土壓平衡頂管工程在南水北調配套工程穿越永年縣中華大街中的應用

馬建國

（河北省水利工程局，河北 石家莊 050021）

1 概述

在邯鄲市南水北調配套二標工程中，配套管線與中華大街正交，需采用頂管方式穿越，頂管段自西向東穿越中華大街。頂管采用土壓平衡頂管機頂進施工，在中華大街西側設工作坑，東側設接受坑，坑內壁采用錨噴支護，工作坑與接收坑在施工結束后填平。

2 頂力計算

F=F1+F2

式中F 為總推力，式中F1 為迎面阻力，F1=Pe*π*Bc2，其中Pe 為控制土壓力，Bc 為管外徑。Pe=PA+Pw+△p（PA為掘進所處土層的主動壓力kPa，PA 一般為150-300kPa；Pw 為掘進所處土層的地下水壓力kPa, Pw=Y水H埋深；△P 為給土倉的預加壓力（kPa)，△P 一般為20kPa。

其中F2 為頂進阻力，F2=πBcfkL，fk 為管道外壁與土的單位面積平均摩擦力kN/m2其數值一般通過實驗確定，如果采用出邊泥漿減阻技術按下表選用，fk 為管外壁與土單位面積平均摩擦阻力kN/m2

?

F=Pe*π/4*Bc2+π*BcfkL

= (300+10*7.5+20) *3.14/4*(2.4)2+3.14*2.4*5*66

=1786+2487

=4273KN

3 頂管施工

（1） 土壓平衡頂管原理

由于管道位于砂壤土層內，采用土壓平衡頂管機施工，必須向泥土倉內注入以粘土為主的漿液，同時把它與切削下來的砂土一起攪拌。施工時控制頂進速度，螺旋輸送機的實際排土量為頂管機推進過程中理論排土量的95%－100%。頂管機土倉內的壓力與頂管機所處土層中土壓力始終處于一種平衡狀態。

（2） 后座安裝

后座安裝時必須與反力墻緊貼，與頂管軸線垂直。如不垂直應加后座調整墊，使調整墊與油缸的接觸面垂直于頂管軸線。

（3） 主油缸安裝

安裝主油缸時應按操作規程施工，主油缸沿路必須并聯，使每臺千斤頂有相同的條件，每臺千斤頂應有單獨的進油退鎬控制系，以后視頂力和土質、摩阻力情況增加臺數。所有千斤頂規格應一致，同步行程應統一，且每臺千斤頂使用壓力不應大于額定工作壓力的70%。為了減少后座傾覆、偏斜，千斤頂受力的全力位置應位于后座中間，千斤頂雙層布置時，其合力位置在管道中心以下0-20cm 處，每層千斤頂高度應與環形鐵受力位置相適應。

（4） 頂進

管道在頂進過程中，經常對頂進軸線和管底高程進行測量，檢查頂進軸線是否和設計軸線相吻合。要求每頂進1 節混凝土管節測量1 次，在進洞、出洞、糾偏，適當增加測量次數。工作坑內應設置臨時水準點，并應在交接班時進行校核，以保證測量的精度。

觸變泥漿壓送與頂進同時進行，由于頂管距離較長，工期亦相對較長，部分泥漿可能失水，應采取補漿措施，保持泥漿減阻的良好效果，同時要控制壓漿量和壓力。拆除注漿管路后，應將管道上的注漿孔封閉嚴密，對注漿設備清洗干凈。

（5） 觸變泥漿壓注

頂進時形成的建筑空隙及時用潤滑泥漿所填補，形成泥漿套，減少摩阻力和地面沉降，嚴格執行頂管注漿操作規程，由專人操作，質量員檢查嚴格把好質量關。壓漿時必須堅持先壓后頂、隨壓隨頂、及時補漿的原則，補漿應按順序依次進行，每班不少于2 次循環，定量壓注。

