土压平衡顶管机在砂层顶管中的应用

土压平衡顶管机在砂层顶管中的应用

万宝宏

万宝宏

（中铁六局集团石家庄铁路建设有限公司，河北，石家庄，050000）

【摘要】通过对土压平衡顶管的施工原理的叙述，以工程实例为背景,论述经过顶力、后背墙和管道局部受力的计算，详细论述了土压平衡顶管方法在松散砂层中的顶管中的顶进施工关键技术控制措施,总结出了施工技术及参数指标,为同类工程施工提供一些经验。

【关键词】土压平衡机；顶管；砂层；应用

1引言

随着社会的不断发展，土压平衡顶管在我国的顶管施工中大量应用，在施工技术上、顶管设备制造方面取得了很大的进步，但是传统的人工掘土顶管因存在一些安全和质量事故隐患已不能满足施工需要。目前大多采用机械顶管，机械顶管分为气压平衡顶管、土压平衡顶管和泥水平衡顶管。土压平衡顶管施工适用于不同地质条件的各类管道施工，具有顶距长、地面隆沉小、施工安全、不需要其他辅助措施、可穿越重要公路、铁路、建筑物等特殊工程地段优点。因此，土压平衡顶管施工受到到业内人士和技术人员的青睐，被采用的越来越多。

2土压平衡顶管基本原理

土压平衡顶管是以土压平衡为工作原理的一种顶管施工方法。在工作时，通过大刀盘及仿形刀盘对机头正面土体的全断面切削，利用主顶设备把机头向前推进，把切削下来的泥土挤进机头土压仓内，通过调节机头顶进速度和螺旋输送机的转速来控制土压仓内的压力，其排土量与掘进机头切削刀盘破碎下来的土的体积处于一种平衡状态，确保地层稳定。

利用土压平衡顶管机具有对周围土体扰动小，施工时无噪音、对环境污染小，可通过计算机等科技手段随时监测施工状况，确定施工参数，使整个施工过程处于有效可控，从而可以将轴线、高低控制在一定的范围内，同时对地面沉降影响小等优点。

在砂层顶管中,如何建立起土压平衡、保持挖掘面稳定是施工关键,土压平衡顶管机通过控制螺旋输送机排土速度、对挖掘面土体进行注浆改良土体结构等措施，达到了控制地面隆沉和顶进质量的目的。

3工程概况

河北省南水北调配套工程穿越京港澳高速公路工程，总计有13处，分别位于保定、石家庄、邢台、邯郸四个地市。采用土压平衡顶管施工的由6处，穿越高速公路采用钢筋混凝土Ⅲ级管为套管，套管内穿钢管输水。

本文以邢清干渠穿越京港澳高速公路工程为例，邢清干渠与京港澳高速公路交叉位置桩号为K402+850.2（石安改扩建段设计桩号为K406+993)，交叉角度为87.4。交叉方案采用DN2200钢筋混凝土Ⅲ级管，双排布设，管间净间距为8m，顶管长度为105m。管顶覆土4.3-10.3m，西侧设工作井，东侧设接收井，井内壁采用C25混凝土锚喷，钢筋混凝土后背梁，要求从高速公路西侧顶进。

经勘探揭露，地层结构为砂土为主结构，岩性为：人工填土厚10m，细砂厚5m，中砂厚0.5-5.1m，壤土揭露厚度2.8-4.5m。场区地震动峰值加速度0.10g，相应地震基本烈度VII度。勘察深度范围内未揭露地下水，砂性土层不具备震动液化可能。顶管位于第四系冲洪积细砂层和人工堆积土层中，建基面高程54.84m。其上为细砂和杂填土，其下为中砂、卵石和壤土。

本处为地层为砂层，采用土压平衡顶管机施工，顶管后座顶力10449KN。

4施工工艺流程

结合本工程的实际情况和借鉴以往类似工程的施工经验，依据图纸和相关规范、验收标准、操作规程，制定了施工工艺流程。

图1土压平衡机械顶管施工工艺流程图

5施工参数计算

5.1顶力计算

影响顶力的因素很多、覆土层厚度、管径和管重、管长、管道与周围土层的摩擦系数、减阻措施效果等，计算方法有多种，本工程依据《顶管施工技术及验收规范》进行顶力计算：

式中：P—计算的总顶力，KN；

γ—管道所处土层的重力密度，KN/m?；

—管道的外径，m；

H—管道顶部以上的覆盖土层厚度，m；

L—管道的计算顶进长度，m；

—管道表面与其周围的土层之间的摩擦系数；

—顶进时顶管机的迎面阻力，KN；

—顶管机的外径，m；

在本工程中，在管道即将就位时，顶程最长，顶力最大，依据图纸和地质报告，考虑触变泥浆减租等因素，相关参数的取值为：γ=15.5KN/m?；=2.64m；H=10.3m；L=105m；=0.55；=2.66m。

