土压平衡式顶管施工技术在市政工程中的应用研究

来 峰

(中国建筑西北设计研究院有限公司，陕西 西安 710018)

1 工程概况

项目位于西安市阎良区航空产业基地内，拟建雨水管道起点接规划一号路向南预埋d2800 mm的雨水管，自北向南敷设，沿表处南路西侧至郭靳路处，再由东向西敷设，平行郭靳路至清河左岸东侧，向南穿越郭靳路，最终排放至清河。

表处南路各类市政管线复杂交错、热力厂站的影响以及郭靳路交通繁忙，全线不具备开槽施工的条件，经设计优化雨水管线大部分采用顶管方式施工，起终点局部采用开槽施工方式。雨水主管道埋深基本处于6.0 m之下，全长约1 138 m，管径采用d2800 mm，壁厚280 mm，单节管长2.5 m，管节自重17 t；机械顶管施工采用Ⅲ级钢筋混凝土钢承口管，混凝土强度等级不低于C50，抗渗等级不应低于P8；除顶管施工管材外，其他管材采用混凝土强度等级不低于C30，抗渗等级不应低于P6。顶管工作井、接收井采用钢筋混凝土护壁，逆作法施工，抗压强度为C30，抗渗等级不应低于P6。顶管主要工程量工作井4座，接收井3座。Y7、Y11工作井内尺寸为9.0 m×9.0 m，墙厚0.6 m，顶管工作井内深度分别为8.46 m和9.29 m；Y5、Y9工作井内尺寸为9.0 m×6.0 m，墙厚0.5 m，顶管工作井内深度分别为6.75 m和8.50 m；Y10接收井内尺寸为6.0 m×6.0 m，墙厚0.5 m，顶管工作井内深8.94 m；Y6接收井内尺寸为14.3 m×4.8 m，墙厚0.7 m，顶管工作井内深度分别为7.83 m；Y8接收井内尺寸为6.6 m×6.0 m，墙厚0.5 m，顶管接收井内深度为8.06 m，顶管中最大顶进长度为130 m，管节52节。

2 地质情况及顶管设备选型

地勘报告显示设计雨水管多位于黄土状土层，管底离地下水位较近，局部呈软塑状态，可塑性较差；局部穿越因其他工程回填或者拆迁堆砌造成的新地质状况(杂土层和粉质黏土层)；管道沿线地下水属于潜水类型，对本工程影响较大。

结合地勘情况、水文资料及周围施工项目的经验，最终确定本项目顶管施工工艺为土压平衡式顶管施工工艺。

3 土压平衡式顶管设备工作原理及特点

3.1 设备组成及工艺原理

土压平衡式顶管系统主要由顶进系统、洞口止水装置、排土和出渣系统、测量、纠偏、触变泥浆等系统及其他辅助设备构成。

本项目顶管施工技术是采用土压平衡的基本原理，利用顶管机头的旋转刀盘进行切削土体，将土体导入机舱内形成正面土体，正面土体压力与开挖面的水、土的压力相互抵消，达到土体稳定的效果。顶管机土仓内的土通过螺旋输送机导排至接土轨道车内，利用轨道车配合把开挖土体输送到工作井后由轨道行车吊装至堆土区。在刀盘削切土及出土的同时工作井内千斤顶系统根据土压情况推动管材及顶管机头。

3.2 土压平衡式顶管特点

土压平衡式与泥水平衡式顶管施工相比，机头前方的土质含水量的高低不影响机头削切，排出的土质基本为原状地下土质，土质形态可以是干土、湿土或泥浆，排出后不需要再进行泥水分离等二次处理；与人工顶管及岩盘式机械顶管施工相比，具有适应土质类型广及额外增加辅助施工手段的优点。

4 顶管施工控制要求及参数

4.1 顶力估算

依据《给水排水工程顶管技术规程》(CECS 246：2008)、《给水排水管道工程施工及验收规范》(GB 50268—2008)进行顶力计算：

F=F1+F2

(1)

