泥水平衡顶管施工技术在碎石桩基础中的应用

冯向珍

【摘要】顶管施工可以避免传统开挖施工所出现的影响交通、污染环境等不利因素，且具有快速、高效等特点，已经应用于越来越多的管道施工工程中。新乡市南水北调中线配套工程穿越济东高速采用泥水平衡顶管施工法施工，先创性的将该施工工艺应用于碎石桩基础中，取得了良好效果。

【关键词】泥水平衡顶管施工技术；碎石桩基础；南水北调中线配套

1、工程概况

新乡市南水北调中线配套为输水管道工程，其30号口门输水管线向获嘉县供水，输水管线长22.94km，主管采用DN1200的PCP管。该工程在桩号17+511.765～17+621.765处穿越济东高速公路，高速公路交叉里程为K98+784，穿越总长度110.0m。为保证不影响济东高速公路交通畅通，避免对道路进行破坏、减少环境污染，穿越工程采用顶进施工保护套管型式，即圆形混凝土套管+钢管的穿越方式，顶管进出口与阀门井连接。顶管用套管为DN1800的圆形混凝土管，内设DN1200的钢管；其中穿越高速公路限界部分总长55米，其他顶管穿越位置均为农田地。

穿越工程所在处地质情况为少粘性地震液化土地基，高速公路施工中采用碎石桩对地基进行处理，碎石桩嵌入液化土层深度约1m，采用粒径20～50mm洁净的碎石，成桩直径0.5m，间距1.8m，梅花形布置。

泥水平衡顶管施工技术在穿越济东高速碎石桩基础中的应用，先创性的将该技术成功用于复杂地质条件下，技术安全可靠，取得了不错了工程效果。

2、穿越处工程条件

2.1、 地质情况

30号供水管线穿越济东高速公路中心桩号为17+570，地貌属冲洪积平原，地形平坦。根据地层时代、岩性及空间分布特征，将建筑物场区地层划分为4个工程地质单元，分别为：砂壤土（alQ42）、细砂（alQ42）、轻壤土（alQ42）、黄土状重粉质壤土（al+plQ3）；其中液化土层为砂壤土（Q4），其下层的Q3轻粉质壤土不液化，最大液化土层深度10m，液化等级严重。

土岩体的物理力学性指标建议值表见表1。

2.2、 济东高速地基处理方案

济东高速公路施工中采用碎石桩对地基进行处理，碎石桩嵌入液化土层深度约1m，采用粒径20～50mm洁净的碎石，成桩直径0.5m，间距1.8m，梅花形布置，其处理施工图如图1图2：

2.3、 问题的提出

针对输水管道穿越济东高速部位面临的少粘性地震液化土地基、碎石桩基础、交通不能中断等问题，寻求一种安全、快捷、高效的优化施工的新方法意义重大。

图1 碎石桩挤实平面图

图2、 碎石桩挤实横断面图

顶管施工技术是一种管道铺装技术，无需开挖面层，有具大推力的液压千斤顶可用在有遥控装置的顶管掘进机的后方，使掘进机及紧随其后的管道穿越土层，达到预先设计的位置上，被挖掘物质通过泥浆循环系统用泵排出，到达地表。该方法能穿越地面构筑物和地下管线及公路、铁路、河道，节省大量投资和时间，对城区的交通、噪音、粉尘的危害和影响大大降低，是真正的无污染、高效率的施工技术。由于采用泥水加压，能使开挖面保持稳定，对所顶管子周围的土体扰动比较小，施工引起的地面沉降也比较小。

目前国内开展的泥水平衡顶管施工，主要适用于各种粘土、N值小于50的砂土或者砾径小于20mm、砾石含量不大于30%的砂砾石，不大适用于渗透系数大和卵石含量多的砂卵石底层，在碎石桩基础中开展的案例更是少见，可以借鉴的成功工程实例不多。

3、 研究内容

3.1、 施工工艺特点

泥水平衡顶管技术施工原理是将置于工作井中的顶管掘进机通过主顶油缸向前推进至止水圈后，由电动机提供能量转动掘进机头刀盘来切削土层、粉碎石块，并使之进入泥水仓与泥浆混合，然后由泥浆系统的排泥管泵送至地面；与此同时，机头连同管道在持续顶进力的作用下，最终穿过土层到达接收井。在挖掘过程中，采用泥水平衡装置来维持水土平衡，使顶进管道始终处于主动与被动土压之间，可以达到消除地面的沉降和隆起的效果。

本工程选用的是顶管机选用D2630带破碎功能的泥水平衡顶管机，泥水顶管刀盘设置耐磨的堆焊焊条焊缝，其破碎砾石大小为管径的40%以下，强度可达200MPa。切削下来的泥土及碎石在泥土仓内形成塑性体，以平衡土压力，而在泥水仓内建立高于地下水压力10～20KPa的泥水、泥浆，以平衡地下水压力。

图3、现场主顶设备安装图

图4、 泥水平衡顶管施工流程图

3.2、 顶推力计算

根据本工程地质勘察报告和水文地质资料选取适当参数，根据规范及有关资料进行计算。

后座反力计算

忽略钢制后座的影响，假定主顶千斤顶施加的顶进力是通过后座墙均匀地作用在工作坑后的土体上，为确保后座在顶进过程中的安全，后座的反力或土抗力R应为总顶进力的1.2～1.6。

