大直径钢筋混凝土顶管施工

2021-03-10梁忠旗核工业华东建设工程集团有限公司

门窗 2021年12期

梁忠旗核工业华东建设工程集团有限公司

1 工程概况

本工程是市政工程中将道路汇水排入河流的排水管道，管道长度266m。由于管线敷设所经路线建筑物较多，距离周边建筑物较近，管道埋深5.9m～9.5m不等，设计为直径2.2m的Ⅲ级F型钢承口钢筋混凝土顶管施工。

2 工程地质情况

本工程地貌为低丘岗地，河流冲积阶地，地形起伏较大。场区底层自上而下划分第四系全新统人工填土层素填土；第四系全新统冲积层卵石；第四系上更新统残积层粉质黏土；白垩系基岩含有全风化、强风化以及中风化泥质砂岩。主要以第四系松散岩类孔隙水（潜水）与基岩裂隙水为场内地下水源。场内地下水在季节影响下变化幅度为1m～3m。

3 逆作法施工工作井与接收井

采用逆作法设计施工掘进井、接收井各1 座，梯形护壁墙结构作为内衬。

3.1 井的平面、立面及配筋（见图1-图4）

图1

图2

图3

图4

3.2 井体逆作法施工工艺流程（见图5）

图5

井采用分层开挖法开挖井坑内土方，每层开挖深度控制在1.5m 以内，按设计要求绑扎钢筋，搭设第一节的模板，而后浇筑混凝土，在上节护壁混凝土强度达到设计强度的80%时，进行第二节护壁墙开挖施工直至设计井底。

在完成最后一节护壁后及时拆除模板，即可浇筑100mm厚C15素混凝土垫层。素混凝土垫层初凝后，进行底板钢筋安装，连续浇筑混凝土。

顶管背墙（内衬墙）是掘进机千斤顶的主要持力点，墙体高4.0m、宽5.0m、厚度0.60m，采用Φ22mm@150mm 双层双向配筋，C35混凝土一次完成。

4 顶管施工

顶管施工分为：顶进前准备工作，顶管进洞段施工，顶管正常段顶进施工，顶管出洞段施工。

4.1 施工工艺流程（见图6）

图6

4.2 顶进掘进机选型

本工程拟采用TY-DG（NP）2000型泥水平衡顶管掘进机，操作机手必须是熟练工人，操作必须按照设备说明书工作，见图7。

图7

4.3 泥浆系统的安装

在掘进井旁设置泥浆池，采用并联法进而有效缩短排浆管长度保证排浆畅通，为防止排泥泵中有较大块状物进入导致排泥泵堵塞甚至损坏，在排泥泵前设置沉石箱将块状物沉淀过滤，见图8。

图8

将注浆系统中的泵升级为螺旋泵以有效减少注浆过程中的脉动现象。保证浆液均匀搅拌，系配置减压系统，将隔膜式压力表分别安装在泵出品处1m外以及机头注浆处。

4.4 顶进前准备工作

（1）地面准备工作

1）施工用电、用水、用路及排水和照明设备安装。

2）施工材料、施工设备及人员准备。

3）建立井上、井下测量控制网。

（2）井下准备工作

1）洞门安装

为避免因为洞圈与管节间大约6cm 的结构缝隙导致在顶管出洞及正常顶进过程中出现外部土体及触壁泥浆涌入始发井内的情况发生，必须在施工前安装刚性防水套管在洞圈上。在洞口设计预留法兰上安装洞口止水装置，并在钢管与套管间加挡圈，设计管位与挡圈要保持同心，误差控制在2mm 以内。挡圈与套管间的空隙用油麻填实，套管与钢管间其他部位用石棉水泥填实。

2）顶管背墙

图9

图10

顶管背墙拼装横排200mm×200mm 枕木，枕木前密排30#工字钢，工字钢锚固下扎500mm，在工字钢前再安放顶铁。

3）顶管机下井

顶管机下井前，为保证起重设备吊装工作区域安全可靠，需对地基承载力进行检测。

①安装调试下井的发射架以及后顶装置。

②下井放置刀盘及驱动段。

③纠偏铰接段应以完整单元下井并安装在在发射架后，下井后通过螺栓与刀盘及驱动段可靠紧固连接。

④螺旋机下井安装到位。

⑤U型顶铁下井安装到位。

⑥电器柜安放。

4）定位主顶及调试验收

定位时，主顶与管节中心轴线成对称分布，保证顶进轴线控制良好、管节受力均匀。主顶定位后，顶管机轴线要和设计轴线保持一致。所有千斤顶要调试验收，反复调试确保顶管机正常运转，保证性能完好。

