土压平衡顶管下穿市政主干道施工技术

2024-02-20刘志发

工程建设与设计 2024年2期

刘志发

（中交第四航务工程局有限公司，广州 510000）

1 引言

顶管施工技术由于其工程造价低、施工便捷、对施工周围影响范围小等优势被广泛应用于各类管道铺设工程中。与传统开挖式管道铺设技术相比，顶管技术在不用大面积开挖地面、不破坏地上建筑物的基础上就可以进行管道铺设，大大提升了施工速度，降低了对地上附着物的破坏程度。因此，加强对顶管施工技术的研究具有十分重要的意义。

2 工程概况

某采用机械顶管施工工艺的雨水管道建设工程，顶管施工区域的地质结构组成为：第四系沉积物中更新统和下更新统都是冲洪积底层，中更新统呈黄土状，下更新统呈黏土和砂石状。顶管施工范围整体处在黏土地质结构处，不受地下水的影响，地上为略带斜坡的平原区。雨水管道与城市主干道垂直交叉，采用外径为φ1 400 mm～φ1 422 mm 的单排钢筋混凝土管进行顶管穿越城市主干道，顶管总长度为72.5 m，管道铺设施工深度7.05 m。

3 路基工作区的影响

该雨水管道铺设施工中，由于采用的是顶管施工技术，要保证正常的交通运行，所以事先设计的铺设雨水管道的施工范围与公路路基要保持一定距离，同时路基工作区域范围内的路基强度和稳定性是保证正常施工最重要的影响因素。路基工作区应力作用如图1 所示，计算过程为：

图1 路基工作区应力作用示意图

式（1）、式（2）中，σB为路基土本身重量在路基内深度Z 处引起的应力；γ 为土重度；Z 为路基深度；σZ为车辆荷载引起的附加应力；P 为轮重；K 为路基反应模量；r 为顶管水平距离。

当r=0 时，附加应力σZ最大，计算公式为：

当顶管处于路基某一固定深度时，车辆荷载引起的附加应力σZ与路基自重引起的应力σB相比较而言，车辆荷载引起的附加应力约是路基自重引起的应力的0.1～0.2 倍，只占相当小的比重。这时的车辆荷载附加力对下部路基的影响几乎可以忽略不计。将该深度Z 范围内的路基称为路基工作区，则有式（4）：

因此，可以计算得出路基工作区深度Za的计算式为：

式（4）、式（5）中，P 为轮重；γ 为土重度；n 为路基应力系数，取n=5～10；K 为路基自应模量，取值0.5。

当将行驶车辆的轮重按照550 kN 进行测算时，计算的其他相关参数是：单侧后轮荷载P1、P2取140 kN；后轮轮距b=2.5 m；M、N 为P1受力点，M1、N1为P2受力点，土体的重度γ=11 kN／m3。表1 为车辆荷载作用下顶管覆土厚度计算结果。

表1 车辆荷载作用下管顶覆土厚度计算结果

由表1 可知，位于路基2.68 m 深度以下的范围已超出路基工作区，因此，该工程中雨水管道铺设施工深度7.05 m 已不在路基工作区范围内，符合施工设计要求[1]。

4 沉降分析

假设在工程施工过程中，土体的体积不发生改变，不发生排水的情况，当土体损失的部分等于沉降槽的体积时，按照Peck 理论计算地面横向沉降的公式为：

式（6）、式（7）中，S（y）为y 处地面沉降量，mm；y 为地面与顶管轴线的横向水平距离，mm；Smax为顶管轴线上方的最大地面沉降量，mm；Vloss为顶管单位长度的土体损失量，m3/m，Vloss=πR2η；其中，η 为土体损失率，R 为掘进机外半径，R=1.08m；i 为地面沉降槽宽度系数，即沉降槽曲线拐点与顶管轴线的水平距离，m。当η=0.02 时，则地面沉降槽的宽度系数计算过程如下：

式中，h 为顶管轴线至路面的距离，m；n 为幂函数指数，取n=1。

以此，可以计算得知最大地面沉降量Smax=0.007 147 m，由计算结果可知，顶管轴线上方的地面最大沉降量几乎不向两侧沉降，完全符合施工设计要求[2]。

5 施工技术

5.1 顶管施工的前期准备工作

在进行具体顶管技术施工前，为了确保整体工程的施工进度和质量，需要在施工现场提前设置施工设备，提前将顶管机、发射架、反力架设置在施工井的内侧，同时要提前准备好水泵、全站仪、电焊机、激光校准仪等一些辅助设备，在人力施工困难的部位提供有效帮助，保证工程的顺利实施。

5.2 工作井设计及施工

该工作井的尺寸参数为：长7 m，宽4 m，护臂为0.4 m 厚的钢筋混凝土，底板是0.5 m 厚的钢筋混凝土。采用沉井施工工艺，先在沉井周围设置水泥搅拌桩止水帷幕的方式，沉井分节下沉，在施工人员人工开挖的过程中，同时对其进行封闭作业，以此来保证工作井的牢固性。在工作井外侧设置的水泥搅拌桩，桩径为0.5 m，采用普通32.5 硅酸盐水泥按照1∶2.2～1∶2的水灰比配置浇筑而成[3]。

