長距離頂管土壓平衡控制

□文/胡朝暉 趙 棟

長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程中，如何保持頂管掘進機與后背主頂油缸的動態平衡一直是困擾施工人員的技術難題。文章依托薊運河過河頂管工程，從土壓力計算、頂管參數設定以及頂管設備聯動控制3個方面論述了在長距離頂管施工過程中如何實現土壓平衡。

長距離；頂管；土壓平衡

1 工程概況

薊運河過河頂管工程全長437 m，頂管管徑為2 000 mm，穿越薊運河河床部分頂管距離為342 m，覆土厚度6 m，河水深度6 m。由于薊運河河底地質情況復雜，頂管穿越過程必須控制好土壓平衡，保持頂管掘進機姿態平穩勻速推進，減小因頂管施工對河床擾動造成的隆起或沉陷。

根據土壓平衡的基本原理，結合施工采用的DK式土壓平衡頂管掘進機開口率為100%的特點，進行了土壓力的計算，根據土壓力設定值進行了相應的頂管參數設定以及為實現土壓平衡而施行的一些列控制措施。

2 實施方案

2.1 合理設定土壓力值

從理論上講，掘進機在頂進過程中，土倉的壓力p如果小于掘進機所處土層的主動土壓力pA時，地面就會產生沉降；反之，如果PA大于掘進機所處土層的被動土壓力pp時，地面就會隆起。因此，只要把土壓力控制在pA＜p＜pp，就能達到土壓平衡。

靜止土壓力是介于主動土壓力和被動土壓力之間的一個特殊的情況，在穿越兩側堤岸部分的靜止土壓力強度p0可由式（1）計算

式中：K0——靜止土壓系數，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粘土，取值為0.5；

γ——土體天然重度，根據巖土工程勘察報告，γ=18.1 kN/m3；

h——掘進面的深度，自沉井頂部至頂管中線的高差，h=13.885 m。

經計算，p0=125.65 kPa。在穿越河底部分，掘進面的靜止土壓力由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）。

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

2.2 合理設定頂管參數

頂管掘進機刀盤扭矩為定值，對應于同一土質，刀盤轉速為定值，即單位時間內切削下來的土體積為一定值，為保證土倉內壓力為一相對固定數值，要求螺旋輸送機排土速度和頂管機進尺速度保持動態平衡。

頂管出土采用帶有牽引裝置的小車，經過現場頂進試驗，平均每10 min螺旋輸送機可以裝滿一車泥土，而每頂進一節管道（2.5 m長）總計可以裝滿8車，則頂管掘進機的進尺速度（亦即主頂油缸的伸長速度）為v=L/t=2.5/80=0.031（m/min），即每分鐘 31 mm。

對應于直徑2 000 mm管道，開挖面面積S=πD2/4=3.14×2.42/4=4.52（m2），則單位時間排土量為 4.52×0.031，即排土體積為0.14 m3/min。

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

頂管掘進機進出沉井預留洞口時，為保證頂管機能夠按照預定高程準確進入前方土體，頂進速度不宜過快，一般控制在10 mm/min左右。

2.3 頂管設備聯動控制措施

螺旋輸送機的出土速度可以通過操縱按鈕進行控制，掘進機頂進速度由后背主頂油缸的伸長速度決定，而油缸的伸縮由油泵站操作人員進行控制，因此，為保證出土量和掘進機進尺的平衡，必須要求頂管機內部和油泵站操作人員步調一致，同步操作。

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

為保證土倉壓力相對恒定，則要求上下工作人員采用對講機進行及時溝通，保證動作的協調一致。在頂管周期內，頂管掘進機刀盤切削土體，螺旋輸送機旋轉向小車輸土，同時后背主頂油缸則勻速伸長，在吊運出土和吊裝下管過程中，刀盤停止切削，螺旋輸送機關閉，后背主頂油缸處于空擋和收縮工況，如此循環往復，在動與靜中達到一種動態平衡。

3 結語

通過合理設定土壓力和頂管參數并在施工過程對頂管設備進行聯動控制，在長達437 m的頂管過程中，頂管掘進機姿態平穩，經現場監測，土壓力變化幅度和薊運河河底沉降量均介于可控范圍，真正意義上實現了土壓平衡。

［1］GB 50268—2008，給水排水管道工程施工及驗收規范［S］.

［2］余彬全，陳傳燦.頂管施工技術［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。