原洞口中心错位，而与实际的管道中心保持同心，环后焊的法兰中心也就是洞口止水装置的中心，这种橡胶法兰的止水装置结构简单，成本低，安装方便。

对于一些特殊的施工条件，如过江、出海等工程，管道埋深一般大于15m，有的情况下洞口甚至处于承压水土层范围内。采用一般的橡胶法兰止水装置就不安全。对于管道埋设深的情况，工作井洞口止水装置的形式很多，有用齿形橡胶止水带形式的，也有用盾尾钢缘刷密封并压注盾尾油脂的形式。无论设计选用哪种形式，首先必须以安全止水为前提，其次才考虑经济性等因素。对于顶管接收井的洞口止水，由于工具管进洞的姿态难以确定，一般情况不采用止水装置，而是对洞口采用地基加固措施，并用扇形板将首管与接收井预埋钢法兰焊接。首管为特殊管，外壁包一层钢板，工具管进入接收井时，坑内应计算好标高安放引导轨。接收井洞接口为钢性连接，不仅满足止水要求，还能防止叩头现象的发生。

2.3 顶力控制

本段顶管施工地质较为复杂，部分段落顶管上半部分位于粘土层，下半部分位于富水砂层，且局部地区有卵石夹层，不利于顶力控制。

2.3.1 顶力计算

根据给排水管道施工及验收规范规定：

顶进力FP=πD0Lfk+NF

Fp——顶进阻力（kN）

D0——管道的外径

L——管道设计顶进长度

fk——管道外壁与土的单位面积平均摩阻力，取8.0kN/m2

NF——顶管机的迎面阻力，NF=π（D0-t）tR

t——工具管厚度，

R——挤压阻力，取400kN/m2

DN800顶力计算：

D0=1.0m，L=60m，fk=8.0kN/m2

t=0.1m，R=400kN/m2

则NF=π（D0-t）tR=π×（1.0-0.1）×0.1×400=113.04kN

FP=π×1.2×60×8+113.04=1922kN

DN1000顶力计算

D0=1.2m，L=120m，fk=8.0kN/m2

t=0.1m，R=400kN/m2

则NF=π（D0-t）tR=π×（1.2-0.1）×0.1×400=138.2kN

FP=π×1.2×120×8+138.2=3756kN

2.3.2 顶力控制

顶管施工前对机头、千斤顶、油表、注浆泵等设备进行全面系统的检查，顶进过程中采用膨润土注浆进行减阻，密切关注油表变化，根据油表读数酌情增减注浆量。

触变泥浆施工用配合比如表1所示。

膨润土造浆施工配合比 表1

触变泥浆在输送和注浆过程中应呈胶状液体，具有相应的流动性，注浆后经一定的静置时间应呈胶凝状，具有一定的固结强度。管道顶进时，触变泥浆被扰动后胶凝结构破坏，但应呈胶状液体。顶进应与管外围注浆同步进行，其原则是“同步注浆与补浆相结合”，即先注浆、后顶进、随顶进、随注浆，以保证管外围充满泥浆套，充分发挥减阻和支撑作用。

原则上顶进过程中暂停时间不应超过2h，防止管材被周围土体抱死，若遇到异常情况必须暂停顶进，重新开始顶进后应缓慢、逐级加压，应加大注浆量，减小顶进阻力，防止因顶力过大出现管材碎裂现象。

2.4 轴线控制

2.4.1 顶进监控

①前期测量：顶管前，应在工作井处设置管道轴线控制桩和临时水准点、工作井护桩，以便复核顶管轴线和工作井位置是否移动；开顶前，准确测量掘进机中心的轴线和标高偏差，并作好原始记录。

②顶进测量：测量仪器固定安放在工作井的后部千斤顶架子中心，并在工作井内建立临时测量系统。顶管过程中必须按要求测量和控制管道标高及中心偏差，并作好记录。每顶进50cm必须测量一次，每节管道顶进结束后测量管道中心的轴线和标高偏差，记录并交工程师审核确认。测量仪器随时校正，每一次交接班时必须校正仪器一次。

③竣工测量：一段管顶完后，应立即在每节管道上选点，测量其中心位置和管底标高；根据测量结果，绘制竣工曲线，以便进行管道质量评定；测量地面的沉降，并作好记录以确定顶管施工对周围环境的影响情况。

2.4.2 顶进控制及轴线纠偏

钢筋混凝土管是逐段顶进的，每段之间不传递弯矩，纵面是柔性的，所以容易产生偏差，纠偏应遵循以下原则：纠偏应在顶进过程中进行。顶管施工过程有时会产生管道扭转的现象，应予以纠正。其方法是：首先检查设备的布置、复核轴线，不使扭转加剧。在工具管机头内，采用压重的办法纠扭，即管道单边压重，使管道相反扭转，逐渐恢复到原来状态。

3 结 语

现该段顶管施工已顺利完成，取得了良好的社会效益和经济效益。同时通过本工程的施工组织实施，为在含水量丰富的纯砂层地质中运用泥水平衡顶管技术进行各类钢筋混凝土管顶进施工积累了宝贵的施工经验。