淺談大口徑長距離頂管施工關鍵技術

吳金鋒

（福建省水利水電工程局有限公司，福建 泉州362000）

1 工程背景

安徽淠河水系綜合治理二期項目工程范圍和主要內容為城西河3#支流現澆鋼筋砼箱涵、4#支流和3#～4#支流連接段鋼筋砼預制箱涵工程等施工建設，線路總長度3093.5 m。其中3#～4#支流連接段462.4 m長度范圍內障礙物極其密集，沿途穿越高速公路連接線快速通道、軍用光纜、燃氣管道、高壓電纜、大型廣告牌、在建醫院、大型棄土場等，工程施工難度較大，對工期、安全、投資等產生不利影響。

線路優化后頂管長度412 m，采用DN3000鋼承口C50鋼筋砼預制涵管（F型，壁厚275 mm），Φ8000工作井1座（壁厚700 mm），Φ8000接收井2座（壁厚600 mm）；頂管工作段長度劃分為1#接收井～1#工作井107.5 m；1#工作井～2#接收井304.5 m；管道穿越土層主要為濕陷性粉質粘土層、部分地段存在淤泥地質，覆土厚度7.8 m～9 m，地下水較為豐富，采用泥水平衡方法頂進施工。頂管平面圖見圖1。

圖1 頂管平面圖

2 泥水平衡式頂管基本原理

泥水平衡式頂管是通過操作臺控制機械切削破碎土體施工的一種頂管方法，屬于機械自動化頂管，以泥水為介質平衡土、水壓力，保持穩定且防止坍塌。利用排出的泥水來輸送棄土的一種頂管施工工藝，并將破碎下來的泥土通過水力方法連續的從位于刀盤和導向頭后面的破碎室或泥漿室中排至地表。

工作原理示意圖見圖2。

圖2 泥水平衡式頂管工作原理示意圖

3 工作井頂進距離驗算

頂管頂進必須克服管道所受最大頂進阻力，故頂進力包含掘進機迎面阻力、頂進阻力。頂管采用3600 mm口徑的泥水平衡頂管機施工，頂進阻力計算公式如下：

式中：F為總推力；Fl為迎面阻力；F2為頂進阻力。

F1＝π/4×D2×P（D為管外徑3.6 m；P為控制土壓力），

式中：Ko為靜止土壓力系數，一般取0.55；Ho為地面至掘進機中心的厚度8.2 m，取最大值9 m；γ為土的濕重量，取2.00 t/m3；P＝0.55×2.00×8.2＝9.02 t/m2。

式中：f為管磨擦阻力：管壁與土間磨擦系數及土壓力大小有關。根據有關工程統計資料，管壁磨擦阻力一般在0.1 t/m2～0.2 t/m2之間；D為管外徑3.6 m；L為頂距取304.5 m。

F2＝3.14×3.6×0.15×304.5＝516.31 t。

因此，總推力F=（15.3+516.31）×9.8=5209.8 kN。

后座墻是頂進管道時為千斤頂提供反作用力的一種結構，是頂進成敗的關鍵臨時結構。在施工中，必須保持穩定并留有較大的安全余量，要確保有充分的強度和剛度。為滿足本工程管徑φ3000 mm頂管的要求，后背設計為寬3000 mm、高3000 mm、厚100 mm的鋼板內澆C30砼結構。后靠背后力分析圖見圖3。

圖3 靠背受力分析圖

后靠背受力計算：

式中：R為反作用力；a為計算系數，取2.0；B為后座墻寬度，取4 m；r為土的容重，取19.306 KN/m3；H為后座墻的高度，取3 m；Kp為被動土壓系數tg2（45°+θ/2），取1.525；C為土的內聚力，取10 kPa；h為地面到后座墻頂部土體的高度，取6 m［1］。