式中：F为总顶力，kN；F1为顶管机的迎面阻力，kN；F2为管道与土层的摩阻力，kN。

F1的计算公式为：

F1=πD2rH/4

(2)

式中：D为管道外径，m；r为土的湿容重，根据地勘数据取19 kN/m3。H为覆盖层土的厚度，m。

F2的计算公式为：

F2=πDLf

(3)

式中：D为管道外径，m；L为管道顶进长度，m；f为管道外壁与土的摩阻力，kN/m2，取6.5。

顶管施工关键参考依据在于顶力估算，通过计算顶力值确定顶管机驱动系统、设备型号、附属设备配备需求、后背墙的规格、减阻泥浆的形式、中继间、复核管节承受最大顶力等。实际施工顶力与计算出的总顶力可能存在差异，往往和实际的土层情况、施工技术水平、减阻泥浆的配比有关。

4.2 顶管工作井、接收井

本项目施工的工作井、接收井采用矩形钢筋混凝土结构，采用逆作法施工工艺，根据工作井、接收井的尺寸合理配备顶铁、千斤顶及后背支座及后背墙。

4.3 顶管管径、管材、管道接口形式

雨水主管管径为d2800 mm，管材采用Ⅲ级钢筋混凝土钢承口管，管道接口采用滑动橡胶圈承插式接口，橡胶圈应符合相应标准的规定，并与管材配套供应。承插口处设置衬垫板及麻丝，衬垫板采用12 mm的垫板，粘贴或装订时注意对中，环向间隙符合施工要求。

4.4 顶管进出洞控制

(1)将预留顶管洞口多余的护壁凿除，调整机头对准洞口，缓慢将机头推进，待刀盘全部进洞后，调整洞口止水装置，使其完全封闭地下水。

(2)工作井、接收井预留顶管洞口处应加设止水装置。防止触变泥浆从预留洞口与管节外壁间隙中流出，降低减阻效果；地下水位较高或存在地下水时因水土流失，会造成地面沉降、井位出现塌方、井内溢水等情况。

4.5 测量控制

(1)定向和导入高程测量应在初始每顶进1.0 m进行一次测量，并做好测量记录。正常项进时，每顶进1～2节管道进行一次测量，遇到纠偏每1.0 m进行一次测量，应注意测量激光经纬仪对准机头激光靶中心点与管轴线保持一致。

(2)测量人员随时比对设计图纸与现场施工，若出现偏差通知操作人员及时调整，随时预测机头的前进趋势，保证顶管机出洞的轴线、标高与设计无偏差。

4.6 触变泥浆减阻

本工程管径大自重大，顶进过程中管道摩阻力随顶进长度的增加而增大，所需顶力逐渐增大，顶力增大对管道、后背支撑、后背墙的破坏性就增大。为了提高顶进施工的效率，间隔3～4节管设置一道注浆装置，用于对泥浆套进行补浆，保证泥浆套的稳定，效达到减阻效果，可有效降低顶力50%以上。

本项目注浆压力控制在0.15～0.20 MPa。顶进采用4台200 t(2 000 kN)千斤顶主顶，2台320 t(3 200 kN)千斤顶进行协助顶进，1台31.5 MPa液压站，理论最大顶力在14 400 kN左右。应用触变泥浆减阻工艺后最大顶力可达14 000 kN。

4.7 地面沉降及隆起控制

(1)每顶进2～3节管道需要对已成管道高程做一次复测，一旦出现管道下沉明显情况，立即对下沉部位进行底部注浆，防止由此引起的地面沉降。

(2)解决顶管机头顶部背土问题：在顶管机头壳体顶部安装压浆管，并开有压浆槽，使浆液均匀分布于整个上顶面，在土体和壳体平面之间形成一泥浆膜，以减少土体同壳体的摩擦力，防止背土现象的发生。