5）工作井导轨安装

①导轨采用双排120工字钢、20槽钢焊接，定制加工。

②利用测量仪器对导轨安装情况进行监控，安装导轨时允许偏差值控制在以下范围内：一是中心轴线左右3mm以内；二是顶面高程+3mm以内；三是两导轨内部间距±2mm以内。

③两导轨净距计算

其中：B——基坑导轨间距（mm）；

D——管外径（mm）；

h——导轨高（mm）；

e——管外底距枕铁面的距离（mm）。

按上述公式求出DN2200 顶管导轨之间的宽度为1067mm。

6）千斤顶安装

（1）本工程采用4 台千斤顶，每台千斤顶参数为250t。千斤顶固定在支架上时应与管道中心的垂线保持对称，千斤顶着力点应在管节垂直半径的1/2～1/3为宜，其合力集中点应与管壁产生的反作用力集中点保持在相同轴线上。

（2）千斤顶选用ZB.50 型的高压油泵，工作时油泵由电动机带动，经分配器、控制阀等控制节点后进入千斤顶，各千斤顶以并联方式将进油管一起连接，各千斤顶活塞的出力要和行程保持一致的效果，油管要顺直安装，减少转角。

7）顶铁的安装

顶铁选用1 组3000kN 级专用配套顶铁（顺铁），顶铁的相邻面互相垂直，要有足够的刚度。在安装前，要把顶铁与导轨之间、顶铁与顶铁之间的部位擦拭干净，清除泥土、油污等赃物以保持接触面干净。顶铁单块放置时保持稳定。在顶铁与管口之间塞入缓冲衬垫，管端可增加U型或环形顶铁防止顶力过大。保持管道的轴线、千斤顶轴线和顶铁轴线之间两两平行。顶铁的中轴线以及管道中心的垂线应保持对称，避免顶力偏离轴线造成“崩铁”情况发生。顶铁拼装后要利用锁定装置对拼装进行锁定。

顶进前要在顶铁与管口之间填充缓冲物（如胶合板）使顶力均匀地分布在管端。

管节未进入土层前，在接口外部垫上油毡或木垫板，管口靠内侧保持10mm～20mm的间隙；顶紧后两管间应保持10mm～15mm的合理孔隙。

4.5 顶进施工

4.5.1 参数计算

1）总顶力计算：

式中：F—总顶力；

Fp——顶进阻力（kN）；

NF——顶管机的迎面阻力（泥水平衡选NF=п/4×D2gP）；

P——控制土压力P=K0×γ×H0；

D0——管道外径（m），取2.64；

L——管道设计顶进长度（266m）；

fk——管道外壁单位面积平均摩擦阻力（kN/m2）（采用触变泥浆减阻：粉质黏土取5.0）

Dg——顶管机外径（m），取2.7；

K0——静止土压力系数，一般取0.55；

γ——土的湿重量（kN/m3）；取19；

H0——地面至掘进机中心的厚度（m），取最大值8.5m。

2）管材允许顶力计算

式中Fdc——混凝土管道允许顶力设计值（N）；

φ1——混凝土材料受压折减系数，可取0.90；

φ2——偏心受压强度提高系数，可取1.05；

φ3——材料脆性系数，可取0.85；

φ5——混凝土强度标准调整系数，可取0.79；

fc——混凝土受压强度设计值（N/mm2）；

Ap——管道最小有效传力面积（mm2）；

γQd——顶力分项系数，可取1.3。

DN2200 钢筋混凝土管允许顶力：Fdc=10917783N=10917.78kN=1092t；

设计工作井能承担的最大顶力：2005.9t（计算条件：井深9.755m、外宽6.4m）；

经比较后得知：管材允许最大顶力＜计算总顶力＜工作井允许最大顶力，取最小值作为油缸的总推力，主顶油缸选用4 台300t 级（3000kN）千斤顶。主顶推力应控制在管材安全范围值（取允许最大值的90%）983t以下。

