土壓平衡頂管下穿市政主干道施工技術

劉志發

（中交第四航務工程局有限公司，廣州 510000）

1 引言

頂管施工技術由于其工程造價低、施工便捷、對施工周圍影響范圍小等優勢被廣泛應用于各類管道鋪設工程中。與傳統開挖式管道鋪設技術相比，頂管技術在不用大面積開挖地面、不破壞地上建筑物的基礎上就可以進行管道鋪設，大大提升了施工速度，降低了對地上附著物的破壞程度。因此，加強對頂管施工技術的研究具有十分重要的意義。

2 工程概況

某采用機械頂管施工工藝的雨水管道建設工程，頂管施工區域的地質結構組成為：第四系沉積物中更新統和下更新統都是沖洪積底層，中更新統呈黃土狀，下更新統呈黏土和砂石狀。頂管施工范圍整體處在黏土地質結構處，不受地下水的影響，地上為略帶斜坡的平原區。雨水管道與城市主干道垂直交叉，采用外徑為φ1 400 mm～φ1 422 mm 的單排鋼筋混凝土管進行頂管穿越城市主干道，頂管總長度為72.5 m，管道鋪設施工深度7.05 m。

3 路基工作區的影響

該雨水管道鋪設施工中，由于采用的是頂管施工技術，要保證正常的交通運行，所以事先設計的鋪設雨水管道的施工范圍與公路路基要保持一定距離，同時路基工作區域范圍內的路基強度和穩定性是保證正常施工最重要的影響因素。路基工作區應力作用如圖1 所示，計算過程為：

圖1 路基工作區應力作用示意圖

式（1）、式（2）中，σB為路基土本身重量在路基內深度Z 處引起的應力；γ 為土重度；Z 為路基深度；σZ為車輛荷載引起的附加應力；P 為輪重；K 為路基反應模量；r 為頂管水平距離。

當r=0 時，附加應力σZ最大，計算公式為：

當頂管處于路基某一固定深度時，車輛荷載引起的附加應力σZ與路基自重引起的應力σB相比較而言，車輛荷載引起的附加應力約是路基自重引起的應力的0.1～0.2 倍，只占相當小的比重。這時的車輛荷載附加力對下部路基的影響幾乎可以忽略不計。將該深度Z 范圍內的路基稱為路基工作區，則有式（4）：

因此，可以計算得出路基工作區深度Za的計算式為：

式（4）、式（5）中，P 為輪重；γ 為土重度；n 為路基應力系數，取n=5～10；K 為路基自應模量，取值0.5。

當將行駛車輛的輪重按照550 kN 進行測算時，計算的其他相關參數是：單側后輪荷載P1、P2取140 kN；后輪輪距b=2.5 m；M、N 為P1受力點，M1、N1為P2受力點，土體的重度γ=11 kN／m3。表1 為車輛荷載作用下頂管覆土厚度計算結果。

表1 車輛荷載作用下管頂覆土厚度計算結果

由表1 可知，位于路基2.68 m 深度以下的范圍已超出路基工作區，因此，該工程中雨水管道鋪設施工深度7.05 m 已不在路基工作區范圍內，符合施工設計要求[1]。

4 沉降分析

假設在工程施工過程中，土體的體積不發生改變，不發生排水的情況，當土體損失的部分等于沉降槽的體積時，按照Peck 理論計算地面橫向沉降的公式為：

式（6）、式（7）中，S（y）為y 處地面沉降量，mm；y 為地面與頂管軸線的橫向水平距離，mm；Smax為頂管軸線上方的最大地面沉降量，mm；Vloss為頂管單位長度的土體損失量，m3/m，Vloss=πR2η；其中，η 為土體損失率，R 為掘進機外半徑，R=1.08m；i 為地面沉降槽寬度系數，即沉降槽曲線拐點與頂管軸線的水平距離，m。當η=0.02 時，則地面沉降槽的寬度系數計算過程如下：

式中，h 為頂管軸線至路面的距離，m；n 為冪函數指數，取n=1。

以此，可以計算得知最大地面沉降量Smax=0.007 147 m，由計算結果可知，頂管軸線上方的地面最大沉降量幾乎不向兩側沉降，完全符合施工設計要求[2]。

5 施工技術

5.1 頂管施工的前期準備工作

在進行具體頂管技術施工前，為了確保整體工程的施工進度和質量，需要在施工現場提前設置施工設備，提前將頂管機、發射架、反力架設置在施工井的內側，同時要提前準備好水泵、全站儀、電焊機、激光校準儀等一些輔助設備，在人力施工困難的部位提供有效幫助，保證工程的順利實施。

5.2 工作井設計及施工

該工作井的尺寸參數為：長7 m，寬4 m，護臂為0.4 m 厚的鋼筋混凝土，底板是0.5 m 厚的鋼筋混凝土。采用沉井施工工藝，先在沉井周圍設置水泥攪拌樁止水帷幕的方式，沉井分節下沉，在施工人員人工開挖的過程中，同時對其進行封閉作業，以此來保證工作井的牢固性。在工作井外側設置的水泥攪拌樁，樁徑為0.5 m，采用普通32.5 硅酸鹽水泥按照1∶2.2～1∶2的水灰比配置澆筑而成[3]。

