深埋潜水顶管施工技术研究

邵东华

（中铁二十局集团第二工程有限公司，北京 100000）

1.项目概况

北京市通州区张家湾再生水厂配套管网下穿渔都商业区建筑群及张凤路主路工程，管道穿越合美渔都东大门、张凤路，污水采用2600mm钢筋混凝土管，管线长128m，再生水采用2800mm套管长128m，管道采用泥水平衡法顶管施工。再生水工作井接收井距渔都东大门建筑物最近距离各17m，污水管线中距建筑物最小距离4.5m，再生水套管中距建筑物最小距离3.6m。

2.泥水平衡法顶管施工方法及施工要点

2.1 建筑物周围地基注浆加固

为防止管道顶进过程中，地下水流失导致地面下沉影响渔都商业区建筑群及张凤路主路安全，对渔都商业区建筑群及张凤路主路顶管施工区域路基进行注浆加固。固结土层，提升路基承载力，增加土体强度，填充路基土层裂隙，封堵水力侵蚀等。大大提高路基整体强度，确保渔都商业区建筑群及张凤路主路在顶管施工过程中安全。

排水管线7号竖井、再生水接收竖井井壁外侧周围5m范围，长度从污水7号竖井、再生水接收竖井到张凤路西侧路缘，宽度为污水管线中线向北10m到再生水管线中线向南10m范围内，建筑物周围1m内不进行打管注浆，注浆钢管平面间距150cm×150cm，梅花形布置，注浆深度为管道范围内深度到管道顶以上50cm，其他深度为12m。注浆采用P42.5硅酸盐水泥。水灰比为1:1，注浆压力1MPa～2.0MPa，注浆完成后用M30水泥砂浆封管。详见图1。

图1 注浆示意图

2.2 工作坑（接收坑）施工

顶管需设置顶进坑与接收坑，底部设置30cm厚的混凝土底板，底板高程低于管内顶高程60cm。根据顶管机具的参数及作业要求，确定顶进坑及接收坑的净空尺寸，本工程工作坑开挖深度8.05m～10.69m，顶进坑及接收坑均采用钢筋砼墙及封闭梁护壁形式。

2.2.1 施工工艺及流程

测量放样→止水帷幕施工→锁口圈梁（C30砼）→格栅安装→连接筋锚固（加预埋铁件）→钢筋网片安装→C25早强砼喷射→集水井施工→封底→后背墙施工。

2.2.2 测量放样

根据施工图纸测量放样工作坑及接收坑位置，并在工作坑四角钉木桩做好标记。顶管工作坑、接收坑平面尺寸为直径6m～9m圆形竖井，深约8.05m～10.69m。

2.2.3 止水帷幕施工

止水帷幕采用双排Ф500mm水泥搅拌桩咬打，做至坑底以下4m，坑底采用单管旋喷桩止水，旋喷桩厚度为坑底以下4m，养护72h后方可开挖。桩的固化剂使用P.032.5硅酸盐水泥，水泥掺入量15%，水泥搅拌桩水灰比0.6，旋喷桩水灰比1.0，外加剂为木质素磺酸钙，参量为水泥参量的0.25%。

2.2.4 锁口圈梁施工

工作坑（接收坑）上部设锁口圈梁，采用宽800mm，高500mm钢筋混凝土结构，混凝土强度等级C30。在圈梁外边缘上砌筑挡土墙，挡土墙为240mm砖墙砌筑，高280mm，在顶部施做240mm×120mm圈梁压顶，在压顶梁上部安装1.2m高防护围栏，挡土墙兼做雨期施工挡水墙。

2.2.5 土方开挖及格栅安装

工作坑（接收坑）初衬采取分层施工，其施工工序：挖工作坑（接收坑）土方→对角开挖工作坑井壁土体→安装环向钢格栅→焊接纵向链接筋→安装钢筋网片→喷射混凝土→对称开挖工作坑短边井壁土体→安装环向钢格栅→焊接纵链接向筋→安装钢筋网片→喷射混凝土→对称开挖工作坑长边井壁土体→安装环向钢格栅→焊接纵向筋→安装钢筋网→喷射混凝土→进入下一层施工。

工作坑（接收坑）采取分层开挖分层支护的方法进行施工，每层开挖的步距为50cm。每层土体开挖分块进行，首先对角开挖土方并及时施做该层初衬结构，然后再进行另一对角开挖土方并及时施做该层初衬结构。

