顶管技术在大伙房输水工程管线施工中的应用

2013-08-10王立明

东北水利水电 2013年5期

关键词：机头顶管中继

王立明

（辽宁省大伙房水库输水工程建设局，辽宁沈阳 110166）

1 概况

大伙房水库输水（二期）工程盘锦支线主副管线采用钢顶管施工技术，顶进总长度为588 m，标准管节长度为8.5 m，顶管起点管中心高程为-16.91 m，顶管终点管中心高程为-15.15 m。

该工程施工区域位于辽河冲积平原辽河岸边，为近代退海之地。右岸地势较平坦，左岸地势起伏变化较大，穿越段高程为2.39～5.20 m（土堤、鱼塘），属中等复杂场地。施工区域土质情况自上而下依次为：耕植土、粉质粘土、粉质粘土夹粉土、粉细砂。

2 工作井接收井的结构形式及尺寸

由于区域土层中粉细砂层，具有良好的触变性及透水性，在具有一定水头的动水压力作用下易产生流砂，因此为了确保施工的安全性及可行性，将该段顶管工作井、接收井为沉井。工作井平面内净尺寸为7.95 m×15 m、接收井平面内净尺寸为φ5.0 m。

3 顶管施工的相关计算

3.1 工作井承压壁后靠土体稳定验算

顶管施工前工作井的承压壁后面的土体强度有必要加以验算，计算依据DBJ08-220-96《市政排水管道施工及验收规程》中的顶管后背土体稳定验算公式：

式中：P——顶管最大计算顶力，kN；Ep——工作井后靠井壁总被动土压力，kN；Ea——工作井顶向井壁总主动土压力，kN；γ——粉细砂的重度，15 kN／m3；H——工作井深度，m；θ——内摩擦角°，取20°；C——内聚力，kPa（取0）；B——工作井宽度，m。

一般工作井后靠土体的稳定验算按下式计算：

其中，S为稳定系数，一般取S=1.0～1.2，土质越差，S值越大。由于工作井周围土体已经发生了较大变化，因此为安全起见，该工程稳定系数取1.2。

该工程顶管工作井的限制顶力为10 000 kN。

穿越大辽河段顶管工作井后靠土体稳定验算：

通过验算可知，工作井承压壁后靠土体稳定。

3.2 顶力计算

其中：F——总推力；F1——迎面阻力；F2——顶进阻力。

式中：D——管外径1.82 m；P——控制土压力；K0——静止土压力系数。

总推力F=58.16+1 680.15=1 738.31 t。工作井所能承受的最大顶力预计为1 000 t，因此选取800 t作为设计依据，并按规定取其80%作为油缸总推力，即 800×80%=640 t。

3.3 钢顶管的浮力稳定验算

其中：F——浮力；ρ——密度；V——每节钢管体积，取 0.912×3.14×8.5=22.1 m3。

P为正，则钢管所受浮力不会对钢管造成影响。

经计算 F=324.9 kN；G土体=2 570 kN。

P=89.1+2 570-324.9＞0，因此，可确定钢管所受浮力对顶管施工不会产生钢管上浮的影响。

4 顶管顶进前的准备工作

1）对水准点和导线点进行复测，建立好测量控制网。

2）在顶管顶进施工前，按照施工要求进行施工用电、用水、排水及照明等设备安装。

3）工作井现场平面布置主要是管材堆放位置、吊车停放位置、发电机位置、泥浆排放池、清水池等。

4）顶管基座位置按管道设计轴线进行放样、就位、安装、固定。基座上的导轨按照设计轴线，并按实测洞口中心居中放置，并设置好支撑进行加固，保证基座稳定不变形。井内布置主要是后靠背、前方洞止水圈、主顶油缸、油泵车、钢扶梯等。工作井洞口止水圈安装两道止水，确保其中一道止水失效后，另一道能继续起到止水作用。

5 顶管施工方法和技术措施

5.1 顶管工具

采用DN1800泥水平衡顶管机，泥水平衡式顶管掘进机还装有主顶速度检测仪、倾斜仪等，可对顶进速度、机头旋转、水平倾角进行测量。主顶进系统设置4只250 t单冲程等推力油缸，行程1 500 mm，总推力1 000 t，4只主顶油缸组装在油缸架内，安装后的4只油缸中心位置必须与设计图一致，以使顶进受力点和后座受力都保持良好状态。

