长距离顶管土压平衡控制

2012-09-04胡朝晖

天津建设科技 2012年3期

关键词：土压河底掘进机

□文/胡朝晖赵栋

长距离顶管土压平衡控制

□文/胡朝晖赵栋

在土压式顶管施工过程中，如何保持顶管掘进机与后背主顶油缸的动态平衡一直是困扰施工人员的技术难题。文章依托蓟运河过河顶管工程，从土压力计算、顶管参数设定以及顶管设备联动控制3个方面论述了在长距离顶管施工过程中如何实现土压平衡。

长距离；顶管；土压平衡

1 工程概况

蓟运河过河顶管工程全长437 m，顶管管径为2 000 mm，穿越蓟运河河床部分顶管距离为342 m，覆土厚度6 m，河水深度6 m。由于蓟运河河底地质情况复杂，顶管穿越过程必须控制好土压平衡，保持顶管掘进机姿态平稳匀速推进，减小因顶管施工对河床扰动造成的隆起或沉陷。

根据土压平衡的基本原理，结合施工采用的DK式土压平衡顶管掘进机开口率为100%的特点，进行了土压力的计算，根据土压力设定值进行了相应的顶管参数设定以及为实现土压平衡而施行的一些列控制措施。

2 实施方案

2.1 合理设定土压力值

从理论上讲，掘进机在顶进过程中，土仓的压力p如果小于掘进机所处土层的主动土压力pA时，地面就会产生沉降；反之，如果PA大于掘进机所处土层的被动土压力pp时，地面就会隆起。因此，只要把土压力控制在pA＜p＜pp，就能达到土压平衡。

静止土压力是介于主动土压力和被动土压力之间的一个特殊的情况，在穿越两侧堤岸部分的静止土压力强度p0可由式（1）计算

式中：K0——静止土压系数，在砂性土中，K0一般可在0.25～0.33之间取值，在粘性土中，K0则一般可在0.33～0.70之间取值，本次顶管穿越土层为淤泥质粘土，取值为0.5；

γ——土体天然重度，根据岩土工程勘察报告，γ=18.1 kN/m3；

h——掘进面的深度，自沉井顶部至顶管中线的高差，h=13.885 m。

经计算，p0=125.65 kPa。在穿越河底部分，掘进面的静止土压力由2部分组成，即河底以上为水压力，河底以下为土压力，则p0=γ水h水+K0γ土h土=10×6+0.5×18.1×6=114.3（kPa）。

从实际操作来看，一般常把控制土压力设置在静止土压力（p0±20）kPa，本次顶管将土压力设定为100～120 kPa。

2.2 合理设定顶管参数

顶管掘进机刀盘扭矩为定值，对应于同一土质，刀盘转速为定值，即单位时间内切削下来的土体积为一定值，为保证土仓内压力为一相对固定数值，要求螺旋输送机排土速度和顶管机进尺速度保持动态平衡。

顶管出土采用带有牵引装置的小车，经过现场顶进试验，平均每10 min螺旋输送机可以装满一车泥土，而每顶进一节管道（2.5 m长）总计可以装满8车，则顶管掘进机的进尺速度（亦即主顶油缸的伸长速度）为v=L/t=2.5/80=0.031（m/min），即每分钟 31 mm。

对应于直径2 000 mm管道，开挖面面积S=πD2/4=3.14×2.42/4=4.52（m2），则单位时间排土量为 4.52×0.031，即排土体积为0.14 m3/min。

顶速的控制通过油泵站调整液压油的供油和回油速度，进而控制主顶油缸的伸长和收缩的速度。为与土压力相匹配，在顶管过程中，当土压力＞120 kPa时，为防止河底隆起，需要降低顶管速度同时加快排土；当土压力＜100 kPa时，为防止河底塌陷，需要提高顶进速度同时减少排土。

顶管掘进机进出沉井预留洞口时，为保证顶管机能够按照预定高程准确进入前方土体，顶进速度不宜过快，一般控制在10 mm/min左右。

2.3 顶管设备联动控制措施

螺旋输送机的出土速度可以通过操纵按钮进行控制，掘进机顶进速度由后背主顶油缸的伸长速度决定，而油缸的伸缩由油泵站操作人员进行控制，因此，为保证出土量和掘进机进尺的平衡，必须要求顶管机内部和油泵站操作人员步调一致，同步操作。

由于运土车容积及后背主顶油缸的冲程有限，因此在运土车吊装卸土及管材吊装过程中，不可避免的要暂时停止顶进，随着顶管距离的增长，运土车从管内运输并吊运至沉井外的时间会逐渐延长，则顶管暂停的时间也会越来越长。为尽可能减少顶管暂停时间并充分利用油缸冲程，可以采取增加运土车数量和加垫顶铁的方法。

为保证土仓压力相对恒定，则要求上下工作人员采用对讲机进行及时沟通，保证动作的协调一致。在顶管周期内，顶管掘进机刀盘切削土体，螺旋输送机旋转向小车输土，同时后背主顶油缸则匀速伸长，在吊运出土和吊装下管过程中，刀盘停止切削，螺旋输送机关闭，后背主顶油缸处于空挡和收缩工况，如此循环往复，在动与静中达到一种动态平衡。