砂卵石地层人工顶管施工减阻工艺探究

摘  要：顶管施工减阻工艺的应用关系着最终的施工质量以及项目能否正常使用。在砂卵石地层中，由于特殊的地层结构及管土作用形式，对于减阻工艺的确定、减阻材料的选择都有不同的要求。本文通过分析常见减阻工艺的适应性，并结合工程实例研究了砂卵石地层中人工顶管施工减阻工艺。结果显示综合应用管身涂蜡减阻、材料填充工艺对于减小砂卵石地层中人工顶管顶进阻力具有显著的效果，对类似工程的实施具有一定的指导意义，同时也为相关企业或单位后续在开展相似项目、进行顶管施工时提供了参考。

关键词：砂卵石地层;顶管施工;减阻工艺

中图分类号：U175        文献标识码：A        文章编号：1671-2064（2020）03-0000-00

0 引言

现代顶管技术最早由美国于19 世纪初在修建北太平洋铁路中使用[1]，我国的顶管施工最早于1953年在北京开展[2]，因具备工期偏短、造价较低、不影响地面交通等优势，在如今在给排水、道路、仍旧有较为广泛的应用。

近年来机械顶管技术得到了较大的发展，但在砂卵石地层中，由于卵石直径较大且硬度较高，采用机械顶管技术，对刀盘的磨损较大，对开口率的要求较高，在考虑成本、工期的因素下，人工顶管仍然具有一定的优势。通常在制定顶管方案时，应考虑管道承受压力、顶进过程中管道与土体间的摩擦力、减阻措施、后背墙及千斤顶能够提供的顶力等多种因素来确定顶进距离。合理的顶进距离是控制工程造价、缩短施工工期的重要因素，而适宜的减阻措施对于增加单段顶管顶进距离具有重要的意义。本文对“砂卵石地层人工顶管施工减阻工艺”展开探究，简述砂卵石地层中管土作用机理，分析常用减阻工艺的实用性，通过工程实例中减阻工艺的应用验证减阻工艺的效果，希望以此验证减阻工艺在砂卵石地层顶管施工中的应用成效，总结适应性较强的减阻工艺组合。

1 砂卵石地层顶管阻力特性

1.1 管土相互作用

关于管土作用，目前有两种常用的假设模型，第一种假设由Haslem[3]提出，认为土体在掘进及顶进过程中保持稳定，管道只在底部一定宽度的弧面上滑动，侧壁及顶部与土体没有接触，摩擦阻力主要为管道自重作用于底部接触面形成;第二种假设由O'Reilly 和Rogers[4]提出，认为顶进过程中管道周围土体均匀接触，管道自重及土压力作用于接触面形成了摩擦阻力，通常在黏性土中第一种假设与工程实际情况更贴近。而砂卵石地层主要由一定粒径范围的卵石、沙及少量其他成分构成，由于其致密程度、粒径分布、黏粒含量等不同，其稳定性也有较大差异。但在人工顶管过程中掘进及顶进对地层造成的扰动，通常会使管道上方及侧壁存在不同程度的失稳坍塌，造成了土层与管道外表面间的接触。这种接触传递的土压力大小（图1）与地层本身的特点有直接关系，较难准确计算或模拟。同时在砂卵石地层中，土层与管道外壁的接触从局部分析也并非均匀接触，而是体现为卵石与管道外壁的点面接触和沙层与管道外壁均匀接触的组合，同时考虑到坍塌过程中由于卵石之间的接触往往会形成骨架架空结构，而卵石与卵石之间的砂，通常只是松散的充填于管道卵石之间（图1），因此，土压力的传递主要为卵石与管道壁的接触。

1.2 阻力特性

顶管顶进过程中为顶入土体的管道与土体之间相对位移，千斤顶提供的轴向顶力主要用于平衡管道外壁与土体产生的摩擦阻力，在工程应用中，对于这种结构中的摩擦阻力，仍然可理解为决定于摩擦系数、接触面积及土体压力。在砂卵石地层中，这种摩擦阻力大体上可分为两个部分，其一为卵石与管壁接触产生的摩擦阻力，另一部分为砂与管道外壁形成的摩擦阻力，如图2中所示，砂卵石地层中主要的土体压力通过卵石与管道外壁间的接触进行传递，同时管道与松散沙尘之间接触，产生相对滑动时，沙层本身也可以相对滑动，基于此，在砂卵石地层中，可以认为管道顶进阻力的主要来源为管道外壁与卵石的点面接触摩擦阻力，因此，在考虑制定减阻工艺时，应着重考虑这一因素，制定有针对性的减阻措施。

2 砂卵石地层顶管减阻工艺应用

2.1 工程概况

本文选取了位于成都平原的某给排水工程顶管施工作为工程实例，研究砂卵石地层中减阻工艺的效果。项目位于成都市新都区毗河流域，顶管施工范围部分位于砂卵石地层中，根据地勘资料卵石层卵石（Q4al）：黄灰～浅灰色。卵石粒径2～15cm（中、下部偶见含粒径>20cm以上的漂石）多呈亚圆状，以微风化为主，极个别处于中等-强风化状态，其含量>50%。卵石成分以石英岩、闪长岩、花岗岩为主，含少许脉石英等。填充物以细、中砂为主，局部含少量粘粒、粉粒及砾石等。顶管施工井间距最大56m，最大埋深8.93m，最小覆土2m，采用合格的顶管专用钢承口承插砼管，管径d800，Ⅲ级管。顶管施工期间采用管径将地下水位降低至管道底高程以下0.5m。为方便验证减阻工艺效果，选取27-28、28-29两个顶管段进行对比试验，管段长度均为50m，其中27-28管段未采取减阻措施。

