淺談機械式土壓平衡頂管施工要點

于順霞

(遼寧省河庫管理服務中心(遼寧省水文局)，沈陽 110003)

0 引 言

頂管法施工作為不開槽施工的一種重要形式，因其具有施工用地少、對交通干擾小、縮減開挖和支護費用，以及相對節約工期和資金的特點，多用于引調水、給排水及其他各類市政工程中。而土壓平衡頂管工法因為具有土質普適性好、能夠適應淺埋深、掌子面土壓力較易控制、對土體擾動小、棄土易于處理等突出優點，被廣泛應用于市區重要建筑物、構筑物的近接和穿越工程。

1 土壓平衡頂管法基本施工原理

根據土壓平衡的基本原理，利用頂管機的大刀盤切削正面土體，使進入機頭土壓倉內的土體壓力抵抗開挖面的水土壓力，穩定土體。以頂管機的頂速(即切削量)為常量，螺旋輸送機轉速(即排土量)為變量進行控制，使土壓倉內的土體壓力與開挖面的水土壓力保持平衡，保障開挖面的土體穩定，控制地表的隆起和沉降[1]。如土壓平衡原理示意圖所示，土倉壓力過大或過小，會導致地表隆起或沉降。

2 土壓平衡頂管主要施工控制要點

2.1 始發井、后靠背及止水圈

始發井是頂管機始發場所，也是承受頂進油缸推力的主要構筑物。根據土質和現場情況，采取適宜的井室構造形式，及時做好井底和井壁混凝土，并形成一體圍護結構，有利于頂管工程的快速開展和施工中的作業環境改善。

后靠背是把頂管機頂進油缸反作用力均勻傳遞到始發井后部土體中的墻體，多由鋼筋混凝土制成。為均勻承受油缸推力，保障后靠背的使用壽命，后靠背墻與油缸撐腳之間，多配有較厚的鋼板或鋼結構件一體受力。

始發井圍護結構、后靠背墻和始發井后部土體的承載力驗算關系到頂管頂進的成敗，必要時應對圍護結構和后靠背尺寸、配筋進行增大，并對始發井后部土體采取注漿加固的措施，以提高極限承載力，保證頂進設施的穩定[2]。

洞口止水圈安裝在始發井出井方向和接收井進井方向，具有防止地下水和泥沙進入井室的作用。洞口止水圈的選型和安裝質量會極大影響井室密閉性，如果密閉不嚴，輕則會影響施工期作業環境，重則會導致井室附近地表沉陷。

土壓力平衡原理示意圖(1)見圖1；土壓力平衡原理示意圖(2)見圖2；洞口止水圈常見形式示意圖見圖3。

2.2 頂管機

頂管機是參與施工頂進的主要設備，在頂進管道的最前端，一般根據土質、覆土厚度，出土形式限制等因素進行設備選型，文章探討的，是機械式土壓平衡頂管機。頂管機的選型，對頂管施工的成敗也是決定因素之一。成功的設備選型有利于頂管施工的順利進行。

圖1 土壓力平衡原理示意圖(1)

圖2 土壓力平衡原理示意圖(2)

圖3 洞口止水圈常見形式示意圖

2.3 頂進裝置

頂進裝置一般由油缸、油泵、油管和控制系統等部分組成。頂進油缸沿工作管圓周均勻布置，一般成對對稱分布。油缸頂進壓力由油泵通過高壓油管供給。油缸常用壓力在30MPa到40MPa之間，高的可達50MPa。

頂進油缸在頂進時，需克服各類阻力，比如灌入阻力，頂管機和工作管摩擦力等等；頂進過程中其受力組合也會發生變化，比如糾偏、后靠背位移等等，在進行油缸頂力設計計算時，應考慮較為適宜的安全系數。

2.4 頂鐵

頂鐵作用與后靠背墻前搭配的鋼板或鋼結構作用相仿，是為了將頂進油缸頂力均勻傳遞至工作管管壁，并解決部分頂進油缸行程不足的問題。

2.5 工作管及接口

工作管目前多為鋼筋混凝土管和鋼管。文章探討的工作管為鋼筋混凝土管，單節長一般2-3m，管節之間應采用可靠的接口形式，以保證頂進過程和頂進完成后管道的密閉性。

2.6 基坑導軌

基坑導軌一般采用鋼軌，焊接在軌枕上。基坑導軌主要有以下幾個作用：①在頂進過程中起到導向作用；②頂進時有效撐托頂鐵；③出土時可作為運土小車軌道。

基坑導軌的剛度驗算及現場安裝精度，也極大的影響著頂進的成敗和頂進施工的質量，其坡度應與施工坡度一致，安裝后應牢固，不應產生位移。施工過程中，應定期對導軌進行檢查和復測，以保證施工精度和質量。