4.5.2 进洞施工

在进洞口设降水井，在顶管机进洞前，控制洞内水位在洞圈下1m。

因洞门和管节间存在6cm的周边间隙，采取能够使顶管机头规范进洞的相应措施，避免因进洞时造成水土流失导致路面沉降。

洞门完全打开后，注意洞门四周水土情况，如水土情况良好、不渗水，则顶管机以快速、均匀推进速度前进。如洞门有渗水现象，则采用降水井降低地下水位。在第一节管节顶进至内衬400mm后，顶管机停机并与管节脱离，将顶管机接收后立即组织洞门封堵施工。此阶段必须连续施工，洞口派人监护，发现问题，及时处理。

以千斤顶配合铰接油缸用最快的速度完成顶管机与管节脱离以确保快速封住洞门。

为加快速度，采用自下而上、左右两边同时开始的洞门封堵操作，洞门结束封堵后，对洞口空隙采用C30 膨胀混凝土填实。

4.5.3 中继间接力顶进

由于单向顶进距离长达266m，管材结构允许最大顶力为983t，因此仅靠主顶顶力无法顶进到终点，必须设置中继间进行逐段接力顶进。在总推力超过计算总推力60%时设置第一个中继间；在总推力超过计算总推力80%时设置第二个中继间，在总推力超过计算总推力的90%时应启用中继间。用中继间专用顶进设备去顶进中继间以前的管段。为防止中继间开始顶进时向工作井方向退移，工作井内的千斤顶要紧顶在导轨上接的管子上。中继间工作顺序：第一个中继间顶进→卸油压→第二个中继间顶进→卸油压→开动工作井千斤顶→循环顶进至接收井。

4.5.4 管节减摩

为控制沉降作用及减少顶进过程中土体对管道造成的摩擦阻力，应在管道与土体接触界面压注触变泥浆形成一圈泥浆套以达到减少土体摩擦阻力效果。在施工期间应保持泥浆不失水，不沉淀，不固结，保证触变泥浆起到应有作用。

1）泥浆配比

表1 每立方泥浆材料用量表

表2 触变泥浆指标

2）压浆设备及压浆工艺

使用泥浆搅拌机配比表进行制浆，纯碱和CMC 应预先化开（CMC 可以边搅拌边添加），再加入膨润土搅拌20min，要将泥浆充分彻底搅拌均匀。

HENY压浆泵如固定在始发井口，在使用前应先在储浆桶内储存、拌制拌浆机的出料，待一定时间过后方可通过HENY泵送至井下。以0.3MPa左右的注浆压力进行泵送。

3）压浆施工要点

①压浆应由专人控制触变泥浆在施工期间不失水、不固结、不沉淀，保持泥浆稳定性。

②严格按压浆操作规程施工，顶进时要及时压注触变泥浆去充填所形成的建筑空隙，在管节四周形成可减少顶进阻力和地表沉降的泥浆套。

③压浆时必须遵循“先压后顶、随顶随压、及时补浆”的原则。

4.5.5 止退装置

在实际施工过程中，即便管节有较长顶进距离，在每次拼装管节或加垫块时，主顶油缸仍然会受前端过大阻力影响在回缩过程中连带机头和管节共同后退200mm～300mm。当顶管机和管节往后退时，机头和前方土体间的土压失去平衡易引起机头前方的土体面得不到稳定支撑而坍塌，因此，需要将两套止退装置分别安装在前基座的两侧，当推完油缸的工作行程，销子会在管节安装的时候插入管节的吊装孔。和基座焊接在一起的止退装置后支柱会抵消掉由销子及销座传递而来的管节的后退力，进而把管节稳住。

5 出洞施工

测量的频率与精度应随顶管机头与接收井靠近而逐步加强，控制轴线在合理区间。确保顶管机能准确进洞。顶管要带一个向上的初始角（约5′）穿墙，不能出现工具头下跌的情况，要支托起穿墙管的下部，管段相互之间（包括工具管）的联结要加强。迅速推进工具管缩短穿墙管内的土体暴露时间。在顶管穿墙位置施作止水工序，防止因为减阻泥浆流失过多造成孔口塌陷进。

