大型输水工程中土压平衡顶管施工技术分析

李 涛

(新疆伊犁河水利水电投资开发(集团)公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

大型输水工程中的输水管道直径较大，如果采用明挖法会造成较大的土方作业量，由挖方所形成的基坑也会产生潜在的安全隐患。土压平衡顶管施工技术属于典型的暗挖法，其优点是无需开挖地面，对建筑物、公路、铁路等既有设施的影响非常小。在工程应用中要掌握这种施工技术的要点，尤其是顶进过程控制，包括泥土仓内压力控制、导向、纠偏、排泥等。掌握土压平衡顶管施工的技术要点有助于提高工程质量、控制安全风险。结合工程实践和相关的理论研究，发现工作井设计、顶进过程控制对施工质量的影响较为突出，作业过程中对管道敷设的方向具有严格的要求，顶进时需精准导向。安全管理中关键是控制土压力，避免塌陷或者隆起，泥浆应用及排土对土压控制影响较大。当前需加大对这些重要施工因素的研究力度，突出施工控制的要点。

1 工程概况

某大型输水工程需穿越清伊高速公路(新疆伊犁哈萨克自治州霍城县兰干乡境内路段)，输水管线与高速公路的交叉点处存在4条并行线路，分别为乡道、清伊高速公路、G218国道、Z778专线。该输水工程需铺设3排DN2400的钢筋混凝土管道，其水平间距为5m，单条输水管线的长度为110m，3条管线总计330m。

输水管道敷设在地下，可采用明挖法或者暗挖法，该项目为了不影响正在使用的公路、铁路、国道，决定采用暗挖法，对比多种暗挖施工工艺后，最终选用土压平衡顶管施工法，顶进长度为3条管线长度之和。

2 土压平衡施工的前期技术准备

2.1 地质勘察

地质勘察为施工技术选型、安全隐患预防、工程造价评估、工艺参数设计提供了重要的判断依据，项目工程地质勘察结果显示：该段地层岩性为第四系上更新统冲洪积低液限粉土，含水率为2.2%～26.2%，土层稳定性较好。地下水埋深大于50m，对顶管施工几乎无干扰。管道上方的覆土厚度3～11m，对地面交通设施不会造成明显的影响。

2.2 工艺参数计算

2.2.1土压力计算

土压平衡顶管施工技术通过控制土压力来防止顶进过程中出现地面塌陷或者隆起的现象，这一过程称之为土压平衡。顶管机所处土层的主动土压力记为Pa，被动土压力记为Pp，顶管机土仓内的控制土压力记为P，实现土压平衡的条件是Pa

Pa=γh·tgn2(45°-φ/2)-2C·tgn(45°-φ/2)

(1)

Pp=γh·tgn2(45°+φ/2)+2C·tgn(45°+φ/2)

(2)

P=k0·P0=k0·γ·h

(3)

2.2.2顶力计算

足够的顶力是实施顶管施工的基本前提，也是顶管机选型的主要依据。管道在顶进过程中受到迎面土层的阻力和四周土体对管壁所产生的摩擦力，顶力需大于阻力和摩擦力之，计算方法为式(4)。其中Fp为顶进阻力，D1为管道外径，L是管道的计算顶进长度，管道外径与土的单位面积摩擦阻力用fk表示，NF是顶进机受到的迎面阻力，代入项目中的实际参数，计算出总顶进阻力为5076kN。

Fp=π·D1·L·fk+NF

(4)

3 土压平衡顶管施工关键工序的技术要点

3.1 工作井及配套设施建设

3.1.1工作井设计与施工

工作井是土压平衡顶管施工的始发点，也是顶管机进入作业面的基础条件，工作井需满足多种要求。①足够的设备安装空间。工作井内要足以容纳后背墙、轨道、顶管机、千斤顶、排泥管道、液压站、顶铁、输水管道。该项目中设计了一座工作井，其尺寸为22.8m×7m×8.14m；②足够的结构强度。工作井属于典型的深基坑，为达到足够的结构强度，应科学设计基坑四周的维护结构以及基坑底板。该项目中将四周护壁设计成厚度为0.5m的钢筋混凝土结构，利用混凝土的优异承载能力提高基坑的安全性。

工作井施工管理阶段的重点是控制好深基坑的边坡，项目中采用挂网和锚喷支护的边坡加固方案，喷射C15混凝土[3]。另外，由于护壁、基底等均为大体积混凝土结构，在施工时要控制其浇筑温度，防止出现结构开裂。可在混凝土结构内部预置温度监控传感器以及冷水降温管路。

