下穿城市道路多条管线的顶管施工技术

吴发展

（中铁隧道集团二处有限公司，河北 三河）

引言

泥水平衡顶管机械化程度高，对地层扰动小，常用于城市管网建设或穿铁路营业线。杜兴涛[1]在综合管线下穿铁路营业线工程中，为减少施工对铁路运营线的影响，采用泥水平衡顶管技术，工后沉降控制在允许偏差内，有效保证了线路稳定。侯淑鸿[2]分析泥水平衡顶管机适应性，监测顶管姿态，控制施工纠偏，研究顶管下穿高速公路施工。石嵬[3]等在管道穿越高速公路时采用泥水平衡顶管，第三方专业公司连续进行沉降观测，沉降值在预警值10 mm 以内，保证了顶管施工中高速公路安全。济安街站一期污水管线迁改工程，采用顶管法施工从城市道路下方穿过，为保证施工安全，采用泥水平衡顶管施工。

1 工程概况

城市化进程促进了地下空间的开发利用，城市地下管线复杂交错，管网分布范围广[4]，济安街站一期污水管线迁改工程，受制于新建济安街站北侧附属的结构要求，原状DN400PE 管横穿济安街站1 号风亭导致位于济安街站西侧（明湖西路北侧）污水无法通过原有管道流入新菜市街污水管下游，需在济安街站结构西侧约26 m 处，新建一道南北向跨明湖西路的污水管线，采用顶管法施工从道路下方穿过（见图1），始发井设置于济南电大教师教育中心门口西侧，距离车站端头约37.8 m，顶管接收井设置于明湖西路南侧绿化带内（见图2）。

图1 地下管线分布

图2 顶管平面

顶管管道采用Ⅲ级管，管道内径1.0 m，外径1.2 m，壁厚0.1 m，采用C40 钢筋混凝土，标准管节长度2 m，下穿整个区段全长42 m（不含两侧顶管井），单线21节顶管管道。顶管始发井为结构尺寸5 m×7 m×3.9 m 箱型结构，壁厚0.5 m，结构埋置深度为7.289 m；顶管接收井为结构尺寸5.5 m×4.5 m×3.9 m 箱型结构，壁厚0.5 m，结构埋置深度为7.082 m。

顶管穿越地层土，钻探深度范围内揭露的工程影响范围内第四系地层主要为素填土、杂填土、粉质黏土等。

2 顶管机选型

顶管机型选择的原则是安全性、适应性和经济性[5]，考虑因素有工程地质、水文情况，还需要考虑施工条件和机具的施工效率[6]。

顶管设备主要有土压平衡顶管机和泥水平衡顶管机两种类型。土压平衡顶管机通过土仓内改良(改性)的渣土作为掌子面平衡介质，通过螺旋输送机出土速度实现土仓内压力控制, 进一步平衡掌子面水土压力；泥水平衡顶管机采用膨润土悬浮液(泥浆)作为支护材料，泥浆在开挖面上形成不透水的泥膜，依靠泥浆压力来平衡开挖面水土压力[7]。针对本项目特点，对土压平衡顶管机和泥水平衡顶管机对比分析，选择合适机型（见表1）。

表1 顶管机选型对比

顶管长度42 m，需要穿越城市主干道明湖西路，最大埋深4.685 m，距离地下管线垂直最近距离1 m，根据以上对比，泥水顶管在沉降控制及对周边地层影响方面有明显优势，并且泥水顶管扭矩更小、推力较小、对地层的扰动最低，因此根据工程地质特性、工程规模[8]，采用泥水平衡顶管机进行施工。

本工程采用3 800 mm×1 200 mm 圆形顶管机掘进施工，顶管机头共布置四个主刀臂，其中每个刀臂共部置五个刀头，刀盘直径为1 250 mm，共一台22千瓦电机，全断面面积1.23 m2，总削泥面积为1.23 m2，出泥率达85%。将工具管或掘进机吊入始发井后，自顶管始发井处借助顶管推进装置穿过土层，一直推到接收井内吊起，与此同时，紧随工具管或掘进机后面将预制的管片顶入地层。边顶进，边开挖地层，边将管段接长，直至完成整个污水管道的施工。

3 顶力

顶力计算时取管节最大外尺寸（1 200 mm）、顶进长度（42 m）及最大覆土厚度4.7m 进行计算。

3.1 总顶力估算[9]

管道的总顶力按照式（1）估算：

式中：F——总顶力标准值（KN）；D0——管道外径（m），取1.2 m；L——管道设计顶进长度（m），取42 m；NF——顶管机的迎面阻力（kN）；fk- 侧阻力取8 kN/m2，考虑触变泥浆减阻措施。

式中：D0——外径（m）；Ys——土的重度（kN/m3），取18 kN/m3；Hs——覆盖土层厚度（m），取4.7 m

根据表2 的数据可知：

表2 总顶力估算汇总

顶管总顶力为1 204 kN，拟采用的2 台200 t 千斤顶的最大推力为4 000 kN>1 204 kN，满足要求。

3.2 管道允许顶力验算

本工程在顶管传力面允许最大顶力验算，按式（3）计算：

式中：Fdc——混凝土管道允许顶力设计值（N）；φ1——混凝土材料受压轻度折减系数，取0.9；φ2——偏心受压强度提高系数，取1.05；φ3——材料脆性系数，取0.85；φ5——混凝土强度标准调整系数，取0.79；fc——混凝土受压强度设计值（N/mm2），取23.1 N/mm2；Ap——管道的最小有效传力面积（mm2），取0.346 m2；γQd——顶力分项系数，可取1.3。

计算得顶管：Fdc=3 122 kN。管道允许顶力Fdc=3 122 kN>最大顶力1 204 kN。

4 触变泥浆减阻

顶管顶进时，为提高工程质量和施工进度，为减少土体与管壁间的摩阻力，向管道外壁压注润滑泥浆，将固固摩擦变为固液摩擦，以达到减小总顶力的效果[10]。

注浆减摩的作用机理：膨润土触变泥浆将顶进管道与土体之间的干摩擦变为湿摩擦，起到润滑作用，减小顶进摩阻力；膨润土触变泥浆浆液填补施工时管道与土体之间产生的空隙，起到填补和支撑作用，在注浆压力下，减小土体变形，使隧洞变得稳定。

在顶管施工中常用的注浆材料是膨润土泥浆[11]。膨润土泥浆又称触变泥浆，由膨润土、CMC（粉末化学浆糊）、纯碱和水配方组成，膨润土浓度占5%左右，触变泥浆的配合比例根据现场试验确定。

触变泥浆的用量取决于管节周围空隙的大小及周围土质的特性，因本工程地质条件较差，浆液易损耗，注浆量拟定理论值4 倍。

表3 每立方泥浆配比

表4 触变泥浆指标

5 顶进后的加固

顶进后，需要对顶管壁周围被枯井扰动的松散土层进行注浆，加固管道周围土壤的黏结性，使管道周围的土体成为具有一定强度的复合地基，稳固土体[12]，防止工后沉降影响其上部管线和城市道路。水与水泥配合比1：1 在管壁后注浆，注浆压力为静止水压力的1.1～1.2 倍，注浆完成后，封堵注浆孔，防止浆液流失。

结束语

顶管施工中，根据工程具体情况，选择合适的顶管机械是工程顺利进行的前提。

泥水平衡顶管机以泥水平衡地下水压力和土压力，防止开挖面坍塌，又以泥水输送弃土，无须土质改良，地表沉降小，施工安全性高。

触变泥浆减阻技术可降低顶进阻力，要完善注浆工艺，保证触变泥浆减阻的实施质量。