要测量确认接收井洞门位置的坐标，顶管机接收架以实际标高进行安装。

5.1 出洞工艺

（1）安装洞口止水挡圈，将止水挡圈装置在出洞孔井壁上临时固定，待掘进机推进至止水挡圈位置处，止水挡圈再根据掘进机外圆与止水圈板内圆的周边等距离进一步固定。确保止水圈中心与管道中线轴线保持一致的同时，与井壁间密实，以防漏浆。

（2）接收导轨按管道设计要求铺设；在出洞孔砼上安装延伸导轨，其坡度和标高与轨道一致。

（3）要防止出现洞口漏泥、水情况，设置一台排污泵，制定安全保证措施以及时排除洞口隐患。

（4）在出洞前，需先割掉预埋钢盒外侧钢板，将止水钢环焊接到预埋钢盒的外侧，再将止水橡胶圈安装在止水钢环上。在准备出洞时，预先清除钢盒内侧挡土钢板，工具头在清理预留孔内杂物后立即推进预留孔，防止暴露时间过长。工具头外壳要紧抱止水橡胶圈。为防止工具头出现“磕头”情况，顶进工具头进入穿墙管后工具头及时与第一节钢管进行刚性联结。

（5）在出洞施工初期，容易发生顶管机反弹引起的土体不规则坍塌，使顶管机再次推进时方向失去控制和往上爬升。由于顶管机正面主动土压力远大于顶管周边各种摩擦力的总和，为此，平行于地面在洞口的两侧各安装好一条工字钢，当主顶千斤顶准备回缩加顶铁时，各自焊牢两条工字钢与相接触的顶铁，然后将千斤顶回收，顶管机可以避免反弹。

（6）在出洞施工时，在顶管机的两侧焊上底面与导轨面平齐的挡板，挡板压在导轨上，防止顶管机发生扭转。顶管出洞后，洞口管壁周围采用C30膨胀混凝土填实。

6 顶管施工重点技术控制

6.1 地层形变控制

（1）在施工前，根据地质资料分析将穿越地层的物理及力学特性，在掘进时，通过地质资料与出土实样的对比，按照情况对掘进机姿态及时调整，进一步加强施工控制。在顶进过程中，要连续均衡的速度顶进施工，避免过长时间停滞，不断按照反馈数据调整土压力最佳状态设定值，通过控制出土量避免欠挖或超挖情况发生。

（2）掘进机头开挖面、机头纠偏、机头后面管道外周空隙注浆填充不足、管道在顶进中与地层摩擦、管道接缝及中继间渗漏等都会引起地层损失。所以在顶管施工中要以实际情况为准，根据不同土质情况、覆土深度情况和地面沉降情况，结合分析测量报表，对泥水与土压平衡值做出及时调整。同时要求保持相对平稳的坡度，控制纠偏量，减少对土体的扰动。根据顶进速度，及时掌握排泥量以及地层有关变形数据，对注浆压力和注浆量做出及时调整，从而控制最佳轴线和地层变形状态。

（3）在结束顶管后，通过注浆孔用1∶1 的水泥浆液将管道外壁触变泥浆置换出来，注浆压力控制在0.3MPa～0.5MPa，注浆流量7L/min～10L/min，以加固管道外土体，防止在今后正常使用过程中管道产生不均匀沉降。

6.2 顶进轴线控制

在顶进施工中应密切关注顶进轴线。每节管顶进结束后，应对机头进行姿态测量，“勤测勤纠，小角度纠偏”，每次纠偏的角度一般控制在0.50 分以下，通过合适的曲率半径将管道逐步调整到正确轴线上来，应避免猛纠导致相邻两段管道产生较大夹角，进而使土体出现较大扰动及管节间出现张角。圆形顶管施工时对横向水平要求较高，所以在顶进过程中要密切注意机头的转角情况，可采取刀盘反转、加压铁等措施回纠机头出现微小转角的情况。顶进轴线应将偏差控制在以下范围内：高程±20mm；水平：±20mm。

6.3 控制顶管轨迹的措施

顶管机、后顶设备及反力系统要按照设计坡度安置。调整后座千斤顶合力中心的方式来控制初始偏差，确保机头初始状态稳定和轴线顺直。根据地面监测的沉降数据调整顶管机参数及出土速度，将正面土压控制在合理区间内，避免地面沉降量在+10mm～-20mm 范围之外。时时跟踪机头推进时的姿态，采取泥浆平衡及调整铰接油缸伸长量的手段及时纠正推进轨迹的偏移，保证推进线路正常进行。