5.2 顶管顶进中的测量工作

钢顶管顶进过程中，需要定期对轴线进行复测，并对顶管机头进行跟踪测量工作，而且在顶进的过程中，也需要对整条管线进行高程测量，及时发现并避免因浮力较大而引起的钢管上浮情况。

5.3 工具管进、出洞技术措施

为确保工具管安全进、出洞，防止洞外土体坍塌及接收井洞口处土体流失、管子沉降等现象发生，对洞口位置土体进行两排旋喷加固。旋喷桩为φ800@600，旋喷设计强度为1.2 MPa。旋喷加固范围平面位置以2根顶管中心线为基准，向北、向南各延伸3.0 m。剖面位置以两根顶管中心线为基准，各向洞口上下延伸3.0 m。

为确保工具管的安全出洞，在洞口位置对土体进行3排旋喷桩加固。旋喷桩为φ800@600，旋喷设计强度为1.2 MPa。旋喷加固范围平面位置以两根顶管中心线为基准，向北、向南各延伸3.7 m。剖面位置以两根顶管中心线为基准，各向洞口上下延伸3.7 m。

1）工具管进洞。当工具管距接收井还有100 m左右时，应加强轴线复测力度，及时调整机头姿态，从而确保正确进洞；机头进洞前，在接收井洞口的封堵砖墙上先打一检查孔，检查土质情况及确定机头位置；接收井浇筑时已在洞口封门距沉井外井壁5 cm处砌筑一道50 cm的砖墙。当机头至接收井离井壁50 cm时，放出机头正确位置，再按机头位置将接收井洞口处砖墙拆除（砖墙敲碎后形成圆洞的直径应比机头直径大2 cm左右）；机头进洞后，一直推进到第一节管子到达设计位置后停止顶进，并立即将预留孔和管壁之间的空隙用快硬抗渗水泥砂浆填充密实封堵洞口。

2）工具管出洞。出洞前先将洞口止水装置装在机头上，并做好推进准备。

机头出洞前首先需要在洞口砖墙上均匀地开4个小观察孔，以检查洞外土体能否自立，是否有流沙、漏水现象。若流沙、漏水现象严重，则不能开门洞，需要对洞口外土体重新加固，才可出洞。如果流沙、漏水现象不严重，则将洞口砖墙快速拆除，同时推进机头使止水装置靠到前墙，再将止水装置固定好。

为了减小机头及管子出洞时的阻力，在进行洞口封门施工时设置注浆管，以供正常顶管施工时注入触变泥浆，从而减小管子与土体之间的摩阻力。

5.4 顶进技术措施

1）加固土体段的顶进。机头出洞后，在加固土体段顶进时要严格控制顶速，保持1 cm/min的速度顶进，一边推进一边向机头前的土体加水，以减小切土阻力，减小刀盘扭矩。

2）泥水平衡顶管施工中泥水的选择。在泥水平衡顶管施工过程中，应针对各种不同土质条件，来控制不同的泥水。地质报告显示，大辽河主、副管线主要从粉细砂及粉质粘土层中穿过。根据经验，在粉质粘土中顶进时，泥浆比重可采用1.0～1.07；在粉细沙中，泥浆比重可采用1.07～1.13。

3）中继间。经计算得知顶管的总推力大于设计主顶油缸的总推力，故需设置中继间进行中间接力顶进。顶进时，为确保安全，当顶力达到中继间设计推力的60%时，需设置中继间，当顶力达到中继间设计推力的80%时需启动中继间，中继间设计总推力F′=800 t，由16只50 t小千斤顶组成。此段顶管长度为588 m，因此需要设置3个中继间。中继间主要由前方筒、后方筒和短行程千斤顶组（16个，每个50 t，冲程为30 cm）、均压环等组成，并配置液压、电器、操纵系统。中继间密封用一个特殊形状的密封圈，可有效地起到止水及防止翻转的作用。中继间油缸被夹，固定在内壳体上，油缸均匀布置在壳体内，油缸头尾部均与钢环连接。

在实际施工中，中继间安装、启动时机相当重要，主要视顶力的上升速度而定。由于顶管顶进时，会发生一些不可预见的因素，如遇见硬土层等，造成顶力的急剧上升，此时，就必须启动待用的中继间。因此，顶进过程中的不间断监测非常重要，以免贻误中继间启动时机，造成顶管失败。当主顶顶力超过640 t时，就要马上启动机头后的第一个中继间，以后在顶进过程中，一旦主顶顶力达到640 t，就要依次启动中继间。管子推进完成以后，逐个把中继间油缸拆卸下来，并通过后面中继间和主顶逐个将其拼拢。