3.1.2后背墙设计及施工

后背墙集成了液压站和主千斤顶，其作用是为顶管施工提供反作用力，工艺参数中的顶力计算对千斤顶设计提供了理论依据，千斤顶的顶力峰值要大于项目所需最大顶力。在顶进作业中，由液压站驱动主千斤顶，向顶铁施加推力，顶铁再将推力传递到管道和掘进机械上，随着顶进距离的增加，后背墙上承受的载荷会逐步升高。因此，在建造后背墙之前要提前计算出最大反力R，确保后背墙的刚度、稳定性以及强度满足顶进作业的要求，避免其在施工过程中出现弹性变形或者滑移。该项目中将后背墙的尺寸设计为高5m、宽5m、厚度不低于0.5m。后背墙背靠护壁，施工方法为钢筋混凝土现场浇筑，在浇筑之前将主千斤顶、液压站、预埋管线设置在预定位置上。设计关键是计算出后背墙所能提供的最大反力R，要求R达到总阻力的1.2～1.6倍[4]。最大反力R的计算方法如式(5)，其中R为总推力的反力，α是反力R对总阻力的倍数，B和H分别为后背墙的宽度和高度，Kp代表被动土的压力系数，c代表土的内聚力，γ为土的容重，h是后背墙顶部土体到地面的距离。

(5)

3.1.3轨道安装

导轨的作用包括两个方面，其一是为顶管机安装提供稳固的平台，因为顶管机体积和质量都较大，难以实现整机吊装，因而在工程实践中多采用分体吊装、作业平台组装的安装方式。导轨是组装顶管机的平台。其二是为顶管机提供导向作用，顶管机在导轨的导向作用下始发。因此，设计和建造导轨时要求其达到足够的承载力和稳定性。导轨的施工材料包括型钢和厚钢板，以焊接的方式将工字钢和钢板连接成特定的轨道结构。导轨安装的质量与顶面高程、轴线位置、轨道内距等密切相关，施工单位要严格控制安装精度。例如，顶面高程误差要求控制在±3mm之内。另外，顶管机、管道、顶铁等产生的载荷会通过导轨传递到基坑底板结构上，如果底板的承载力不够，导轨的稳定性也会受到影响，甚至会出现导轨沉降的现象。

3.2 顶进过程控制

3.2.1科学设计顶进工序

按照从前到后的顺序，作业面上最靠前的设备是顶管机，其作用是利用刀盘破碎岩土层，同时将破碎的岩土体排出，顶管机后紧跟着管道、环形顶铁、U型顶铁。主千斤顶的顶力直接作用在U型顶铁上。环形顶铁的作用是保护混凝土管口，主千斤顶不可直接作用在管口上，否则有可能导致管口破裂。环形顶铁与管口紧密贴合，将作用力均匀地分散在管口上，起到保护管口的作用。U型顶铁类似于一个开口的环装管段，具有一定的长度，千斤顶直接向U形顶铁施加作用力，实现顶管。当一个U型顶铁向前移动，并超过千斤顶的作用范围之后，利用吊装机械重新放置一个U型顶铁，于是顶管便不断前进。完成一节混凝土管道的顶进之后，将数量不定的U形顶铁和一个环形顶铁依次吊装拆除，再吊装下放新的混凝土管道，然后重复上述顶进程序。管道前端设计了密封圈接口，管道后端设计了钢套环，在顶力作用下，密封圈被推进钢套环，实现管道之间的连接。

3.2.2顶进过程的土压力控制

泥土仓内的控制土压力始终要处于主动土压力和被动土压力之间。当控制土压力大于被动土压力和地下水压力之和时，地面就会出现隆起，造成这一问题的常见原因是顶管机推进速度过快，排土能力不能及时跟进。反之，当控制土压力小于主动土压力和地下水压力之和时，土就涌向顶管机的泥土仓，造成地面塌陷，这一问题的常见原因是推进速度过慢，实际排土量超过理论排土量。由此可见，控制顶管机泥土仓内的土压力是预防地面下沉或者隆起的关键。由于作业线路上的地质结构并不完全相同，实际的土压力在不断地变化。因而顶管机要根据主动土压力、被动土压力以及地下水压力的变化来实时调节泥土仓内的控制土压力。该项目几乎不受地下水压力的影响，只需考虑主被动土压力。在顶管机的泥土隔仓板上安装了专门的土压表，其作用是实时测量泥土仓外的土压力，系统获得相关数据后调节顶进速度和排土速度，从而实现土压平衡[6]。

3.2.3顶进过程排泥控制

刀盘切削下来的泥土要持续排出泥土仓，顶管机内设置有螺旋输送机，将切削下来的泥土源源不断地输送到料斗内，料斗通过管道与输送泵连接，由输送泵产生动力，将膏状的泥土从料斗内吸走，再通过提升泵接力，最终将泥土排到地面上的收集点。为了防止膏状泥土在管道内形成堵塞，输送过程中同步向排泥管道内注入泡沫状的润滑剂，以降低摩擦阻力。排泥控制对维持土压平衡具有重要的作用，当泥土仓内压力过大时，螺旋输送机转速提高，排泥速度同步提升。当泥土仓内压力过低时，螺旋输送机转速下降，排泥速度同步下降。在精确地控制下始终维持土压平衡，防止地面塌陷或者隆起。

