浅谈机械式土压平衡顶管施工要点

2021-01-15于顺霞

黑龙江水利科技 2020年12期

于顺霞

(辽宁省河库管理服务中心(辽宁省水文局)，沈阳 110003)

0 引言

顶管法施工作为不开槽施工的一种重要形式，因其具有施工用地少、对交通干扰小、缩减开挖和支护费用，以及相对节约工期和资金的特点，多用于引调水、给排水及其他各类市政工程中。而土压平衡顶管工法因为具有土质普适性好、能够适应浅埋深、掌子面土压力较易控制、对土体扰动小、弃土易于处理等突出优点，被广泛应用于市区重要建筑物、构筑物的近接和穿越工程。

1 土压平衡顶管法基本施工原理

根据土压平衡的基本原理，利用顶管机的大刀盘切削正面土体，使进入机头土压仓内的土体压力抵抗开挖面的水土压力，稳定土体。以顶管机的顶速(即切削量)为常量，螺旋输送机转速(即排土量)为变量进行控制，使土压仓内的土体压力与开挖面的水土压力保持平衡，保障开挖面的土体稳定，控制地表的隆起和沉降[1]。如土压平衡原理示意图所示，土仓压力过大或过小，会导致地表隆起或沉降。

2 土压平衡顶管主要施工控制要点

2.1 始发井、后靠背及止水圈

始发井是顶管机始发场所，也是承受顶进油缸推力的主要构筑物。根据土质和现场情况，采取适宜的井室构造形式，及时做好井底和井壁混凝土，并形成一体围护结构，有利于顶管工程的快速开展和施工中的作业环境改善。

后靠背是把顶管机顶进油缸反作用力均匀传递到始发井后部土体中的墙体，多由钢筋混凝土制成。为均匀承受油缸推力，保障后靠背的使用寿命，后靠背墙与油缸撑脚之间，多配有较厚的钢板或钢结构件一体受力。

始发井围护结构、后靠背墙和始发井后部土体的承载力验算关系到顶管顶进的成败，必要时应对围护结构和后靠背尺寸、配筋进行增大，并对始发井后部土体采取注浆加固的措施，以提高极限承载力，保证顶进设施的稳定[2]。

洞口止水圈安装在始发井出井方向和接收井进井方向，具有防止地下水和泥沙进入井室的作用。洞口止水圈的选型和安装质量会极大影响井室密闭性，如果密闭不严，轻则会影响施工期作业环境，重则会导致井室附近地表沉陷。

土压力平衡原理示意图(1)见图1；土压力平衡原理示意图(2)见图2；洞口止水圈常见形式示意图见图3。

2.2 顶管机

顶管机是参与施工顶进的主要设备，在顶进管道的最前端，一般根据土质、覆土厚度，出土形式限制等因素进行设备选型，文章探讨的，是机械式土压平衡顶管机。顶管机的选型，对顶管施工的成败也是决定因素之一。成功的设备选型有利于顶管施工的顺利进行。

图1 土压力平衡原理示意图(1)

图2 土压力平衡原理示意图(2)

图3 洞口止水圈常见形式示意图

2.3 顶进装置

顶进装置一般由油缸、油泵、油管和控制系统等部分组成。顶进油缸沿工作管圆周均匀布置，一般成对对称分布。油缸顶进压力由油泵通过高压油管供给。油缸常用压力在30MPa到40MPa之间，高的可达50MPa。

顶进油缸在顶进时，需克服各类阻力，比如灌入阻力，顶管机和工作管摩擦力等等；顶进过程中其受力组合也会发生变化，比如纠偏、后靠背位移等等，在进行油缸顶力设计计算时，应考虑较为适宜的安全系数。