经计算：顶力P=10447KN<设计估算顶力10449KN

因此，则设计估算顶力满足顶进要求。

5.2后背计算

为了确保后背墙在顶进过程中的安全，后背墙的反力R应大于最大顶力的1.2倍，在计算时忽略钢后背梁的影响，假定主顶千斤顶施加顶力时通过后背均匀的作用在工作井后的土体上，反力R的计算为：

（3）

式中：R—总顶力之反力，KN；

α—系数，取1.5～2.5；

γ—后背所处土层的重力密度，KN/m?；

H—后背墙的高度，m；

—被动土压系数；

c—土的内聚力，KPa；

h—地面到后背墙顶部土体的高度，m；

在本工程中，设计后背梁的宽B=5.2m，后背高度H=3.92m，地面到后背墙顶部土体的高度h=8.23m；α取1.5，土的重力密度γ=15.5KN/m?；依据规范=3，砂土内聚力c=0。

经计算：反力R=14487KN，是顶力P=10449KN的1.38倍。

则顶进时后背后土体不会发生压缩变形，后背的稳定性满足施工要求。

5.3管壁局部受压计算

顶镐选用500t，行程为3m单级双作用活塞式千斤顶，布设置4台顶镐。依据下列公式计算：

（4）

在本工程中，顶铁作用与管壁的面积S=1298cm2，最大顶力P=10447kN，

=10447×1000/(4×129800)=20Mpa<40Mpa(顶管设计强度)

所以在最大顶力条件下，顶管不会被局部压坏。

6施工技术措施

6.1顶管机出洞措施

顶管机从工作坑内进入土层称出洞，顶管机的出洞是顶管施工的关键节点，应采取以下几点措施确保顶管机正常地进入土体：

（1）开洞门。将洞口处的混凝土墙壁凿除，人工向前挖土500～800mm，再将机头缓缓推进洞口里，开洞门之前，止水环必须安装完毕，采取了防止洞口砂层塌方的措施。

（2）顶管机入土。开动顶管机刀盘，用主顶油缸徐徐把顶管机推入土中，在顶管机进入土体过程中，入土前两米顶进时，顶进速度控制在5毫米/分钟以下，以防止刀盘嵌人砂土中不转而顶管机壳体旋转，并观测机头倾角和旋转变化，及时修正和调整。顶进2米以后在机头不旋转的情况下可逐渐加大顶进速度，机头完全入土后，土仓压力控制在50～80KPa。

（3）在机头重心未离开轨道前，将第一节管、中继环和机头用高强度螺栓连接起来，形成一个整体,控制顶进段的高程和中线，防止机头“扎头”。

（4）导轨铺设时在穿墙洞口内通过预埋件安装导轨延伸段，防止机头进入土体后由于力矩的不平衡头部向下。

6.2注浆减阻措施

在顶管施工中,减小管道与周围土体的摩擦力，降低顶进阻力的最好的的措施就是向管道与土体之间进行注润滑泥浆，注浆可以使管周外壁形成泥浆润滑套。本工程顶进地质为砂层，管壁与砂的摩擦力大，为了减小顶进阻力，采取以下措施：

（1）选择优质的触变泥浆材料,对膨润土取样测试。主要指标为造浆率、失水量和动塑比。

（2）在管材预制过程中在每个管节中间预埋3个压浆孔，3个压浆孔成120度分布。

（3）浆液配制、搅拌、膨胀时间,必须按照规范进行,使用前必须先进行试验。

减阻泥浆采用膨润土配制而成。膨润土一般要求胶质价在80以上。膨润土进场后，先测定其胶质价，根据胶质价确定配合比。

表1膨润土泥浆重量配合比

膨润土泥浆的拌和时间一般为20至30分钟。泥浆制备后，须静置24小时方可使用，使其充分吸水，膨润成胶体，使用比重计测其比重，掌握在1.15g/cm3为宜。

（4）注浆方式要以同步注浆为主,补浆为辅。注浆时按照先压后顶、随顶随压、及时补浆的原则，补浆应按顺序依次进行，每班不少于2次循环，定量压注。当管节顶进时，利用顶管机机尾部环向均匀布置的3个注浆孔与顶进同步进行跟踪注浆，以确保当掘进机向前时在其后形成的环形空隙立即被泥浆所填充，从而形成完整的泥浆环套。在一节管节顶进结束后就补压浆，而且还要视每段管节顶进的阻力情况随机分段进行补浆。

（5）在顶进过程中,严格执行顶管注浆操作规程，由专人操作，质量员检查严格把好质量关。要经常检查各推进段的浆液形成情况。注浆泵选择脉动小的螺杆泵,流量与顶进速度相应配合。

（6）为保证注浆质量，防止浆液外漏，在顶进方向的墙壁上安装止水环。

图2止水环安装示意图

（7）注浆量与注浆压力

在注浆过程中，应根据减阻和控制地面变形的实际监测数据，及时调整注浆量和注浆压力等工艺参数。

注浆量原则上控制在同步跟踪注浆量为管节外理论空隙体积1.5～2.0倍计算。补注浆量一般为管节外理论空隙体积的1倍左右。

注浆压力P，在施工现场可按下面公式计算：

P=(2～3)γH（5）

式中：

γ—管道所处土层的质量密度（KN/m?)

