土压平衡法在顶管中的应用研究

2013-04-04王宝秋

科学之友 2013年4期

王宝秋

（天津东丽湖建设发展有限公司，天津 300131）

本工程为东丽湖泵站截流管工程（东丽之光～迎乐路）Y7～Y8段顶管施工，顶距88 m，本次顶管Y7～Y8管底高程为－4.46 m，现状地表高程为3.95 m，Y7工作坑开挖达9 m，Y8作为Y7～Y8和Y9～Y8两段顶管的接收坑，开挖深达10 m。根据天津市地质工程勘查院提供的地质报告，确定该施工场地地质情况为：抗震设防烈度为7度，场地类别为Ⅲ类；土质为粉质粘土，密度较大；地下水静止水位埋深为2.9 m左右，大沽标高约1.2 m左右，地下水对混凝土及混凝土中钢筋无腐蚀性；场地地基土标准冻结深度为0.6 m。由于Y7～Y8顶管沿途经过中心环路泵站，而 Y8接收坑又位于中心环路泵站变电室和万科居民楼之间，施工空间狭小，地质情况复杂，地下水位较高，考虑到上述顶管对于顶管质量和地面沉降要求较高，为了保证顶管施工安全进行并保护居民楼，特制定施工方案。

1 前期准备工作

1.1 相关计算

顶管顶力计算及工作坑支护和稳定性校核计算，主要做好顶管顶力计算、顶管工作坑稳定性计算、组装式后背墙顶力校核工作。

1.2 顶管工作坑施工与加固

1.2.1 方法

工作坑是顶管施工的临时设施，其内部设有后背、导轨、排水坑、密封门等设备。在顶进过程中是管节、土方运输的出入口，长距顶管时工作坑可作为转向井，顶管竣工后工作坑经过改建可作为管道工程的检查井等附属构筑物的坑位。工作坑设计过程中包括以下几项内容：①工作坑水泥搅拌桩止水帷幕施工；②钢板桩基坑尺寸；③工作坑排水措施；④工作坑基础组。

1.2.2 加固措施

由于由于排水七分公司办公房拆迁问题导致 Y8接收坑无法施工，Y7顶管工作坑于2005年5月份施工完成后一直未启用。顶管工作坑也因为开挖时间过长，周围泥水流失严重而造成局部支撑变形。在顶管施工之前，我部决定对Y7顶管工作坑进行彻底加固，以保证顶管施工的安全。

1.3 顶管接收坑施工

顶管接收坑是顶管入洞、拆卸并起吊顶管机头、施作检查井的维护结构，其安全稳定性能、尺寸关系到顶管施工的成败。我部进行科学计算，确定 Y8顶管接收坑施工方法如下：①测量放线，确定Y8接收坑中心坐标及Y7～Y8和Y9～Y8顶管方向及夹角；测量接收坑与周边建筑（变电室、居民楼及排水七分公司办公房）的平面距离，为下一步接收坑尺寸放线提供依据。②接收坑尺寸放线，确定开挖轮廓，根据现场放线确定打桩方案。

2 土压平衡式顶管施工

2.1 土压平衡式顶管施工方法

2.1.1 工艺原理

土压平衡顶管是根据土压平衡的基本原理，利用顶管机的刀盘切削和支承机内土压舱的正面土体，抵抗开挖面的水土压力以达到土体稳定的目的。以顶管机的顶速即切削量为常量，螺旋输送机转速即排土量为变量进行控制，待到土压舱内的水土压力与切削面的水土压力保持平衡，由此减少对正面土体的挠动，减少地表的沉降和隆起。

2.1.2 顶管机选用

本工程选用大刀盘土压平衡顶管机进行施工。土压平衡顶管机的纠偏系统是由四组纠偏缸构成的，纠偏的控制是根据管道激光测量定位系统来定位，保证了施工质量。对于障碍物，土压平衡机刀盘中央有一人孔，通过刀盘电流及压力表可反映顶进是否正常，如果发现异常，打开人孔，可以清除机头前方障碍。