頂進過程中由于部分漿液流失到土層中去，因此必須利用混凝土管節上的壓漿孔進行補漿。一般在一節管頂進結束后就補壓漿，而且還要視每段頂進的阻力情況隨機分段壓漿。壓漿量原則上控制在同步跟蹤壓漿量為管節外理論空隙體積的5 倍左右，補漿量為管節外理論空隙體積的3 倍左右。注漿壓力值不宜過高也不宜過小，壓力值控制在0.28~0.3Mpa。

（6） 頂管接頭

本工程所用的頂管為鋼筋混凝土Ⅲ級管，頂管接頭采用鋼筋混凝土管鋼承口管橡膠圈接口。

（7） 基坑開挖及回填

土方開挖前應檢查定位放線，合理安排土方運輸車的行走路線和棄土場。施工過程中應檢查平面位置、水平標高、邊坡坡度、壓實度，并隨時觀察周圍的環境變化。本工程采用卷揚機吊斗運輸出土方式，挖出土方要隨挖隨運，每班出土應當運出，不應堆在坑邊，應盡量減少坑邊的地面堆載。要按設計確定的開挖深度開挖，挖土機械、運輸車位于基坑邊時，宜采用搭設平臺，鋪設走道板等措施支撐承重設備，以減少邊荷對擋土結構的側壓力。

土方回填前應拆除基坑四周支護結構，并清除基地的垃圾等雜物，抽除坑內積水、淤泥，驗收基底標高。對填方土料按設計要求驗收后方可填入，填方過程中應檢查排水措施，每層填筑厚度、含水量控制、壓實程度。填筑厚度及壓實遍數應根據土質、壓實系數及所用機具確定。

（8） 施工機械與設備見表2

4 施工監控及信息化管理

施工監控包括對頂進管涵的測量監控，頂進過程中對路面的監控，以及為保證公路穩定而必須進行的撐子面、管涵自身結構情況、基坑等的監控。對施工監控的成果進行信息化管理，出現異常情況時管理系統能及時準確的做出反應，快速根據情況采取強有力的措施。

表2 施工機械與設備

（1） 測量監控

在管涵頂進時必須進行嚴格的測量監控，以確保管涵施工的精度。根據測量數據通過調整千斤頂的頂力調整管涵的偏位。

（2） 路面監控

公路路面主要監測沉降、水平位移和裂縫。在頂管施工前在路面項管范圍及周邊頂管范圍布測監測點，并對每一測點高程和水平位置詳細記錄，同時觀察記錄路面的裂縫情況，在頂進過程中對這些測點的高程、水平位移和路面的裂縫情況作定時監測和頂進時的監測，沉降觀測時間從頂管開始一直到頂管完工后3 個月。頂管造成的地面沉降量未超過20mm。

（3） 壓力監控

頂管機土倉內的壓力控制在頂管機所處土層的主動土壓力與被動土壓力之間，使頂管機土倉內的壓力與頂管機所處土層中土壓力始終處于一種平衡狀態。

（4） 基坑監控

隨時對基坑邊坡進行監控。

5 重點工序預防控制措施

（1） 糾偏預防措施

發現左右偏位后，應通過調整左右側千斤頂的頂力來調整管節前進方向，另外必須每頂一鎬測量一次，發現偏位立刻糾偏，以避免出現大偏位。

（2） 撐子面滑塌預防措施

頂進施工時堅持“吃土頂進”的原則，有時由于地質突然變化或機械操作人員失誤操作可能會出現撐子面坍塌，當撐子面出現坍塌應立即停止頂進工作，在撐子面中插入鋼管，鋼管插入的密度根據坍塌的程度確定，坡腳用沙袋填壓，必要時掛鋼筋網噴射混凝土暫時封閉撐子面。

