顶管施工关键技术研究及中航支线工程实践

2019-05-20吴发展

广东土木与建筑 2019年5期

吴发展

（中铁隧道集团二处有限公司河北三河 065201）

0 引言

顶管法是借助千斤顶将掘进机从工作井推进到接收井的施工方法，依靠管道掘进机头部的钻掘系统切削土屑，出土系统将切削的土屑排出，边顶进，边切削，边排土，将管道逐节向前铺设的一种地下管道非开挖施工技术。顶管施工占地面积少，其地下施工对地面活动影响较小，它不需要开挖地面层，故节约征地拆迁费，尤其是在城市繁华地段，有很高的经济和社会效益。施工时产生的噪音很小，不扰民。在现有道路下铺设管线时，不影响地面交通，顶管法在市政工程中得到了较好的应用［1］。袁鲁峰等人［2］将泥水平衡机械顶管施工方法应用在市政截污工程中，取得较好的施工效果。荣亮等人［3］以下穿城市道路的超大断面矩形顶管工程为背景，对土压平衡顶管状态控制和纠偏进行了详细介绍。谈力昕等人［4］通过拱北隧道顶管顶进力实测分析，以国内外2 种计算公式，探讨了曲线顶管顶进力计算与实际顶进力的差异，顶进力与泥浆润滑程度有密切关系，顶进力估算参数依赖地区经验结合现场试验确定。触变泥浆在顶管施工中起减阻、填补和支撑作用。袁为玲等人［5］通过试验研究原材料含量对触变泥浆的影响，施工现场应根据膨润土性能、地层参数等试验出适合本工程的触变泥浆配合比。张鹏等人［6］、苏荣军等人［7］研究了顶管施工引起的地表沉降，对地表及相邻建筑物的沉降进行控制至关重要。狄晓红［8］探索矩形顶管在砂卵层中的适用性，研究顶管机的切削系统和排渣系统。本文依托城市北环电缆隧道介绍中航支线顶管施工技术。

1 工程概况

电网北环110 kV 架空线改造入地电缆隧道工程线路全长约24.8 km，中航支线长552.021 m，起讫里程ZH1K0+000～ZH1K0+552.021，采用顶管法施工，将位于中心公园的SJ4 竖井作为工作井，电网大楼旁边的SJ4-1 竖井作为接收井，顶管隧道设24.03‰上坡由SJ4 竖井向SJ4-1 竖井方向顶进；顶管在工作井的埋深为25.195 m，在接收井的埋深为16.4 m。顶管管节为预制C50P10 钢筋混凝土（见图1），管节内径3 500 mm，外径4 140 mm，管壁厚320 mm，节长2 500 mm，管接口为F 形接口，钢尾套长145 mm。每节管节预埋4 个DN25 钢管注浆孔，管节最大容许顶力为 15 000 kN［9］。

顶管隧道下穿中心公园、华富路、振兴路、中航路，工作井端至ZH1K0+100 隧道围岩稳定，岩体主要为完整的微风化花岗岩。ZH1K0+100～SZ1K0+200 围岩变化频繁，依次经历的花岗岩分别为中风化、强风化、微风化、中风化状态，ZH1K0+200～ZH1K0+530 围岩依次为残积砾质粘性土、全风化和强风化花岗岩，接收井端花岗岩主要为中风化。地下水按赋存方式主要分为第四系松散层和全风化带中的孔隙水、强-微风化基岩裂隙水类型。孔隙水主要接受大气降水及地表水补给。裂隙水主要受地下水径流侧向补给，且未形成稳定连续的水位面，地下水稳定水面埋深为2.15～2.83 m。

图1 钢筋混凝土预制管节Fig.1 Reinforced Concrete Prefabricated Pipe

2 顶管机选型

顶管掘进机根据施工方法分为敞开式和封闭式两大类，敞开式顶管因安全性不高及精度差，已经限制使用；封闭式为机械化程度较高的土压平衡、泥水平衡和混合式顶管机。顶管机型选择的原则是适应性、安全性和经济性。不仅考虑机具的地层适应性、施工效率，更重要的是保证施工人员的安全。地层条件是选择顶管工法的主要依据，施工前取得比较详尽的勘探资料，对顶管所涉土层的物理、力学性质进行详细的描述，顶管掘进应采用泥水平衡式或土压平衡式［10］，中航支线地面为城市道路，接收井附近为电网大楼，由于周围建筑物安全等级高、对施工地层变形控制要求高，土压平衡顶管的螺旋输送机易发生喷涌致掘进面失稳，故选用泥水式顶管较宜［11］。泥水平衡机械顶管机通过泥水循环系统出渣，通过顶进参数有效控制沉降变形，其土质适应性强、安全性高、地表沉降少、可有效平衡地下水、管理方便。根据地质条件和管节内径，中航支线配置DN3500 泥水平衡岩石顶管机组织施工。