5.3 后背墻

該工程中的后背墻是在工作井內墻的基礎上，對其進行加寬處理。后背墻的施工高度為2.76 m，厚度為30 cm，同時要在后背墻上鋪設鋼板作為鋪墊。在后背墻施工過程中要保證后背墻面始終與雨水管道處于垂直狀態，垂直角度的誤差率＜0.001，水平扭轉度＜0.001。

5.4 工作井導軌安裝

該工程中導管是由標號為120 的工字鋼與標號為20 的槽鋼焊接而成的雙排導軌，安裝導軌時一定要注意保證雨水管道中心線和坡度的設計要求，從而來保證雨水管道的極端可以順利頂進，安裝導管過程中要隨時用測量儀器進行檢測，要確保軸線位置誤差率＜3 mm。

5.5 千斤頂安裝

該工程使用的3 臺千斤頂為ZB-50 型、重200 t 的高壓電動油泵，要將3 臺千斤頂的進油管并聯在一起，并聯時保證油管的順直，盡量減少拐彎，同時要保證各千斤頂活塞的出力和行程是一致的。將千斤頂安裝固定在支架上時，要保證千斤頂的作用力與雨水管道的垂直度。

5.6 頂鐵的安裝

頂鐵按照功能性狀可分為環形頂鐵和U 形頂鐵，其主要工作原理是：在頂進管道后，布設在千斤頂和雨水管道兩端之間的傳力構件，通過該構件可以將千斤頂的綜合作用力均勻地作用在頂管端部，進而起到調節千斤頂和管端距離的作用。在對頂鐵進行安裝時，一定要將頂鐵、導軌等相互接觸的截面清理干凈，以免發生因接觸不良而引起滑動。將頂鐵安裝完成后，要在頂鐵和雨水管道之間襯墊膠合板，從而使雨水管兩端均勻地受力。同時在安裝過程中，要保證頂鐵中心線、管道中心線、千斤頂中心線三線處于平行狀態，以免發生頂力偏離重心。

5.7 頂進施工

5.7.1 正常頂進施工

在雨水管道進行頂進施工前，一定要事先對所有設備進行檢修，確?？梢哉Ｊ┕?。正式開始頂進作業過程中，要按照一邊擠壓泥漿一邊頂進，不壓泥漿不進行頂進作業的原則，對鑿好孔的雨水管頂入土層，在雨水管頂進過程中，一定要做好測量檢測工作，具體測量頻率要求是：初次頂入土層時，每頂進30 cm，測量次數≥1 次；當雨水管全部進入土層后，每頂進1 m，測量次數≥1 次。

5.7.2 測量與糾偏

在進行頂進作業時，要采用全站儀來對頂進施工進行測量并隨時糾正偏差，具體頂進施工作業中還應注意以下事項：

1）根據施工設計要求，沿著雨水管的頂進線路設置水準線路，并布設水準點和導線點，同時要按照設計圖紙標注出工作井的位置和深度，便于工作井的具體開挖作業。還要標記出開始工作井和結束工作井的中心點，并在標記的工作進邊緣搭設好支架，準備好焊接工具。

2）將投點的位置作為導線點，依照順序逐一開展兩個井之間的導線數據值，也就是我們常說的貫通導線值，與此同時需將兩個井的各自投點做聯測處理，在基礎條件充足的情況下，可直接將投點布設為導線點，確保該投點的數值精確，同時做好牢固標志的設立工作，便于后續的二次測量。坐標點設立可參考貫通導線和井口的實際投點數值，井下投設方向也一并做好設立點，加設水準點以做臨時測試使用。

3）控制觀測臺的搭建與設立尤為關鍵，其中對于儀器的基座要加做強化配置，且兼具調整的靈活性，并以中線作為數值偏差的衡量標準，直至儀器橫軸完全處于中線的位置上。

根據本工程的實際情況，放置在頂管機設備中的測量靶網格尺寸嚴格控制在10 mm，以測量靶發射出的激光點方向控制頂管設備的傾斜率，并配以調整好的千斤頂，以改變頂管機在推進時的前進方向，達到頂進方向嚴格控制的標準結果。頂進過程中，要隨時以觀測臺上的激光經緯儀發出的激光束作為管道的中心數為參考，確保實際作業時的頂進數值與設計坡度完全吻合，遇偏差情況要及時利用設備進行糾偏處理，即借助偏離信號+視頻傳輸的方式進行頂進方向的調整，確保前進放線與激光線保持一致。頂進距離在5～10 m 時，需參考以下偏差值作為允許范圍：（1）軸線距離：50 mm；（2）高程距離：30 mm。

工具頭前方有糾偏節，技術人員需隨時觀察位于糾偏節中的千斤頂設備，確保其在頂進作業期間處于正確的前進方向，且對工具頭加以控制，便于保證頂進方向的正確性。偏差＞10mm時，需立刻采取糾偏的方式予以處理。

6 結語

頂管作業期間，土壓平衡工藝的無須開槽、對路面破壞程度小、工期短且對周邊既有建筑物和道路干擾小等優勢，被廣泛應用于市政管道的鋪設工程中。本文以某管道工程為案例背景，對土壓平衡頂管在下穿城市主干道的施工作業展開詳細的論述和分析，在提升本工程質量的同時，對類似工程也有一定的指導和借鑒作用。