（3） 路面沉降處理措施

在正常情況下，路面不會發生影響車輛通行的沉降，但如果一旦發生意外情況，出現較大的沉降，影響了車輛的正常運行，需采取以下措施，盡快恢復交通并確保通行車輛安全：

在頂進施工前，須與交管部門聯系，在頂涵處路面發生意外時，立刻封閉出現問題的車道。

為防止頂管頂進過程中地面沉降的發生，在原配漿的基礎上，將水的摻量降低6%，來提高觸壁泥漿的稠度，起到控制觸壁泥漿的流失，可防止地面沉降的發生。

分析沉降原因，采取加大注漿壓力或其它相應措施，確保施工不再出現較大沉降。

根據路面破壞情況采用壓漿或鋪鋼板等方法快速修補路面，盡快恢復交通。

頂管施工完畢后，為防止地面下降，進行觸變泥漿置換，注漿材料擬采用純水泥漿。置換水泥漿的水灰比為1∶2.2，P＝0.2-0.5MPa，Q＝0.3m3.

（4） 空洞檢測及壓漿加固方案

對公路路界內頂管進行超聲波或地質雷達檢測。

根據檢查結果，確定不密實或空隙部位。根據頂管管節預留注漿孔分布情況，合理布置注漿孔。

漿液選用1∶1 水泥漿，水泥采用P.O42.5 普通硅酸鹽水泥，注漿壓力應不小于0.5MPa，在注漿過程中加強監測。當發生路面隆起等異常情況時，可降低注漿壓力或采用間歇注漿，直到停止注漿。

6 施工排水措施

（1） 合理采取防水措施，確保工程質量，保證工程的順利進行。

（2） 工程開工前，現場做好三通一平。

（3） 密切關注天氣預報，做好現場防雨排水準備工作。

（4） 做好臨時排水總體規劃，防止場外水流入現場和場內水排不到場外。

（5） 現場排水按照防排結合的原則，現場地形坡度不小于3%。

（6） 本工程地下水位較深，一次開挖時不考慮降低地下水位排水措施，基坑四周擋土，以防雨水流入基坑，浸泡基坑，影響施工及公路運行安全。

（7） 基坑四周設置排水溝，排水溝坡度3%，溝寬30cm，深度40cm，底部用水泥砂漿找平，厚度3cm，兩側用標準磚砌筑。

7 期間交通安全措施

施工期應與公路主管部門積極溝通，設置相應的標識，并相互協調組織，確保施工安全。

（1） 標識設置

穿越管線應在地面上設置耐久性標識，標識應設在管線中心線與公路用地最外延的交點。標識的內容包括：管線產權單位、管道輸送物質名稱、管道壓力、管道埋深以及緊急聯系電話。

（2） 穿越施工作業區應設置安全警戒區，防止無關人員進入施工現場，避免發生安全事故。

（3） 穿越施工路障設置時一定要明顯，夜間要設置警示標志，路障處設專人執勤，必要時請交警部門配合。

8 其他注意事項

（1） 施工前務必要有沿線地勘資料，查明水位標高，土質情況，管涌現象，滲透系數等，確定可行的施工方案，確保施工安全。

（2） 混凝土頂管預制成型后，當結構強度達到100%后方可進行頂進作業。

（3） 管節預制、運輸、存放時，應注意輕放，堆放的底面應平整，必要時鋪設5－10cm 的砂漿墊層，使受力均勻，以免管節開裂?；炷凉艿踹\時，管下嚴禁站人。

（4） 頂管機及管道內照明用電應使用安全電壓，動力電纜轉換接插前，要先切斷電源，后拔出插頭。

（5） 管道內的電力電纜、控制電纜應懸掛固定，嚴禁隨地鋪設，外部照明要充足，安放高度不得低于3m。

（6） 施工區域有地下光纜時，需與有關單位聯系協商，確定光纜的埋深及走向，采取可靠安全措施，以避免施工過程中對光纜造成損壞。

9 結語

土壓平衡法頂管在南水北調配套管道穿越中華大街工程施工中，施工方案機械設備、頂力計算、材料及觸變泥漿均滿足設計和規范要求，安全施工措施到位，通過監控路面沉降滿足規范要求。