3.3 顶进作业中的浆液配置及应用

顶进过程中使用的浆液用于促进掘进、排泥，合理运用泥浆、土体改良液有助于土压平衡控制。

3.3.1泥浆的应用方法

第一，泥浆的作用。顶管机通过刀盘切削正面的岩土体，将其破碎后排出，通过这种方式向前掘进，为顶进作业提供空间。刀盘转动时受到岩土体的阻力，形成反力矩，并且岩土体会对刀具产生较大的摩擦力，容易导致刀具磨损。为了降低摩擦力和反力矩，在顶管机的刀盘中心处设计了2条注浆管道，在掘进的过程中通过管道同步向作业面注入泥浆，一方面可以起到润滑作用，降低摩擦作用力，另一方面则是利用泥浆润湿破碎后的岩土体，使其形成具有一定流动性的膏状物，便于利用螺旋输送机和管道将其排出工作井。另外，除了向切削作业面注浆外，还需向管道四周外壁注浆，目的是在管壁外形成泥浆套，降低管壁和土体的摩擦力。因此，泥浆在整个顶进过程中发挥着非常重要的作用。

第二，泥浆制备。顶进作业中使用的触变泥浆利用膨润土和水进行配置，必要时可向其中加入纯碱和其他外加剂。在制备泥浆时要科学设计各类物质的含量，通常膨润土和水的比例为1∶4左右，纯碱和其他外加剂的用量非常少。

第三，注浆压力控制。注浆压力与主动土压力存在密切关联，在工程实践中将注浆压力P注设计为Pa

3.3.2土体改良液的作用及应用

土体改良液用于改变泥土仓内破碎岩土的形态，使其形成流塑状，这种形态的土体有助于控制泥土仓内的压力。土体改良液的主要成分是水和聚丙烯酰胺。通常聚丙烯酰胺溶液中的聚丙烯酰胺含量为0.01%～0.02%，可根据实际需要调整其浓度。该溶液在制备时需搅拌较长的时间，初期存在聚团的现象，随着搅拌时间的延长，溶液逐渐趋于均匀和透明。顶管机的刀盘可借助电流自动控制土体改良液的加注时机以及具体的加注量，在工程实践中将土体改良液加入泥浆中，形成特定的浆液，表1为该输水项目中所用浆液的配比。

表1 土压平衡顶管施工法浆液配比

3.4 导向、姿态测量与纠偏

3.4.1导向与纠偏

在顶管施工中，导向关系到管道敷设的走向，影响着工程目标的实现。对于400m以下的顶管作业，大多采用激光束导向，激光从工作井发出，照射导向靶，为顶进作业提供精确的方向控制。一旦距离超过400m，或者顶进线路非直线，激光导向作用将受到限制。当前，土压平衡顶管系统中大多集成了自动化的导向功能，典型的如MTD-D自动测量导向系统。导向系统检测到顶管方向偏差之后，控制中枢则根据测量结果进行方向纠偏，在纠偏工作中遵循小幅度纠偏、勤纠偏的基本原则。

3.4.2姿态测量与纠偏

除方向之外，还要关注顶管机的平衡性，因为顶管机横向宽度较大，在掘进过程中受岩土反力矩的作用，可能出现水平向不均衡的问题。为保证顶管机的水平度，在系统中利用激光经纬仪、导向靶、倾角检测传感器以及螺旋输送机等控制顶管机的水平姿态。在纠偏时，由螺旋输送机与顶管机的纠偏油缸相互配合，调整其水平姿态，在顶管机的两侧各布置一个螺旋输送机，可灵活调整两侧的排泥速度和排泥量，进而控制顶管机的水平姿态。

4 结语

土压平衡顶管施工技术在大型输水工程中具有降低造价、减少环境影响、几乎不干扰既有设施等优点。在施工准备阶段需通过地质勘察掌握作业区的地质条件，然后结合地质条件计算土压力、顶力，选择符合力学要求的顶管机，奠定施工基础。进入施工阶段后，应加大对关键工序的设计和施工控制，合理建造工作井，清晰规划顶管施工的工序和流程，强化顶进过程控制，尤其是泥土仓压力、顶进方向、顶管机姿态，及时纠正各类偏差。科学运用泥浆，促进排泥施工和土压平衡控制。研究内容对施工的指导意义集中体现在突出关键工序的内在联系，浆液制备及应用、导向、姿态控制都服务于顶进过程控制。不足之处在于未能结合施工中的地质变化分析具体的应对策略。