泥水平衡式頂管在水利工程施工中的應用

劉惠鵬

（華北水利水電工程集團有限公司，天津 300170）

1 工程概況

大興支線工程位于北京市大興區及河北固安縣，分別與南干渠及廊涿干渠連通。大興支線連通管采用1-DN2400 球墨鑄鐵管，全長約461 km（其中北京段長約33.4 km），設計輸水流量6.1 m3/s；新機場水廠連接線采用2-DN1800涂塑復合鋼管，全長約14 km，設計輸水流量4.9 m3/s。其樁號32+426.00—33+319.12，長度893 m，頂管工作井2座、接收井2座，該段的6#—5#段（272.25 m）頂管采用DN3200鋼筋混凝土管內穿DN2400 鋼管、7#—6#（299.25 m）段與8#—7#（300 m）段頂管材質為DN2400球墨鑄鐵管。

工程區位于北京市大興區西南、永定河沖洪積中下部平原區，場區主要地貌類型有永定河河床、河漫灘及階地，局部有湖澤堆積等。場地地形開闊平坦，地面高程為29～35 m，總體趨勢表現為西北略向東南緩慢傾斜。根據工程地質剖面圖，地質結構劃分為砂土砂多層結構及砂性土單一結構2 大段。連通管線埋置深度為7～8 m，辛莊段埋置深度約為4 m，開挖土體主要為層填土、層粉砂及其亞層粉質黏土、黏質粉土、砂質粉土。地基槽臨時開挖坡度建議值為1∶1.0～1∶1.25。工程環境為交通路線及居民院落，應加強對開挖邊坡的實時觀測或監測。局部地段渠底分布有20～30 cm 的淤積物，施工開挖應適當注意對環境的影響。地下環境復雜，開挖施工應注意安全，避免破壞地下設施。連通管線基礎建基面主要為層粉砂，稍密—中密，地基承載力fka=120 kPa。

穿越處永定河河道內無水，工程場區連續分布2層地下水，穿永定河段地下水位埋置深度11～14 m，含水層厚度達到2 m，高程約19 m。第二層地下水埋藏類型為承壓水，含水層巖組為⑤細砂，地下水位埋置深度一般為16～20 m，埋置高程為12～13 m。巖土勘察報告顯示，勘察期間在勘察深度范圍內地下水位埋深較深，地下水水位對施工影響較小。

2 頂管施工

2.1 頂管機選擇

為確保工程量和施工安全，根據以往施工穿越砂層頂管的經驗，DN2400 球墨管直頂段采用NPD2400泥水平衡頂管機，DN3200鋼筋混凝土管段采用TPN3200 型泥水平衡頂管，其主要技術參數詳見表1。

2.1.1 頂管機機型及頂進施工方案選擇的依據

本工程屬于大口徑長距離鋼管頂管，頂管機機型的選擇是工程成功最重要的因素，針對工程的特點和難點，必須綜合考慮以下因素，以獲得安全、經濟和可靠的施工方法：綜合考慮工程地質和水文地質條件，選擇適用于本工程施工的機型；滿足本工程施工長度、線形控制的頂進要求，確保頂管成功是關鍵。

表1 主要技術參數

2.1.2 頂管施工機械選型

根據工程地勘資料分析，針對本工程特點采用經改進、適合本工程的大刀盤、大扭矩、可變刀盤轉速的泥水平衡頂管掘進機。

本頂管機的優點是：①頂管機、主千斤頂、泥水循環系統和泥水分離裝置成套化。②能適用各種土壤條件，如黏質土、砂土、砂礫混合卵石土和軟巖上。③使用安裝在軌道上的主頂油缸。④由一人在地面遙控操縱即可。⑤可在控制臺上進行電視監測及方向控制，精度高。帶有光靶方向控制系統，有經驗的操作人員可以將方向誤差控制在10 mm之內。⑥不間斷使用主千斤頂便可單獨頂進一節管道。 ⑦可有效地保持挖掘面的穩定，對所頂管道周圍的土體擾動較小，因此引起的地面塌陷或路面沉降也比較小。⑧作業環境比較好，也比較安全，由于它采用泥水管道輸送棄土，不存在吊土、搬運土方等容易發生的危險作業。