2.4 顶铁

顶铁作用与后靠背墙前搭配的钢板或钢结构作用相仿，是为了将顶进油缸顶力均匀传递至工作管管壁，并解决部分顶进油缸行程不足的问题。

2.5 工作管及接口

工作管目前多为钢筋混凝土管和钢管。文章探讨的工作管为钢筋混凝土管，单节长一般2-3m，管节之间应采用可靠的接口形式，以保证顶进过程和顶进完成后管道的密闭性。

2.6 基坑导轨

基坑导轨一般采用钢轨，焊接在轨枕上。基坑导轨主要有以下几个作用：①在顶进过程中起到导向作用；②顶进时有效撑托顶铁；③出土时可作为运土小车轨道。

基坑导轨的刚度验算及现场安装精度，也极大的影响着顶进的成败和顶进施工的质量，其坡度应与施工坡度一致，安装后应牢固，不应产生位移。施工过程中，应定期对导轨进行检查和复测，以保证施工精度和质量。

2.7 出土装置

机械式土压平衡顶管机常用的出土装置为皮带出渣机配合轨道小车或者搅拌装置和泥水泵。出土装置的选择应依据施工区段现状及场地布置情况选择，一般闹市区和施工场地狭小区段应采用固体出土装置，既便于弃土运出，又能保证文明施工，减少污染；郊区、乡村地区或者施工场地充足区段，可采用泥浆式出土装置，可以有效提升出土效率，提升施工进度。

2.8 管材吊运设备

管材吊运设备可选种类较多，一般根据顶管顶进长度，施工场地限制，施工区段连续性来选择。单侧顶进长度较长，施工场地充裕的区段，可采用门式吊机，其特点是操作简便，工效稳定；单处顶进长度不长，需定期专场的顶管施工，可采用履带式吊机；如顶管部位较多，需频繁转场，多工序交叉作业，可选用汽车吊进行管材吊运，转场简便。

2.9 注浆系统

注浆系统一般由搅拌机，注浆泵和管道组成。搅拌机一般采用强制式，触变泥浆浆液组成和配比，需要通过现场试验确定；注浆泵应有注浆量和注浆压力记录装置，以便对注浆参数进行有效控制。

顶进循环完成后，应采用水泥砂浆或粉煤灰水泥砂浆等对触变泥浆进行置换。顶进完成后，拆除注浆管路时，应将工作管的注浆孔封闭严密。

注浆系统示意图，如图4所示。

图4 注浆系统示意图

2.10 测量系统

机械式土压平衡顶管常用的测量仪器，是经过改制添加激光发射器的经纬仪。其原理是，将经纬仪置于始发井后部底板固定处，激光射线与顶进坡度平行，于顶管机内拱顶某处设置光靶，机头出始发井时应进行标定，激光点应打在光靶中心，后续顶进过程中，根据光点打在光靶位置，可直观判断顶进时的水平和竖向偏差。

为保证总体施工精度，需通过测量仪器定期对经纬仪基准点进行校核，及时发现竖向和水平位移，超过允许偏差时需进行纠正。如顶管距离较长，应采用辅助测量方式，以保证轴线精确。

2.11 辅助设施

2.11.1 供电及照明设施

如采用高压尽管供电形式，应合理规划电缆托架部位，在保证施工安全的前提下，便利施工同行。照明灯具应严格采用安全电压，并采取相应安全措施。

2.11.2 通风设施

如顶进距离较长，应采用相应通风设施，保证工作面洁净空气供应。

3 部分施工经验总结

3.1 纠偏

土压平衡顶管机在施工过程中，由于受力组合较为复杂、顶进油缸参数设置偏差、掌子面土质不均匀、顶管机自重等因素影响，较易产生一定的顶进偏差。一般来讲，通过滚动纠偏、调整相应油缸定力等方式进行纠偏。

根据现场施工经验教训，纠偏时应注意以下事项：首先是如采用滚动纠偏，应待刀盘停止转动后再改变刀盘转动方向，以免导致纠偏动作失败；其次是要动态掌握掌子面土质变化，以便随时根据土质调整顶进参数，另外也应加强过程监测，避免出现较大偏差；最后是即使由于各种因素出现了较大偏差，仍应控制纠偏幅度，不应出现过大蛇形量，以免造成后期穿管困难。