2.7 出土裝置

機械式土壓平衡頂管機常用的出土裝置為皮帶出渣機配合軌道小車或者攪拌裝置和泥水泵。出土裝置的選擇應依據施工區段現狀及場地布置情況選擇，一般鬧市區和施工場地狹小區段應采用固體出土裝置，既便于棄土運出，又能保證文明施工，減少污染；郊區、鄉村地區或者施工場地充足區段，可采用泥漿式出土裝置，可以有效提升出土效率，提升施工進度。

2.8 管材吊運設備

管材吊運設備可選種類較多，一般根據頂管頂進長度，施工場地限制，施工區段連續性來選擇。單側頂進長度較長，施工場地充裕的區段，可采用門式吊機，其特點是操作簡便，工效穩定；單處頂進長度不長，需定期專場的頂管施工，可采用履帶式吊機；如頂管部位較多，需頻繁轉場，多工序交叉作業，可選用汽車吊進行管材吊運，轉場簡便。

2.9 注漿系統

注漿系統一般由攪拌機，注漿泵和管道組成。攪拌機一般采用強制式，觸變泥漿漿液組成和配比，需要通過現場試驗確定；注漿泵應有注漿量和注漿壓力記錄裝置，以便對注漿參數進行有效控制。

頂進循環完成后，應采用水泥砂漿或粉煤灰水泥砂漿等對觸變泥漿進行置換。頂進完成后，拆除注漿管路時，應將工作管的注漿孔封閉嚴密。

注漿系統示意圖，如圖4所示。

圖4 注漿系統示意圖

2.10 測量系統

機械式土壓平衡頂管常用的測量儀器，是經過改制添加激光發射器的經緯儀。其原理是，將經緯儀置于始發井后部底板固定處，激光射線與頂進坡度平行，于頂管機內拱頂某處設置光靶，機頭出始發井時應進行標定，激光點應打在光靶中心，后續頂進過程中，根據光點打在光靶位置，可直觀判斷頂進時的水平和豎向偏差。

為保證總體施工精度，需通過測量儀器定期對經緯儀基準點進行校核，及時發現豎向和水平位移，超過允許偏差時需進行糾正。如頂管距離較長，應采用輔助測量方式，以保證軸線精確。

2.11 輔助設施

2.11.1 供電及照明設施

如采用高壓盡管供電形式，應合理規劃電纜托架部位，在保證施工安全的前提下，便利施工同行。照明燈具應嚴格采用安全電壓，并采取相應安全措施。

2.11.2 通風設施

如頂進距離較長，應采用相應通風設施，保證工作面潔凈空氣供應。

3 部分施工經驗總結

3.1 糾偏

土壓平衡頂管機在施工過程中，由于受力組合較為復雜、頂進油缸參數設置偏差、掌子面土質不均勻、頂管機自重等因素影響，較易產生一定的頂進偏差。一般來講，通過滾動糾偏、調整相應油缸定力等方式進行糾偏。

根據現場施工經驗教訓，糾偏時應注意以下事項：首先是如采用滾動糾偏，應待刀盤停止轉動后再改變刀盤轉動方向，以免導致糾偏動作失敗；其次是要動態掌握掌子面土質變化，以便隨時根據土質調整頂進參數，另外也應加強過程監測，避免出現較大偏差；最后是即使由于各種因素出現了較大偏差，仍應控制糾偏幅度，不應出現過大蛇形量，以免造成后期穿管困難。

3.2 注漿

首先，注漿時應盡量選擇螺旋泵，因為其不會導致漿液脈動現象，較易形成穩定漿套；施工頂進中應盡量減少中斷頂進間隔時間，如中斷時間過長必須補充壓漿，否則易造成頂管機停機后機頭刀盤卡死情況。

4 結 論

機械式土壓平衡頂管施工過程中對文章所述要點進行有效控制，基本可以保證頂進施工有序有效進行，在允許偏差范圍內，完成頂進。另外，對于重要建筑物的頂管穿越，應合理布置地表沉降觀測點并定期觀測記錄，掌握實時沉降。