5.3 后背墙

该工程中的后背墙是在工作井内墙的基础上，对其进行加宽处理。后背墙的施工高度为2.76 m，厚度为30 cm，同时要在后背墙上铺设钢板作为铺垫。在后背墙施工过程中要保证后背墙面始终与雨水管道处于垂直状态，垂直角度的误差率＜0.001，水平扭转度＜0.001。

5.4 工作井导轨安装

该工程中导管是由标号为120 的工字钢与标号为20 的槽钢焊接而成的双排导轨，安装导轨时一定要注意保证雨水管道中心线和坡度的设计要求，从而来保证雨水管道的极端可以顺利顶进，安装导管过程中要随时用测量仪器进行检测，要确保轴线位置误差率＜3 mm。

5.5 千斤顶安装

该工程使用的3 台千斤顶为ZB-50 型、重200 t 的高压电动油泵，要将3 台千斤顶的进油管并联在一起，并联时保证油管的顺直，尽量减少拐弯，同时要保证各千斤顶活塞的出力和行程是一致的。将千斤顶安装固定在支架上时，要保证千斤顶的作用力与雨水管道的垂直度。

5.6 顶铁的安装

顶铁按照功能性状可分为环形顶铁和U 形顶铁，其主要工作原理是：在顶进管道后，布设在千斤顶和雨水管道两端之间的传力构件，通过该构件可以将千斤顶的综合作用力均匀地作用在顶管端部，进而起到调节千斤顶和管端距离的作用。在对顶铁进行安装时，一定要将顶铁、导轨等相互接触的截面清理干净，以免发生因接触不良而引起滑动。将顶铁安装完成后，要在顶铁和雨水管道之间衬垫胶合板，从而使雨水管两端均匀地受力。同时在安装过程中，要保证顶铁中心线、管道中心线、千斤顶中心线三线处于平行状态，以免发生顶力偏离重心。

5.7 顶进施工

5.7.1 正常顶进施工

在雨水管道进行顶进施工前，一定要事先对所有设备进行检修，确保可以正常施工。正式开始顶进作业过程中，要按照一边挤压泥浆一边顶进，不压泥浆不进行顶进作业的原则，对凿好孔的雨水管顶入土层，在雨水管顶进过程中，一定要做好测量检测工作，具体测量频率要求是：初次顶入土层时，每顶进30 cm，测量次数≥1 次；当雨水管全部进入土层后，每顶进1 m，测量次数≥1 次。

5.7.2 测量与纠偏

在进行顶进作业时，要采用全站仪来对顶进施工进行测量并随时纠正偏差，具体顶进施工作业中还应注意以下事项：

1）根据施工设计要求，沿着雨水管的顶进线路设置水准线路，并布设水准点和导线点，同时要按照设计图纸标注出工作井的位置和深度，便于工作井的具体开挖作业。还要标记出开始工作井和结束工作井的中心点，并在标记的工作进边缘搭设好支架，准备好焊接工具。

2）将投点的位置作为导线点，依照顺序逐一开展两个井之间的导线数据值，也就是我们常说的贯通导线值，与此同时需将两个井的各自投点做联测处理，在基础条件充足的情况下，可直接将投点布设为导线点，确保该投点的数值精确，同时做好牢固标志的设立工作，便于后续的二次测量。坐标点设立可参考贯通导线和井口的实际投点数值，井下投设方向也一并做好设立点，加设水准点以做临时测试使用。

3）控制观测台的搭建与设立尤为关键，其中对于仪器的基座要加做强化配置，且兼具调整的灵活性，并以中线作为数值偏差的衡量标准，直至仪器横轴完全处于中线的位置上。

根据本工程的实际情况，放置在顶管机设备中的测量靶网格尺寸严格控制在10 mm，以测量靶发射出的激光点方向控制顶管设备的倾斜率，并配以调整好的千斤顶，以改变顶管机在推进时的前进方向，达到顶进方向严格控制的标准结果。顶进过程中，要随时以观测台上的激光经纬仪发出的激光束作为管道的中心数为参考，确保实际作业时的顶进数值与设计坡度完全吻合，遇偏差情况要及时利用设备进行纠偏处理，即借助偏离信号+视频传输的方式进行顶进方向的调整，确保前进放线与激光线保持一致。顶进距离在5～10 m 时，需参考以下偏差值作为允许范围：（1）轴线距离：50 mm；（2）高程距离：30 mm。

工具头前方有纠偏节，技术人员需随时观察位于纠偏节中的千斤顶设备，确保其在顶进作业期间处于正确的前进方向，且对工具头加以控制，便于保证顶进方向的正确性。偏差＞10mm时，需立刻采取纠偏的方式予以处理。