3 工作井端头加固

顶管工作井始发端采用基坑围护桩及止水帷幕加固。始发洞门采用C30、P10 混凝土，采用HRB335钢筋进行加固处理，洞口预埋钢环及与洞口连接的管节预埋钢环的钢环钢板与法兰钢板的焊接焊缝连续不渗水。洞口预埋钢环与洞口连接的管节预埋钢环钢材均为Q235 钢，除与混凝土的接触面外，钢板需涂防锈漆。

4 现有顶进力计算公式

4.1 中国非开挖技术协会给出的顶管顶力计算公式［12］：

式中：P 为计算的总顶力（kN）；f 为顶进时，管道表面与其周围土层之间的摩擦系数；γ 为管道所处土层的重力密度（kN/m3）；D1为管道的外径（m）；H 为管道顶部以上覆盖土层的厚度（m）；φ 为管道所处土层的内摩擦角（°）；ω 为管道单位长度的自重（kN/m）；L 为管道的计算顶进长度（m）；Ps为顶进时顶管掘进机的迎面阻力（kN）。

4.2 广东省基础工程集团有限公司给出的顶进力计算式［10］：

式中：F 为顶进阻力（kN）；F1为顶管机前端正面阻力（kN）；F2为管道的侧壁摩阻力（kN）；D 为管道的外径（m）；P 为泥水平衡顶管机截面中部的地下水压力（kN/m2）；fk为管道外壁与土的单位面积平均摩阻力（kN/m2）；L 为管道顶进施工长度（m）；。

4.3 顶进力计算应采用当地应用成熟的经验公式。当地无经验公式时，可用住房和城乡建设部给出的计算式［13］：

式中：Fp为顶进阻力（kN）；D0为管道的外径（m）；L 为管道设计顶进长度（m）；fk为管道外壁与土的单位面积平均摩阻力（kN/m2）；NF为顶管机的迎面阻力（kN）。

4.4 上海市顶进力计算公式［14］：

式中：F 为总顶进阻力（kN）；F1为管道的侧壁摩阻力（kN）；F2为顶管机的迎面阻力（kN）；D 为管道外径（m）；L′为管道顶进长度（m）；f 为管道外壁与土的平均摩阻力（kN/m2），宜取 2～7。

泥水平衡顶管控制土压力R1近似计算公式为：

式中：γ 为顶管上覆土层的容重（kN/m2）；H 为上覆土层的厚度（m）；D′为顶管机外径（m）；φ 为土的内摩擦角（°）；c 为土的黏聚力（kN/m2）。

上述顶进力计算的思路基本是顶进力=顶管机迎面阻力+管道外壁与土的摩擦阻力。

5 顶进力的计算

施工顶进力应考虑管节材质、顶进工作井后背墙的允许最大荷载、顶进设备能力等因素。施工顶进力应大于顶进阻力，不超过管材或工作井后背墙的允许顶力。由于项目地处广东，应采用当地应用成熟的经验公式，首选文献［10］给出的顶进力计算式：F=F1+F2，F1=πD2（P+20）/4，F2=πfkDL。

式中：k0为静止土压力系数，一般取0.55；γ为土的湿重度，取19kN/m3；H0为地面至顶管机中心的厚度，取端头墙处的最大值24m；fk取5kN/m2；L取485m。

式⑽代入数值，得 P=0.55×19×24=250.8 kN/m2。则代入⑵～⑷得：F1=3.14×4.142×（250.8+20）/4=3 643.5 kN，F2=3.14×5×4.14×485=31 524 kN，F=3 643.5 kN+31 524 kN=35 167.5 kN。