2.2.6 钢筋网片安装、护壁锚喷

沿内外侧主筋外缘满铺Φ8钢筋网片（间距150mm×150mm），并与主筋焊接联成整体。

护壁锚喷施工时，采用对称开挖方式，每榀一循环，严禁超挖，喷射砼设计强度等级为C25，中粗砂、碎石（粒径在0.5cm～1.0cm）配比为：水泥（P.S.A 32.5）砂子碎石（配比以试验室配比为准），速凝剂按水泥用量的6%添加，水泥、砂子、砂石和速凝剂采用人工搅拌，混合料要即拌即用，不掺速凝剂的干料存放时间小于45min，拌料用专门制作的料斗量取，以保证混凝土配比的准确性，同时做试块，以备检验。

喷射分层作业，分片分段按次序实施，喷射顺序纵向应自下向上，水平方向螺旋式实施，螺旋直径控制在30cm范围，一次喷射厚度≤10cm，分3层喷满，每次喷1m，严禁在一处堆积，要求喷射密实不得露筋，锚喷厚度不得小于350mm厚。

2.2.7 封底、后背墙施工

坑壁施工完毕后，进行工作坑封底施工。因顶管机自重大，为避免下顶管机时，竖井底承受不住机头等载荷重量，竖井封底300mm厚，内设单层ф16钢筋网，网眼间距200mm×200mm。

工作坑护壁、封底等支护工作完成后进行后背墙施工，顶管后背结构为钢筋砼墙，混凝土墙尺寸为4.2m（宽）×5m（高）×0.5m（厚），采用C30砼浇筑，埋入地下1000mm；调整靠背前后以及左右方向，应尽量保证后靠背的中心与轴线相重合。后靠背找正后，绑扎后背梁钢筋ф16＠200双向双层，经绑筋后浇筑后背梁砼并养护。同时需进行后背墙反力计算，本文以再生管网为例进行反力计算，受力情况详见图2。

图2 后背受力分析图

后座反力计算如下：R=aB[γ(Hq)2Kp/2+2cHq（Kp）1/2+γhHqKp]

式中：

R—后座反力；

a—系数（取1.5～2.5），此处取2；

Bq—后座墙的宽度（m），此处取4.2m；

Hq—后背墙高度（m），此处取5m；

γ—土的重度 （KN/m3），18KN/m3；

Kp—被动土压系数，（tg2（45°+∮/2））；

∮—土壤的内摩擦角度，取32°；

c—土的内聚力（kPa），取10；

h—后背墙顶至地面高度（m），此处取6.8m。

经计算R=2425.2t，按上式计算，工作井能承受2425.2t顶力＞实际顶力1426.7t（实际使用4台400t顶镐，总顶力1600t），完全能满足要求。

2.3 管道入口施工

管道入口即竖井与管道施工接合点，结构受力多变复杂，施工过程必须确保安全、稳固。施工过程中需在竖井壁破除混凝土及支护形成管道入口，导致竖井完整性被破坏，洞口处应力重新分布，因此破除前需对该处进行换撑措施处理。破除前先在竖井内设置临时支撑，保证管道入口处土体的稳定性，临时支撑采用I20a工字钢，同时与井壁预留环形工字钢牢固焊接，进洞后方可拆除。

洞口采取换撑措施，先进行管道外轮廓线、超前小导管位置施样，施作小导管并进行预注浆以加固洞口地层，洞口处第一排小导管要进行加长处理，且平行隧道中线。超前小导管采用ф32长2.5m，小导管前端制作成锥形，并钻ф6孔，间距300mm。钻孔长度1.5m～1.8m，超前小导管在洞口沿半径1.5m～2m环向布置间距300mm，小导管压入土中2m。压浆压力在0.2Mpa～0.4Mpa。

为防止地下水涌入需在顶进方向墙壁上安装止水环。先放样止水环安装位置，再固定止水环底圈并用混凝土填隙，最后固定防水橡胶板、安装止水圈压板。

2.4 顶管导轨及设备安装

浇筑混凝土基础时预埋型钢枕铁，测量控制枕铁标高及线型。砼基础顶面与枕铁面高差为1cm～2cm。基础强度达到后且枕铁检验合格随即安装复合式钢制导轨。

导轨安装是一项关键工作，精度直接影响顶进精度，本工程选用钢导轨，保证其有足够的强度，导轨安装牢固，不得在顶进过程中产生移位，应经常检查校对测量导轨的轴线与标高偏差，其允许偏差为见表1。