2.2 頂力計算

泥水平衡式頂管頂力估算公式（參考DB11/T 594.2-2014）為：

式中：F為頂力（kN）；D1為管道外徑（m）；L 為管道設計頂進總長度（m）；?k為管道外壁與土的單位平均摩阻力（kN/m3）；NF為頂管機的迎面阻力（kN）。

NF計算公式為：

式中：Dg為頂管機外徑（m）；γs為土的重度（kN/m3）；Hs為覆蓋層厚度（m）。

中繼間計算公式為：

式中：n 為中繼間數量（取整）；f0為中繼間設計允許頂力（t）；其余變量含義同上。

2.2.1 6#—5#計算

式（1）—（3）中，D1取值3.78 m，L 取值272.25 m，?k取值8 kN/m3，Dg取值3.86 m，γs取值22 kN/m3，Hs取值14.23 m（最高點），f0取值1 600 t。經計算，可以得到：總 頂 力F0=3.14×3.78×272.25×8+3.14/4×3.862×22×14.23≈29 583.94（kN）≈2 959（t），n=[3.14×3.78×8×(272.25+ 50)]/0.7×16 000 - 1=1.74。

6#—5#頂進段頂管需要總推力為2 959 t，大于DN3200 三級鋼筋混凝土管可以承受的最大頂力（2 060 t），頂進中需要安裝中繼間。主頂負責提供1 600 t的頂進推力，采用8臺300 t的油缸頂進；其余頂力由中繼間提供，中繼間設計推力為1 600 t，由32個50 t的千斤頂組成。

本段頂管需要布置2 個中繼間，本次頂進的混凝土管允許的最大頂力按照1 600 t 計算，當頂力達到中繼間設計推力的60%時，即需設置中繼間，即16 000×0.6=9 600（kN）。根據式（1），可得9 600=3 362+3.14×3.78×8×L，由上推出L=65.7（m），因此第一個中繼間布置在65.7 m處。根據式（1），可得19 200=3 362+3.14×3.78×8×L，由上推出L=166.8（m），因此第二個中繼間布置在166.8 m處。

2.2.2 7#—6#計算

式（1）—（3）中，D1取值2.706 m，L 取值299.25 m，?k取值8 kN/m3，Dg取值2.75 m，γs取值22 kN/m3，Hs取值10.43 m（最高點），f0取值1 500（t）。經計算，可以得 到：總 頂 力F0=3.14×2.706×299.25×8+3.14/4×2.752×22×10.43≈21 754.62（kN）≈2 176（t），n=[3.14×2.706×8×(299.25+50)]/0.7×15 000-1=1.1。

7#—6#頂進段頂管需要總推力為2 176 t，頂進中需要安裝中繼間。主頂負責提供1 500 t的頂進推力，采用8臺300 t的油缸頂進；其余頂力由中繼間提供，中繼間設計推力為1 500 t，由30個50（t）的千斤頂組成。

本段頂管需要布置1個中繼間，本次頂進允許的最大頂力按照1 500 t計算，當頂力達到中繼間設計推力的60%時，需設置中繼間，即15 000×0.6=9 000（kN）。根據式（1），可得9 000=1 362.21+3.14×2.706×8×L，由上推出L=112（m），因此中繼間布置在112 m處。

2.2.3 8#—7#計算

式（1）—（3）中，D1取值2.706 m，L 取值300 m，?k取值8 kN/m3，Dg取值2.75 m，γs取值22 kN/m3，Hs取值9.18 m（最高點），f0取值1 500 t。經計算，可以得到：總頂力F0=3.14×2.706×300×8+3.14/4×2.752×22×9.18≈21 591.36（kN）≈2 159（t），n=[3.14×2.706×8×(300+50)]/0.7×15 000-1=1.1。

8#—7#頂進段頂管需要總推力為2 159 t，頂進中需要安裝中繼間。主頂負責提供1 500 t的頂進推力，采用8臺300 t的油缸頂進；其余頂力由中繼間提供，中繼間設計推力為1 500 t，由30個50 t的千斤頂組成。

本段頂管需要布置1個中繼間，本次頂進允許的最大頂力按照1 500 t計算，當頂力達到中繼間設計推力的60%時，需設置中繼間，即15 000×0.6=9 000（kN）。根據式（1），可得9 000=1 198.95+3.14×2.706×8×L，由上推出L=115（m），因此中繼間布置在115 m處。