2.2 工作坑内布置

主要工作包括安装基坑导轨、洞口止水、测量仪器安装。

2.3 工作坑坑外布置

工作坑坑外布设原则上不妨碍起吊及交通运输，设备之间互相不冲突以及合理利用场地。附施工现场平面布置图见图1。

2.4 管道顶进

顶进过程：安装顶铁，千斤顶油泵，活塞伸出一个工作行程后，千斤顶回油，活塞回缩，增加顶铁。重复以上工作循环，直至顶进长度超过一节管子长度后，撤去纵向顶铁，安装下节管。

图1

3 顶管施工主要技术措施

3.1 穿墙出井

从打开穿墙管闷板，将顶管环掘进机顶出工作井外到安装好穿墙止水，这一过程成为穿墙。钢板桩拔除应按洞门一侧向另一侧依次拔出的原则进行。

3.2 测量放样

主要有：①地面测量。由于工作井和接收井两井不通视，故采用 0.5级全站仪直接布置地面控制桩。在顶管施工期间必须对控制桩进行复测，每顶 50 m对控制桩进行复测一次。②井内测量。通过控制桩用仪器定出井下管道顶进轴线测量仪器的位置，同时在测量仪器对面井沿口与井壁上分别设置测量仪器的复测校核点与线，以便在管道顶进轴线测量过程中对仪器自身位置的位移进行检查；仪器位置的复核每隔6 h一次。③管道顶进轴线测量。

3.3 纠偏

管道偏离轴线主要是由于作用于工具管的外力不平衡造成的，其直接结果就是顶管顶力产生偏心。顶进纠偏普遍采用调整纠偏千斤顶的编组操作，若管道偏左则千斤顶采用左伸右缩方法，反之亦然。如同时有高程和方向偏差，先应纠正偏差大的一面。除此之外，采用封闭式顶管掘进机，有条件可用削土盘上可伸缩的超挖刀，超挖正面局部土体，以达到纠偏目的。顶进中发生顶管机旋转时应采取措施防止偏转扩大，常用措施为改变切削刀盘的转动方向和在管内的相反方面增加压重块直至正常。

3.4 触变泥浆减阻和长距离压浆

3.4.1 压浆设备

注浆泵选用脉动很小的螺杆泵、搅拌器、泥浆管道、管路接头、控制阀、压力表。

3.4.2 注浆孔的布置

我们拟将注浆孔设置在管子前端、橡胶圈偏后，这样注进的浆液在土壁上形成较为均匀的浆套。

3.4.3 注浆压力

泵送注浆出口处压力控制在0.1～0.125 MPa（或2～3 γh）。注浆时压力不宜过高，这样易产生冒浆，由于压力的增大，也会使阻力增大。

3.4.4 压浆顺序

地面拌浆→启动压浆泵→总管阀门打开→管节阀门打开→送浆（顶进开始）→管节阀门关闭（顶进停止）→总管阀门关闭→井内快速接头拆开→下管节接总管→循环复始。

3.4.5 压浆配比

注：此配比为重量比，单位kg。

3.5 正面稳定

顶管在顶进和开挖过程中，注意防坍塌、防涌水、确保正面土体稳定。保证正面土体稳定最关键的是尽量使正面土体保持和接近原始应力状态。对土压平衡工具管施工中保证正面稳定最关键的是其密封土压舱中的土压力值，一般该土压力值为正面土体静止土压力的1.0～1.1倍。

3.6 施工参数控制

3.6.1 土压力设定

实际土压力的设定值应介于上限值与下限值之间。为了有效的控制轴线，初出洞时，宜将土压力值适当提高，同时加强动态管理，及时调整。随着顶管机切口距洞门的距离逐渐缩短，应降低土压力的设定值，确保封门结构稳定，避免封门过大变形而引起泥水流入井内等严重后果，在顶管机切口距洞门6 m左右，土压力将为最低幅度，以维持正常施工的条件。

3.6.2 顶进速度

一般情况下，顶进速度控制在20～30 mm/min.初入洞时，顶进速度不宜过快，一般控制在10 mm/min左右，顶管机处于进洞区域时，为控制顶进轴线、保护刀盘，正面水压设定值应偏低，顶进速度不宜过快，尽量将顶进速度控制在10 mm/min。

3.6.3 出土量

严格控制出土量，防止超挖及欠挖。正常情况下出土量挖制在理论出土量的98 %～100 %之间。进洞加固区出土量一般控制在 105 %左右。为避免工具管切口内土体涌入接收井内，在工具管进入洞门前应尽量挖空正面土体。