經計算，圓形工作井加護套后能承受6485.04 kN＞5209.8 kN，故工作井結構滿足設計要求。

4 施工關鍵技術

4.1 設備選擇

選擇合理的機械設備是頂管成敗的關鍵。針對推頂最大距離304.7 m、地質情況等特點選擇NSPD系列泥水平衡頂管掘進機（機頭直徑3.6 m），具有獨立注水、注漿系統、刀盤清洗裝置。沉降控制精度高、頂進速度快、施工可靠性好等特點。主頂系統包括主頂千斤頂、油泵、液壓高壓管路、注漿設備等。測量儀器采用2“全站儀、高程測量采用DS3”水準儀［2］。

4.2 頂管頂進糾偏

由于本工程頂管距離長、直徑大，特別是1#工作井～2#接收井長達304.5 m，在管道頂進的全部過程中，控制頂管掘進機前進的方向并對出現的偏差采取糾偏措施尤為重要。施工中通過糾偏油缸拼裝成的4組油壓液壓千斤頂調整伸縮控制頂管方向實現，根據本糾偏系統上下左右最大糾偏角度為2.5°的特性，采用小角度（20′內）逐漸糾偏。頂進糾偏通過減緩頂進速度、勤測量、多微調，并設置偏差警戒線（最大偏差角度不大于0.5°，最大偏差距離不大于30 mm）等多項措施控制，整個糾偏過程均由中央控制室操作完成［3］。

4.3 頂管注漿減阻

長距離頂管施工中，降低頂進阻力最有效的方法是進行注漿。使管周外壁形成泥漿潤滑套，從而降低頂進阻力。預埋管節總體交錯布置注漿孔，具體布置方式為頂管機后兩節管節帶注漿孔（3個/節，均勻分布），兩節管節不帶注漿孔，以后每隔一節設置一個帶注漿孔的管節，有利于在管道周圍形成均勻的漿套。減阻泥漿由膨潤土、水、純堿、CMC減阻劑組成，每立方米配置比例為137∶820∶4.8∶3.7。壓漿方式以同步注漿為主，補漿為輔。在頂進過程中，每隔200 m增設壓漿泵以增大壓力，并經常檢查各推進段的槳液形成情況，確保注漿效果。注漿結束后應對注漿孔進行密封。注漿系統見圖4。

圖4 注漿系統圖

4.4 頂管地面沉降控制

頂管施工引起地面沉降最主要的原因是由施工引起的各種地層損失和頂管管道周圍受擾動土體的再固結造成的。特別是本項目穿越高速公路連接快速通道（60 m）對沉降控制尤為關鍵。過路段共施工4天，實際土樣為均質濕陷性黃土，頂進時控制好泥水壓力保持工作面穩定、合理增大減阻泥漿濃度。頂進結束后立即將泥漿置換為水泥砂漿（1∶2）填充、固結土體，并在施工過程中加強沉降監測等措施有效控制地面沉降。

4.5 頂管機具出洞

頂管機具準確出洞是頂管成功的關鍵。首先，在接收頂管機時，為避免引起頂管機前方土體不規則坍塌，導致頂管機出洞前方向失控；需在接收井施工完成后對井周注漿加固，采用水泥漿和水玻璃混合液（注漿比例1∶0.8），最大注漿壓力0.5 MPa，注漿孔距0.8 m。并用低標號混凝土砌堵磚封門。其次，在頂進過程中為防止因管節自重、地質情況等原因導致其在達到接收井時產生叩頭現象，頂管高程進行對應調高5 mm～10 mm以抵消相應誤差，并做好測量控制，確保準確出洞［4］。

5 結語

安徽淠河水系綜合治理二期項目頂管段經完工驗收，未發現地面有明顯沉降，各項指標均達到設計及規范要求。實踐證明，本施工段采用大斷面泥水平衡頂管工藝安全可靠、節約工期、減少投資，可為整個水系防洪排澇發揮積極的社會效益，為類似施工提供實踐依據。