浅谈曲线顶管技术在市政施工中的应用

卢纯青

（1 福建省煤田地质勘察院 福建福州 350001 2 福建东辰综合勘察院有限公司 福建福州 350001）

1 背景

随着经济的发展，人们的环保意识日趋提升，友好型的施工方式越来越受推崇。而泥水平衡顶管技术作为友好型施工方式之一，被广泛应用于市政地下管网施工中。随着对城市地下管网设施（如：供排水、电力、燃气等管网）的运输能力需求的不断提高，需要大量的新建或改建现有的地下管网设施，本文中的工程案例正是在此背景下开展的。

2 工程概况

由于受施工现场建筑群体及工程地质条件限制，本工程设计采用泥水平衡曲线顶管铺设DN2 000 mm 预制砼电力管道长度约180 m，管顶埋深为5 m，施工穿越现有市政道路。工作井位于市政道路西侧山坡坡脚，接收井位于道路东侧的立交桥交汇处，场地空间狭小。沿道路两侧30 m 范围内均为建筑物，顶管施工区域地表高差在2 m 范围之内。

施工区域内工程地质条件：地表以下2 m 以内以杂填层为主，多为建筑垃圾块体回填，质地松散且透水性好，局部为沉积砂层和卵砾石层。西侧山体坡脚位置可见基岩出露，下覆为中风化砂岩和强风化花岗岩，岩石硬度为15 MPa～25 MPa。施工区域内水文地质条件：地表以下6 m 可见地下水。

3 设计思路

3.1 工作井和接收井设计

通过对施工区域内工程地质条件和水文地质条件勘察分析，同时到两个井功用上的差异，决定对工作井采用沉井施工工艺进行，将工作井设计成D6 500 mm 圆形沉井（深度为9.8 m），这样做主要是考虑工作井施工区域地质条件及顶管设备后靠背顶推力的需要。考虑到接收井位于立交桥下交汇处且靠近建筑物，施工区域位置狭小，因此设计采用逆作法施工。接收井的尺寸为：长6 m、宽4 m、深7.95 m。

3.2 顶管顶进轨迹设计

顶进轨迹设计在顶管工程整个过程中十分重要。通常进行设计需要考虑：地下水位、地层土体强度、穿越区域内地面及地下空间位置、周边地质地貌等情况。由于该顶管段为两侧开挖段的连接段，顶管段两端位置已经基本固定，根据现场地形地貌可以看出，若采用常规的直线顶管必将破坏接收井附近建筑物基础并且可能导致顶管失败，唯有采用曲线顶管方能避开建筑物基础。同时由于顶管施工区域内上部地层为杂填土、质地松散，为避免在顶进过程出现冒浆，管道顶进应在比较均一稳定地层中进行，因此设计管顶埋深为5.0 m。综合各方因素之后确定了顶管顶进轨迹为长度约180 m 曲线。

3.3 设备选型

按照设计要求，综合考虑施工区域工程地质条件、曲线段顶管最小曲率半径、铺设管道外径等因素后，选定YD2000 泥水平衡式顶管机作为工程选定设备。设备主要参数如下。

（1）顶进速度：0～100 mm/min；

（2）切削刀盘：转速2.8 r/min；转矩555 kN·m；破碎岩石硬度≤80 MPa；对抗土压≤500 kN/m2；电机功率15 kW×6；

（3）纠偏系统：100 t 纠偏油缸推力4 个；最大纠偏角度为3°；纠偏泵站压力31.5 MPa；纠偏泵排量7.25 L/min；

（4）进排泥管道通径：φ100 mm；

（5）机头外形尺寸：φ2 440×4 350 mm；

（6）机头重量：25 000 kg。

4 顶管施工

顶管施工阶段主要包含：顶进纠偏和测量控制技术、注浆减阻技术、泥浆循环回收技术。

4.1 顶进纠偏和测量控制技术

曲线顶管纠偏主要依靠顶管机头内的纠偏油缸来实现。通过改变掘进机位置管节交接以及管节长度来实现纠偏导向。管节间纠偏是通过设置木垫圈方式，实时跟进纠偏，保证掘进机头的纠偏效果。