式中：-總推力之反力，kN；

-系数，取a=1.5～2.5；

B-后座墙的宽度，m；

-土的容重，kN/m3；

-后座墙的高度，m；

-被动土压系数（见顶管施工技术及验收规范中表7.1.8），取1.42；

-土的内聚力，kPa；

-地面到后座墙顶部土体的高度，m。

2）顶力计算：顶管的顶力就是顶管过程管道受的阻力，包括工具头正面泥水压力、管壁摩擦阻力。

①管材受力分析（混凝土管DN1800）

顶管传力面允许的最大顶力按下式计算：

式中：- 钢管管道允许顶力设计值（KN）；

-管材受压强度折减系数，可取1.00；

-管材脆性系数，可取1.00；

-管材顶管稳定系数，可取0.36：当顶进长度<300m时，穿越土层又均匀时，可取0.45；

-顶力分项系数，可取1.3；

-管道的最小有效传力面积（mm2）；

-钢材受压强度设计值（N/mm2）。

②顶管段总推力

式中： F-总推力（kN）；

F0-初始推力（kN）；

f0-每米管子与土层之间的综合摩擦阻力（kN/m）。

式中： -管外径，取1.648m；

-挖掘面前土压力（取=150kPa）；

-地下水压力（kPa）；

△P-附加压力（一般取20kPa）。

=

式中：-水的密度（kg/m3）；

-地下水位到挖掘机中心深度。

式中： -综合摩擦阻力（kPa），采用触变泥浆注浆值；

-管外周长（m）；

-每米管子的重力（kN/m）；

-管子重力在土中的摩擦系数，取0.2。

3.3 施工工艺流程

泥水平衡顶管施工方案工序多，要求高，因此在施工过程中，应做好施工计划，严格按照施工顺序、施工流程进行。其施工顺序如下：

测量引点→工作井施工→测量放样→井下导轨机架、液压系统、止水圈等设备安装→地面辅助设施安装→顶管掘进机吊装就位→激光经纬仪安装→掘进机出工作坑→正常顶进→顶管机进接收坑，如图4所示。

3.4、 施工细部注意事项

管线穿越济东高速公路要求以“边通车，边施工”的方式进行顶管工程建设，对施工技术、施工质量要求更高，因此在施工中应严格按照有关施工技术要求执行。

1）工作井方法：根据对拟建场地的土层特征、地下水位及施工条件的综合分析，本工程的工作井采用排水下沉和干封底的施工方法。

2）降水方法：根据本工程的沉井施工特点分析，采用管井降排水结合井内泥浆泵明排水的降水方法。采用该方法降水不但施工方便、降水效果好，而且能有效防止粉细砂土层可能发生的流砂或管涌等不良现象发生，以此保证工作井施工的安全和顺利进行。

3）顶管轴线控制措施：顶管要按设计要求的轴线、坡度进行。主要是掘进机头部测量与纠偏的相互配合。纠偏原则为勤测勤纠和小角度纠偏。

4）地面及建筑物沉降控制措施：地表监控采用地表观测的方法，沿顶进轴线的管线保护和重要区段进行沉降跟踪观测，经数据处理分析后作为及时调整掘进机参数的依据，减小地面沉降量。

5）管道的顶进在不良地层情况中，采取如下措施：

①少出土、多顶进，保持地层的稳定。

②在顶进过程中，应该随时注意工具头前端的土压情况，保证使工具头前端土体不发生坍塌。

③在地质情况复杂的地层需要加注泥浆，以增加土体和易性和平衡土体的压力。

4、 施工优点

鉴于泥水平衡顶管施工法在新乡市南水北调配套工程输水管线穿越济东高速中的成功应用，对其先进性和特点归纳入下：

1）顶进过程中的全自动化控制。机械式土压平衡系统同排泥系统结合在一起，能有效地平衡土壓和地下水的压力，同时机械自动地把挖掘出来的碎石、泥渣等通过管道输送出去，有效地解决了地下水、地下构筑物等复杂地质条件对施工的影响，使得施工更安全、施工工艺更先进。

2）可有效地保持挖掘面的稳定，对所顶管子周围的土体扰动比较小，不影响社会交通；

3）泥水平衡顶管机操作较大，施工速度快，较复杂的地质条件也能够实施，显著提高了生产效率；

4）在地下水位比较高的情况下，顶进施工不必进行降水作业，彻底解决了降水难度较大及渗漏造成降水无效的难题。

5 、结语

综上所述，基于泥水平衡顶管施工方法，结合穿越济东高速工程交通保通要求，穿越部位碎石桩基础、高地下水位的特殊地质情况，针对工程施工难点进行了深入细致的研究，提高了泥水平衡顶管施工方法应用范围和施工质量，具有创新性，对于类似工程，可以参照采用。该施工方法在碎石桩基础中的成功应用，一方面体现了该方法的优越性和可实施性，另一方面对国内类似工程具有普遍的指导意义，彰显了巨大的社会和经济效益。

参考文献：

[1]中国工程建设协会标准.CECS246：2008给水排水工程顶管技术规程.北京：中国计划出版社[J]，2008.

[2]魏纲，等.顶管工程技术[M].北京：化学工业出版社，2011.

[3]泥沙平衡式顶管工法在新洲河整治工程的应用[J].人民黄河，2014（增刊）：49-50.