大直径土压平衡顶管施工技术在市政工程中的应用

赵文华 （中铁十六局集团第三工程有限公司，浙江 湖州 313000）

1 引言

在现代化城市里，随着城市的发展各种市政管线、桥涵等构筑物逐渐增多，城市可提供的施工场地逐渐少，非开挖施工技术在城市工程建设中的应用越来越广泛，当前已发展起来的顶管施工已成为城市地下交通、管线通道工程的主要施工形式，其中土压平衡顶管施工技术应用最为广泛，它适用的土质比较广泛，是一种软黏土到砂砾土都能适用的施工方法。

2 工程概况

呼和浩特市轨道交通2号线一期工程外电源线路工程丰州变到锡林南路外电源线路工程，标段全长7000m，设计为地下电力管廊形式，工程穿越赛罕区7条主干道平交路口，经调查各种市政管线复杂交错，且交通繁忙，不具备明挖施工条件。经设计变更该7处路口段采用顶管方式施工。工程管道为强度C50、管内径3500mm、壁厚33mm、单节管长2.5m的钢筋混凝土管，接口形式为F型钢承口式接口、圆形双橡胶止水带,衬垫板采用12mm多层胶合板。管节自重25t。工作井采用抗压强度C50的钢筋混凝土沉井，沉井内径7m×9mm，墙厚1m。顶管埋深6～8m。本工程7段顶管中最大顶进长度为236m，管节94节。

3 地质情况及机型选择

根据本工程的地勘图纸得知施工区域地貌单元为大黑河冲湖积平原，地下水丰富，对此工程的影响较大。顶管所在地层为砾石成分以砂岩为主，粒径2～20mm约占50%，砾石最大粒径50mm，潮湿-饱和，中密-密。

综合以上地勘情况反映，本顶管工程施工的地层砂砾石含量较大且砾石粒径较大，岩石硬度大，土质密实，水位7.4m，顶管处于水位线以下。

现在机械顶管施工形式多式多样，需根据水文、地质情况选择不同施工形式，机型选择是顶管施工中最重要的一步，一段顶管工程能否成功施工完成，机型选择起到决定性作用。本工程根据地勘情况及参考以往施工经验，本工程采用土压平衡顶管施工方式。根据前期施工经验及设备原理研究情况认为土压平衡施工技术在富水、砂砾土、大粒径土层最为合适。

4 设备工作原理及特点

4.1 设备组成及原理

土压平衡式顶管设备主要由掘进系统 (部分掘进机头自带地质超前预报系统)、纠偏系统、排输土系统、土体改良系统、触变泥浆系统、顶推系统、操控系统及附属设备构成。

土压平衡顶管施工技术是根据土压平衡的基本原理，利用安装在顶管机最前端刀盘和机仓内土压舱的正面土体来抵抗开挖面的土压力和水压力，以达到土体稳定。顶管机用旋转刀盘切削泥土，切削下来的泥土进入机舱内的土仓，通过安装在土仓上的螺旋输送机把土仓内的土排出土仓，螺旋末端为出料口，采用轨道车+料斗把开挖土体输送到工作井后由吊车吊出。在刀盘切土及螺旋机出土的同时顶推系统推动管材及掘进机头缓慢前进。

在顶进过程中以千斤顶的顶速（刀盘切削量）为常量，螺旋输送机的转速（排土量）为变量，通过电脑及人工操作系统，控制土压舱内的土压力和水压力与切削面的土压力和水压力保持平衡，以减少对土体的扰动和减小地面的沉降或隆起。

4.2 土压平衡的特点

①施工设备简单，占用施工场地较小，对周边环境影响较小。

②能较好保持挖掘面稳定，地面变形较小，能有效保证地下管线、地面构筑物及人员安全。

③弃土的运输、处理都较方便、简单，出土可直接装车运走，也可储存堆放，无泥水外流，无需特殊装置处理渣土，较为环保。

④地层中夹杂大粒径孤石在刀盘滚刀轻微破碎后可随出土螺旋机排出，一般体积不大于螺旋半径均可顺利排出，排石直径可达30cm。

5 主要技术参数及重要工艺

5.1 顶力计算

顶管施工参数计算主要为管段顶力的计算，根据《给水排水管道工程施工及验收规范》经验公式，即：

FP=πD0Lfk+NF

注：FP——管道顶进阻力（kN）；

D0——管道外径（m）；

L——管道设计顶进长度（m）；

fk——管外壁与土体单位摩阻力（kN/m2）；

NF——顶管机迎面阻力（kN）。

顶力计算是顶管施工的关键参考依据，可通过计算顶力值来确定主要顶推系统的设备型号及其附属物资配备需求，确定采用泥浆减阻的形式，验算管节承受的最大顶力及后靠板规格等。