表1 轨道安装允许偏差

导轨内距的确定：A=2＊{[D1-(h-e)](h-e)}1/2

式中：

A—两导轨内距（mm）；

D1—管外径（mm），D=2800mm；

H—轨道高（mm），h=220mm；

E—管道底距枕铁面的距离60mm。

则：A=1431.08（mm），导轨安装内距为1431.08mm。

在工作坑底部C10混凝土找平，砼上设置间距为400mm的方木，规格为150mm×150mm×2000mm，控制平面高程，确保与顶进坡度相同。

爬梯、顶管机、主顶泵站、控制柜、主顶油缸、测量系统、通风系统、注浆系统、泥水输土系统均按设备安装相关规定依次进行。

2.5 机头入洞

凿除墙壁先采用人工挖土，长度约50cm～80cm，机头就位，确认刀盘全部入洞后，调整止水圈使其完全封闭地下水，启动顶管机刀盘，使土仓压力达到0.1MPa且螺旋输送机的土压达到0.07MPa时开始入土。刚入土时机头容易发生旋转，因此在入土前2m顶进时，速度＜5mm/min，防机头整体旋转。若发生倾角和旋转变化必须进行纠偏。倾角纠偏采用千斤顶修正调整，旋转纠偏当角度＞±30时，采用刀盘反转修正调正。

2.6 顶进

顶进设备使用4台400t顶镐，总顶力1600t。机头尾部被顶到导轨前部续管处后，进行续接管顶进。续接管前，要准备好止退装置、吊管的吊具、连接器具（如水泥管用的“O”形圈、硅油）。

续接管完成后，重新接好管内进排泥管、机头的各种电缆，重新处理好防转、止退装置，启动泥水系统的设备，使泥水先进行机内循环，调节进排泥压力高于泥水舱压力0.02MPa，方可进行泥水舱循环，每隔1m测量一次机头轴线的位置，做到“勤纠、缓纠、慢纠”将管尾顶到续接处，确保下一根管有足够的续接位置时即完成一个顶进循环，如此循环往复。

伴随顶进里程累加，防转、止退装置顶可无需再设置，泥浆置换的输送阻力增加导致流量、压力慢慢减小，应及时调整管路中流量与压力，使泥水参数满足施工要求详见表2。

表2 泥水相对密度表

2.7 泥浆置换

采用充填对顶管结束后管道外壁进行加固，置换膨润土浆，置换材料采用水泥粉煤灰浆。其配比为水泥：粉煤灰：水=1：3：5。使用管道内部的压浆孔注浆，注浆次数≥3次，每次间隔时间≤24h[2]。

每二节砼管为一组，分为注浆和排浆孔。准备注浆泵、吸浆龙头，启动注浆泵，开启第一组注浆孔进行注浆作业，观察第一组排浆孔冒出浓浆后，关闭阀门，再开启第二组注浆孔进行注浆作业，顺序进行直至注浆完成。关闭所有阀门，采用1MPa注浆压力保压0.5h。

泥浆置换结束后，须拆除浆管并立即清洗，防止堵塞，同时进行雷达检测确保完整性，如有空洞必须填充相应的置换材料。

3.施工监测

在张凤路两侧人行步道及路中隔离带处各布设1个监测断面，每个断面11个测点，测点间距由拟建污水管线中线向北侧为2m、3m、3m、5m，由拟建再生水管线中线向南侧为2m、3m、3m、5m，在2条拟建管线中间布设1个道路沉降测点，断面之间在拟建管线中线上方各布设1个道路沉降测点[3]，本段共埋设6个土体深层沉降测点，均位于拟建管线中线上方，其中拟建再生水管线上方埋设深度约为4m，拟建污水管线上方埋设深度约为10m。

在张凤路西穿渔都大门下方布设5个监测断面，检测断面间距5m，每个断面7个测点，测点间距由拟建污水管线中线向北侧为2m、及建筑物墙体，由拟建再生水管线中线向南侧为2m及建筑物墙体，在两条拟建管线中间布设1个道路沉降测点，断面之间在拟建管线中线上方各布设1个道路沉降测点。详见图3。

图3 沉降观测示意图

起算数据采用未顶进施工前的测量参数，利用水准仪进行各点测量。在管道顶进过程中，每次的量测值与之比较得出每个测点的下沉值。量测频率：开顶后，每天测量一次，管段贯通后，每隔6d测量一次，待各点位沉降基本稳定以后方可停止（20d左右）。在施工过程中及顶管完成后水泥浆置换期间须对顶管作业段进行详细的地表沉降量测，在顶管施工中地面沉降值应控制在±15mm～0mm。当实际观测达到±10mm时进入预警状态，则立即停工，向上级报告情况，采取处理措施[4]。

本项目采用泥水平衡法顶管过程中各工序严格按照施工方法及施工要点进行控制，通过自检、监理检测、第三方检测实现了路基及地面零沉降目标。

4.结语

用泥水平衡法进行深埋潜水顶管的施工方法，在北京市通州区张家湾再生水厂配套管网下穿渔都商业区建筑群及张凤路主路顶管工程中通过线注浆加固，工作坑止水帷幕支护，各工序严格按照施工方法及施工要点进行控制，使监控量测检算等实现了铁路路基及地面零沉降、工期提前、环保达标、投资可控、质量优质、安全零事故的目标，为同类施工条件下机械顶管施工提供参考及积累经验。