5 常见施工问题及处理措施

5.1 地面沉降及隆起

5.1.1 常见问题

在管道轴线两侧一定范围内发生地面沉降或隆起，使地面环境发生变化，如道路沉降或隆起影响交通和安全、房屋地基下沉发生倾斜，危及正常使用及安全。

5.1.2 处理措施

(1)施工前须充分调查特殊地段的详细情况，根据地质情况确定加固方案和保护措施，控制好后期沉降。

(2)施工中布置监测点，定期检测沉降或隆起数值，将监测数值控制在相关部门允许的范围之内。

(3)在顶进过程中及时注入足量地触变泥浆填充管道外环形空隙。

(4)顶进完成后及时置换泥浆，注浆应由管段一头向另一头连续注入，及时封堵预留洞口。

5.2 管道接口渗漏

5.2.1 常见问题

管道贯通后，管道接口密封不达标，出现渗漏情况。

5.2.2 处理措施

(1)管道及附属配件进场，严格验收，严禁使用不合格产品。

(2)卸车、吊装应在钢丝绳与管口之间加橡胶垫或管口卡，保护管口。

(3)下管前钢承口端管口处黏接牢固木垫板与麻丝，另一端抹好润滑剂，安装与之匹配的橡胶圈，橡胶圈要安装正确，不能翻转。

(4)顶进过程要严控管道轴线，按“勤纠”“小纠”的原则进行，以避免接口不匀，胶圈无法起到止水作用。

(5)顶进完成后，对管口进行处理，按照设计要求对其封堵。

5.3 浅覆土施工

5.3.1 常见问题

按顶管规程要求顶进管道管顶覆土最小厚度不小于外径的1.5倍，且不小于2.5 m。实际施工中，很多情形不能满足规定要求。

5.3.2 处理措施

(1)需根据地质情况合理选择顶管机械。

(2)顶管施工穿越江河水底时，调查实测河床底标高，覆土厚度是否属于浅覆土施工，若为浅覆土层施工时，需加强过江河段全程测量，尽可能少纠偏，同时纠偏幅度要小；顶进过程中要严格控制注浆压力和注浆量，若管节抗浮不满足时，需在管节内配置压重。

(3)顶管施工穿越浅覆土区域，若覆土层厚度小于管外径的1.5倍时，应采取覆土、压重等措施。

5.4 管线交叉施工

5.4.1 常见问题

按顶管规程要求空间交叉管道的净间距，钢筋混凝土管道不宜小于1倍的管道外径，且不小于2.0 m。实际施工很多情形不能满足规范要求。本项目在设计阶段已避免大部分不满足顶管规程的要求，仅存雨水主管与一条D1200 mm现状污水管道平纵交叉及热力场站出厂的热力管线的平面正交，纵向高程未发生冲突，但垂直空间交叉净间距不足，需在施工过程中调整。

5.4.2 处理措施

(1)因现状污水管道与设计雨水主管在平纵断面无法避开，污水管道排污量较大不能迁移，设计采用检查井法解决，将设计雨水管道断开后采用雨水检查井连接，污水管道采用支撑保护从雨水检查井内穿过；Y6顶管接收井加长制作，使顶管机头能顺利从污水管道两侧吊装，顶进方式为从Y5工作井向Y6顶进，从Y7工作井向Y6顶进。施工处理措施：在制作Y6顶管接收井时对现状污水管道进行保护和加固措施，保证污水管道支撑得当、无偏移、无渗透，避免污水管道断裂造成重大污染源事故。

(2)雨水管道与热力管道顶进空间要求不足，在顶进到热力管道附近时，对影响范围内的热力管道区域开槽施工，将此段热力管道完全暴露，顶进速率采用慢顶推进并进行动态观测，确保未扰动热力管道，待设计雨水管道安全穿越后，对其热力管道进行360°混凝土包管进行保护，管道四周回填压实后恢复地表形态。

6 结束语

项目采用土压平衡式顶管施工技术，日掘进量在10～15 m。采用此种施工方式施工精度高，进度快，对城市交通影响小，且对沿线周边地上、地下构筑物影响小，避免沿线各管线的迁改，经济效益显著。