5.2 土质改良

掘进机的土质改良系统是通过设置在掘进机刀盘上的注浆孔把在地面加工好的土体改良剂通过压力管道系统添加到掘进面，使掘进面土体松软，利于土体切削，加过改良剂的泥土经搅拌后可使原来土体的物理性质发生变化，可以使原止水性、流动性、塑性比较差的土体变成、止水性、流动性、塑性较好的土体。既保证了施工安全，也加快了施工进度。减小了顶管机的设备磨损，扩展了土压顶管机的适用范围。本工程采用土体改良剂为聚丙酰胺，是一种线性高分子聚合物，使用效果非常突出。

5.3 触变泥浆减阻

顶管管径越大，管材自重也越大，管外摩阻力就相应增加，随顶进长度增加，所需顶力逐渐增大，顶力的增大对管体及后背墙的破坏性就加大。触变泥浆减阻是顶管施工中一个重要工艺，可减小土体与管道间的摩阻力，延长顶距，降低顶力。从管道内侧向管道外壁（预制管道时预留的注浆孔）注入触变泥浆，使管道外侧形成整圈的泥浆环，由于浮力作用使管节悬浮在泥浆中，（一般刀盘半径大于顶管管材半径1cm）可以有效达到减阻效果，可有效降低顶力50%以上。泥浆由膨润土泥（黏土）、化学添加剂、水组成。泥浆制备质量直接影响减阻效果，在开工前需先对制备泥浆的各种材料进行试验检测，根据检测结果进行泥浆试配，得出合理配比，方可施工。

在冬季施工时需对泥浆制备车间进行加温和对注浆管道进行保温处理。在注浆时必须控制好注浆压力，注浆压力可有效控制地面变形。注浆压力可根据覆盖土层厚度计算或通过现场试验确定，在砂砾石地层正常控制在0.1～0.2MPa。本工程注浆压力在 0.14～0.18MPa。由于本工程管径较大，采用10台200t(2000kN)千斤顶,1台31.5MPa液压站，理论最大顶力在18000kN左右。本工程应用触变泥浆减阻工艺后使用最大顶力为14000kN。

6 顶管施工注意事项及有效措施

6.1 地质调查

根据地勘图详细了解施工区域地质、水文情况，根据两端工作井开挖情况实际记录地质，水文情况，掌握一手资料，有利于机型选择，设备配套，可充分做好施工准备。

6.2 地下管线调查

管线调查是施工前的一项重要工作，特别是城市管网复杂地段，需调查清楚每根管线的详细情况，管线路径、埋深、种类、直径、材质、性能，接口形式等，如市政管线图纸差异教大必须邀请各管线产权单位对本单位已知和未知的管线进行现场勘察并标识，必要时需先进行管道迁改后，方可施工作业。施工过程必须保证燃气、供排水、电力、通信等设施安全和施工安全。

6.3 作业面通风及有毒有害气体检测

顶管施工经过污水管道、河道及有淤泥地层时会产生有毒有害气体，在管内作业需设置有害气体检测仪，工人作业佩戴好防护用品，安装通风设备，每次作业前必须先通风，检测合格方可开工，保证施工人员生命安全。

6.4 设置止水压板

施工涉水段工作井时洞门必须设置止水压板，洞门可采用钢洞圈，施工时在重载车辆较多路段需预先在顶进轴线铺设钢板，钢板厚度需大于20mm，以防止发生地面沉降引起的道路安全事故。

6.5 做好顶进记录

顶进过程中要做好顶进记录，按勤测量、勤纠偏、慢纠偏的纠偏原则施工，严禁剧大幅度纠偏施工。施工过程严格按照顶管操作规程操作，把顶力控制在合理数值力范围内，严禁超顶力施工，以免发生管节爆裂等质量问题。

6.6 雨污水管道引流

在需要穿越市政供排水主管线施工时需特别注意，现城市雨污管道大部分年久失修、渗漏严重，大直径顶管对周围土体扰动较大，会引起带水管道渗漏，严重会发生涌水现象，根据这次施工经验施工至据管道5m附近时，对雨污水管道进行引流，机头穿过管道5m后，恢复原排水方式，保证顶管机作业面安全及道路通行安全。

6.7 密切注意土仓及泥浆压力

施工时需密切注意土仓及泥浆压力，在快速失压情况下，要快速停机，进行原因分析，原因不明不能施工，城市地下未知管线及老旧防空等设施较多，地下未知管线和老旧防空洞较多，施工时需特别注意，地况复杂地段可在施工前采用地质雷达进行探测。

7 结语

大直径土压平衡式顶管施工在呼市地铁2号线外电源标取得了成功，且效果显著，日掘进量在8～10m。3.5m顶管为呼市乃至内蒙地区最大直径的混凝土顶管工程，土压平衡顶管施工很适合呼市这种短距离地质情况变化较大的地层施工。此种施工方式施工精度高，施工进度快，且不影响城市交通，减少各种地上构筑物及地下管线的迁改，经济效益显著，可在保证各种市政设施运行情况下进行施工作业，可穿越各种桥梁、铁路、河道，整体经济效益显著，为今后的市政工程大直径顶管施工积累了丰富经验，打好了坚实基础。