2.2 减阻工艺选择

常见的顶管减阻工艺包括管身涂蜡、泥浆充填等[5]，在砂卵石地层人工顶管过程中，由于掌子面与管道之间不能形成有效的封闭，采用泥浆等流动性较大的减阻材料时，较难在管道外形成封闭的泥浆环，且溢出泥浆污染工作面，劣化施工环境，一般较少直接采用;管身涂蜡，是通过改变接触面的摩擦系数，降低摩擦阻力，通过给管身、工具管涂蜡使管身变得更加光滑，来增加管材的滑动性，减少顶管施工过程中管身与土壤间的摩擦阻力，达到有效减阻的效果，对砂卵石地层中管道与卵石的接触面是有效且易于实施的。此外，考虑到砂卵石地层顶管的摩擦阻力主要来源于卵石与管道外壁的接触的特点，在管道与卵石之间填充固体低强度材料以减少土层塌陷、改善管道與土体之间的接触特性，也是行之有效的方法。为实现减小阻力的目的，通常要求这种固体建筑材料，有轻质、抗剪强度低、摩擦系数小、松散、具有一定弹性等特点，在工程实践中，同时还要综合考虑材料的成本、加工等问题，本项目选用了塑料盲板碎片、稻草作为充填材料。

同时由于采用材料对管道外壁与土层的间隙进行了预先填充，这种填充并不密实，可为后续的回填注浆施工提供了浆液扩散的通道，有利于回填施工的质量控制。

2.3 顶力与顶进距离关系分析

在本项目实施过程中，采用《给水排水管道工程及验收规范》（GB50268-2008）规范估算顶进阻力、选择顶进设备，经计算每管段配置2台150吨千斤顶满足需要。按照给水排水工程顶管技术规程CECS246：2008式8.1.1，验算管道结构强度Fdc=2800.9KN，满足顶进工艺要求。

Fdc=（0.5×∮1×∮2×∮3×fc×Ap）/（ γqd×∮5）

式中：Fdc——允许顶力，N;

∮1——混凝土材料受压强度折减系数，取0.9;

∮2——偏心受压强度提高系数，取1.05;

∮3——材料脆性系数，取0.85;

∮5——混凝土强度标准调整系数，取0.79;

fc——混凝土受压强度设计值（N/mm2）取32.4，

Ap——管体受力横截面面积，计算得221868.12mm2;

γqd——顶力分项系数，取1.3。

在实施过程中，27-28管段未采取减阻措施，28-29管段采取管身涂蜡+固体材料填充的复合减阻工艺进行顶管施工，施工过程中，对顶进距离及千斤顶顶力读数进行了记录结果见图3。

砂卵石地层顶管施工过程中，顶力平衡的有摩擦阻力、迎面阻力，顶管顶进过程中，迎面阻力恒定且较小，摩擦阻力变化是导致不同顶进距离下顶力出现高低变化的关键原因。同时，导致摩擦阻力出现变化的因素极多，顶力与顶进距离的关系十分复杂，例如减阻工艺的运用、地质条件等等，均会导致顶管顶进过程中的顶力出现震荡。但从整体趋势上分析，随着顶进距离的增加，由于其他原因造成的扰动干扰逐渐减弱，顶力与顶进距离之间总体呈现出线性正相关关系。

2.4 减阻工艺效果评价

通过上述两个管段的顶进试验，可以看出在0～20米范围内减阻措施体现的效果并不明显，但在20米到50米范围内，采用了减阻措施的管段在相同顶进距离的情况下，顶力明显小于未采取减阻措施的对照组，且随着顶进距离的增加，这种优势越明显，由此，可以看出采用管身涂蜡及固体充填减阻的复合工艺对于降低砂卵石地层中人工顶管摩擦阻力具有明显的效果。同时，采取了固体充填减阻措施的28-29管段，在进行对管道外壁与土体之间的间隙进行填充注浆时，浆液扩散速度更快，注浆效果较好。

3 结语

根据对砂卵石地层中管土作用的分析，选择了管身涂蜡及固体填充物的复合减阻工艺，并在工程中进行了应用，从顶进距离与顶进顶力的关系分析来看，采用这种减阻工艺，对于减小顶进阻力有良好的效果，采用国标Ⅲ级管（管径D800），单段顶进距离大于50米，同时，可谓后续回填注浆提供浆液扩散通道，有利于保障注漿质量。但同时应注意到由于砂卵石地层中管径、卵石粒径、卵石强度、卵石含量及分布的不同，会造成摩擦阻力有较大波动，在进行减阻工艺选择及阻力计算时应慎重。文中所描述的管土作用及管道与卵石之接触，仅根据工程实例进行了简单的分析，要明确管道与砂卵石地层的接触机理，还需要进行大量的理论分析及工程实践。

参考文献

[1] Zhou， JianQing. Numerical  analysis  and  laboratory  test  of  concrete  jacking  pipes[D].Doctor Dissertation， University of Oxford，1998.

[2] 北京市第一上下水道公司.上下水道顶管施工方法[M].北京：城市建设出版社，1957.

[3] Haslem， R. F. Pipe-jacking forces： from practice to theory[C]. Infrastructure renovation and waste control. ICE North Western Association Centenary Conference， Manchester， Manstock， 1986.

[4] O'Reilly， M. P.，Rogers， C. D. F.. Pipe jacking forces[C].In Proceed. International. Conference. On Foundations and Tunnels 87， Edinburgh，1987.

[5] 丰巨武.砂卵石地层泥水平衡顶管施工方案探析[J].山西水利，2018，34（07）：35-36+41.

收稿日期：2020-01-13

作者简介：柏波（1986—），男，重庆人，本科，工程师，研究方向：工程管理。