6 中继间施工

有关规范要求：一次顶进距离超过100 m 时，应采用中继间技术［13］，施工最大顶力超过允许顶力时，应增设中继间等措施［12］。

本工程DN3500 泥水平衡岩石顶管机主顶系统采用12 个 2 000 kN 顶镐组合（见图2），最大推力24 000 kN。本工程计算顶进力为35 167.5 kN，使用的钢筋混凝土管节最大容许顶力为15 000 kN，管节最大容许顶力小于顶管顶进所需最大顶力，故需在顶管后设置中继间。中继间的合理布置可满足顶力要求，起到接力顶进的作用，可在顶管机后方40～50 m 处设置第1 个中继间，主要克服前方管节与机头的摩阻力、掌子面对切削刀盘的反力，其他中继间根据顶力需要设置，中继管段的推力不超过中继间力的70%。

图2 顶进管节Fig.2 Jacking Pipe

中继间外径与管节相同，结合本工程情况，中继间外径为4.14 m，长度2.5 m。中继间采用25 mm 厚钢板卷制焊接而成，中继间需有足够的刚度、良好的密封性和连接性，内设25 mm 厚钢板作为径向肋板，防止中继间顶进时的变形。中继间内均匀布置10 组1 000 kN 顶镐推进（见图3），每循环推进0.5 m。距顶管机头最近的中继间先顶，其余中继间保持不动，所有中继间顺次顶进后，主顶完成最后的顶进作业。

图3 中继间均匀布置的顶镐Fig.3 Top Pick with Uniform Arrangement between Relays

7 注浆减阻

顶管工程中，广泛使用膨润土泥浆减小顶进时管外壁承受的摩阻力［15］。膨润土是以钾、钙、钠蒙脱石为主要成分的粘性矿物，其具有膨胀性和触变性。膨润土加水搅拌成悬浮液泥浆，静置为胶凝体，经搅拌或泵送，转变为有粘性和流动性的胶状液体，再次静置，则又成为胶凝体。膨润土的这种触变性有助于减小顶进管道在地层中的阻力，在管道外围形成一个较完整的泥浆套，顶进时起到减阻和支撑地层的作用。

顶进施工使管道与土体之间产生空隙，合理的注浆可填补该空隙，减小土层的运动，减小地面沉降。注浆压力过大将挤压周围土体，形成地面隆起，注浆压力小则不能充分填补空隙，造成地面沉降。随着顶管推进，注浆效果明显下降，需要对已施工管节补充注浆。管节上均布4 个注浆孔，在管节顶进时同步注浆。

⑴泥浆配比

膨润土、水、纯碱、CMC 分别为 200～250、350、3.5～4.5、1.5～3.5 kg/m3。

⑵压浆管路及压浆孔布置

泥浆搅拌机固定在始发井口，泥浆充分搅拌均匀后先注入储浆桶，通过压浆泵送至井下进浆主管。压浆主管在需要压浆的管节处连接到4 根支管，通过管节上预留的4 个注浆孔向管节外注入减阻泥浆，以有效降低混凝土管节与周围地层间的摩擦阻力，压浆原则是“先压后顶、随顶随压、及时补浆”。顶进过程中，部分浆液散失到土层中，为保证浆液的填充效果，间隔一段时间后必须进行补浆。

8 置换注浆

顶管结束后，采用1∶1 的水泥浆，将管道外的触变浆液通过注浆孔置换出来，防止顶管地层沉降，达到稳固顶管隧道结构的目的。注浆前对注浆管做压水试验，必要时进行疏通清理，保证注浆管畅通。注浆时必须控制注浆的压力，连续作业。注浆顺序为由通道中部向工作井、接收井两端进行。

9 地面沉降监控

为保证地面建筑物、道路交通的正常使用，事先充分预测顶管施工对地表变形的影响［12］，采取有效的技术措施进行监测和保护。在市区施工，必须进行地面变形监测和建筑物沉降观测。在施工区域外设置监控基准点，沿顶管机前进轴线方向布置观测点，对交通道路、建筑物设监控点，监测数据分析资料及时反馈给顶管司机，据此决定是否调整掘进参数、纠偏。SJ4～SJ4-1 区间顶管施工时地表沉降监测点和周边建筑物监测点一直在进行观测，监测频率为施工单位每天1 次，第三方监测单位每周3 次。监测数据显示（见表1），地表沉降监测点受到施工的影响有一定的沉降和隆起，建筑物沉降监测点则较为稳定。