本工程顶进轨迹分为：直线段（133.8 m），缓和过渡段（16.8 m）及曲线段（39.4 m）。根据场地条件和选用设备的性能参数，计算出本工程拟采用的曲率半径R 为200 m，并且掘进机头的最大纠偏角度为3°。因此由直线段进入缓和过渡段和圆曲线段后，需不断变化管节长度以及采取纠偏导向才能按照设计轨迹顶进。

在实施曲线顶管过程中对顶管导向的测量控制是一项复杂而又关键的技术。图1 给出了本工程中采用的曲线导向控制测量的原理和计算公式。

图1 曲线顶管施工测量控制原理图

通过第一测站P1对照目标点Q 的坐标进行曲线顶进方向的控制。

被测点Q 的坐标（x，y）的坐标可以按照下面公式（1）和公式（2）计算得到。

目标测点与设计中心线的误差d 按式（3）计算。

上述测量控制方法优点是测量直接成本较低，并且基本能够满足工程的精度要求，缺点是在顶管施工过程中需要不断复测监测，工作量很大且操作时间，使得施工中停顿过多，容易引起顶进力的增大，增加施工难度。

4.2 注浆减阻技术

顶管工程中顶进力的大小直接影响着沉井施工、顶进设备的选择以及工程成败。

泥水平衡顶管在曲线段顶进力计算可按照公式（4）计算得到。

式中：K 为曲线顶管的摩擦系数；K=1/（cosα-k·sinα），其中，α为每一根管节所对应的圆心角，k 为管道和土层之间的摩擦系数，k=tan（φ/2）；n 为曲线段顶进施工所采用的管节数量；F0为开始曲线段顶进时的初始推力，kN ；F′为作用于单根管节上的摩阻力，kN。

泥水平衡顶管在由曲线段进入直线段时，顶进力可按照公式（5）计算顶进力大小：

式中：Fn为曲线段顶进力大小，kN；L 为直线段顶进段的长度，m。

根据工程勘察和场地详勘，曲线顶管段地层为全风化花岗岩及强风化花岗岩地层，最大的岩石强度可能达到60 MPa～70 MPa。

由以上计算式（4）、（5）可以看出，地层摩阻力以及管道曲线顶进所增加的顶进力直接影响到实际顶进力的大小。因此在顶进过程中我们通过采用合理的注浆减阻技术，能有效降低地层摩阻力以及管道曲线顶进所增加的顶进力，同时通过设计中继站传递总顶进力，以较小顶进力实现顺利顶进。因此，在曲线顶管中进行注浆减阻是有效减少顶进力，降低工程风险的关键措施。通常采用注浆减阻后顶力可减少到原来的1/4～1/3。

表1 给出了本工程中注浆减阻的触变泥浆的配合比设计。随着不同地层，需要不断调整触变泥浆的配合比，以实现最优的减阻效果。

表1 触变泥浆配方

通过现场顶进力的记录，整理得出了顶管施工过程顶进力的变化曲线如图2。

图2 过程顶进力的变化曲线

从图2 中可以看出：按照理论计算公式，应该随着顶进距离的增加，顶进力也随着曲线式增长，但是实际顶进力却并不是按照理论方式增长，主要是通过设置曲线段管节长度（2 m和1 m 管节）以及良好的注浆效果实现顶进力的控制，达到减阻的目的。

4.3 泥浆循环技术

泥浆在泥水平衡顶管中被称为“血液”，主要功能为：①软化润滑掘进面地层，冷却切削刀具；②输送排除渣土；③平衡地层压力。鉴于泥浆具有如此的功用，因此对泥浆的回收处理和循环利用将有效降低工程的直接成本，同时也能有效减少废弃泥浆运输对周边环境的影响。

本工程中采用了全自动化泥浆处理回收装置，高效、迅速的循环处理泥浆为工程提供了很好的保障并解决了市区施工泥浆污染的难题。分离出来的渣土再通过卡车运输到郊区指定位置，有效解决了液体泥浆运输不便的难题，同时也减少了泥浆弃置的数量，保护了环境。

5 结论与建议

本工程通过优化顶进轨迹、测量控制、注浆减阻、泥浆循环利用等关键环节技术，成功实现泥水平衡式曲线顶管铺设电力管道，为今后类似工程提供借鉴和参考，更好地推动泥水平衡式曲线顶管技术在城市地下管网建设中的应用。