3 頂管施工

3.1 泥水平衡式頂管

頂管機被主頂油缸向前推進，頂管機頭進入止水圈，穿過土層到達接收井，電動機提供能量，轉動切削刀盤，通過切削刀盤進入土層。挖掘的土質在轉動的切削刀盤內被粉碎，然后進入泥水艙，在那里與泥漿混合，最后通過泥漿系統的排泥管由排泥泵輸送至地面上。在挖掘過程中，采用復雜的泥水平衡裝置來維持水土平衡，以至始終處于主動與被動土壓之間，達到消除地面的沉降和隆起的效果。頂管機完全進入土層以后，電纜、泥漿管被拆除，吊下第一節頂進管，它被推到頂管機的尾套處，與頂管機連接管頂進以后，挖掘終止、液壓慢慢收回，另一節管道又吊入井內，套在第一節管道后方，連接在一起，重新頂進，這個過程不斷重復，直到所有管道被頂入土層完畢，完成一條永久性的地下管道。

3.2 豎井支護設計與施工

3.2.1 豎井支護設計

為保證豎井結構穩定、開挖深度為1 m 時，在井口處設現澆鋼筋混凝土鎖口圈梁1道，圈梁寬100 cm、高50 cm，采用?22 主筋、?12@250 mm 箍筋，澆筑混凝土強度等級為C25商品混凝土。為了保證下部鋼格柵能與鎖口圈梁連接成整體，鎖口圈梁向下預留鋼筋接頭，方法是在槽底向下打孔，采用?22 鋼筋@500 mm，并在梁內錨固不小于800 mm。

3.2.2 豎井支護施工

（1）打孔布管。打設小導管前，按照設計要求放出小導管的位置。利用風鉆作為動力，用專用頂頭將小導管頂入，小導管安裝后封堵導管外邊的孔口。

（2）注漿。將注漿管聯接好后，在注漿前先進行壓水試驗測試管路是否暢通，然后開動注漿泵，通過閘閥使水泥漿與水玻璃漿液在注漿管內混合，再通過小導管壓入地層，采用注漿量和注漿壓力雙控原則進行注漿時間的控制。

（3）鉆孔位置。在開挖輪廓線的位置鉆眼，孔位誤差不大于5 cm，外插角偏差不大于2°。超過允許誤差時，在距離偏大的孔間補管注漿。

（4）檢查鉆孔、打孔質量時，畫出草圖，對照孔位編號，逐孔、逐根檢查并認真填寫記錄。

（5）注漿結束標準。采用定壓注漿，注漿終壓達到設定壓力、穩定10 min以上可以停止注漿。

（6）注漿過程中，逐管填寫記錄，標明注漿壓力、注漿量、發生情況及處理過程。

（7）單孔注漿量不少于平均每孔注漿量的80%，不足處進行補管注漿。

（8）固結效果檢查。查閱注漿記錄，檢查注漿量、注漿壓力是否達到預定要求；在注漿過程中用肉眼觀察開挖面的攢漿情況；鉆孔檢查，觀察鉆進過程中有無突進現場作業面。

（9）按設計標高開挖至鎖口圈梁底標高后，停止開挖，進行鎖口圈梁的綁筋、安設下部錨筋，鋼筋綁扎完畢，驗收合格后進入模板工程，本工程采用木模，并安設上部圍護結構錨筋和護欄預留鋼筋頭。混凝土灌注時兩側應對稱連續，兩側混凝土面高差不大于0.5 m。采用人工振搗，做到均勻、到位，徹底確保混凝土密實。由測量人員在圈梁上放設中線和高程控制點并開始砌筑370磚墻，經復測無誤后再繼續向下挖土施工。

3.3 測量與糾偏

（1）頂管測量。采用經緯儀和激光水準儀等儀器。開始頂第一節管子時每次頂進20 cm，正常頂進時每次頂進1 m。

（2）中心線測量。首先在地面用經緯儀確定頂管方向樁，然后在工作井邊的2個方向樁上掛小線，其上吊2 個垂球到工作井底部，在工作井中用激光水準儀照射2個垂球，讀前端的中心尺刻度。

（3）高程測量。在工作井內引設水準點，停止頂進，將激光水準儀支設在頂鐵上，測量前端管底高程。

4 結語

實踐證明，泥水平衡式頂管的通病包括管道軸線偏差過大、頂力突然增大、鋼筋混凝土管接口滲漏、鋼筋混凝土管裂縫、球鐵管接口漏水和地面沉降已得到有效防治，穿左堤路段壓力嚴格控制在設計要求范圍內。通過加固措施，施工時段有效控制了地面沉降，減少了對河堤的影響，有效保證了施工安全。本工程施工經驗，可在今后類似工程頂管施工中進行推廣。