H—管道顶部以上覆土土层的厚度（m)

本工程的最大注浆压力为:P=(2～3)10γH=3×9.8×1.58×10.3=0.48Mpa

6.3测量监控及纠偏措施

（1）顶进测量

①顶管过程必须严格按照设定的管道中心线和工作井为建立地面与地下的测量控制系统，控制点布置在不宜扰动、视线清楚、方便校核的地方，并加以保护。

②本工程测量用光学法，主要装置包括激光水准仪、激光经纬仪、被动靶标和摄像机。激光经纬仪安装在距后背墙1m处两组千斤顶之间的管道的中心线上。

③顶进始发前必须认真测量机头的轴线和标高，初始顶进每1米测量一次，正常顶进时，每顶进3米测量一次，遇有纠偏每1米测量一次，测量时要注意照射到机头激光靶上的激光点和管道中心轴线的一致性，若出现偏差通知机手及时调整。

④顶进测量记录必须连续、真实、完整、记录表格填写清楚，测量人员及时绘制出管道中心及高程曲线图，随时预测机头的前进趋势。交班时必须认真交接测量记录，交清管道轨迹和纠偏趋势。

⑤高速沉降观测。顶进施工前在高速硬路肩上顶涵范围及周边20m范围内布置监测点，对每一测点高程和水平位置做详细记录，同时观察记录路面的裂缝情况，在顶管机出坑至顶管完成全过程中对这些测点的高程、水平位移和路面的裂缝情况每2小时测量一次并做好详细记录，沉降观测时间从顶管开始一直监测到顶管完工后3个月。

（2）顶进纠偏

①断地观察光靶上激光点的行走轨迹，如发生偏移大于20毫米，预测机头又有向偏差大的方向发展的趋势时，要采取纠偏措施。纠偏时开动纠偏千斤顶。纠偏时每1米测量一次，并做机头和机尾的数据比较，有回归趋势时，保持一段顶进距离后，要停止纠偏，防止左右摆动。纠偏的原则是勤纠、微纠，每次纠偏量不要过大，而且要注意发展趋势，当上下、左右均发生偏差时，先纠上下、后纠左右。

6.4进洞控制技术

机头推进到距接收坑约1米处，停止顶进，依据接收井墙壁的土体开裂并向外凸出的情况，从凸出中心部位打进一根钢钎寻找机头，测量机头的轮廓外边，拆除机头所处的接收坑井的墙壁，启动主顶油缸继续顶进，等机头的中心刀盘露出时，停止推进。安置机头接收托架，然后，慢慢将机头推入接收坑井内。使用吊车将机头吊运出接收井。

防止在接收井出现扎头现象，采取以下措施：

（1）在接收井内底部浇筑低强度混凝土底板，把导轨延伸到工作井内，把土压平衡顶管机机头托起。

（2）在机头完全进入接收井后再解除与第一节混凝土管的连接。

7、结束语

本工在施工过程应地制宜、采取合理、先进施工技术措施，顺利的完成了顶进施工，高速公路路基的沉降控制在规范允许的范围内，经过雷达地质物探，管顶路基良好，达到了预期的目的。随着国家基础建设投资越来越多，土压平衡顶管的适用性强、占地小、环境污染小、对周围的构筑物影响小，土压平衡顶管的应用会越来越广泛，通过本工程总结了一整套顶管施工技术及各项参数指标,为河北省南水北调配套工程穿越京港澳高速公路工程的其余顶管施工和类似工程施工提供了宝贵的经验。

参考文献：

[1]中国工程建设标准化协会，CECS246:2008给水排水工程顶管技术规程［S］，北京:中国计划出版社，2008．

[2]中国非开挖技术协会，顶管施工技术及验收规范（试行）［S］.北京：人民交通出版社，2007.

[3]余彬泉，陈传灿.顶管施工技术［M］.北京：人民交通出版社，1998.

[4]马保松，非开挖工程学［M］，北京：人民出版社2008.

[5]葛全科，沈水龙.现代顶管施工技术及工程实例［M］.北京：中国建筑工业出版社，2009.

[6]岳永民，保沧干渠穿越京港澳高速公路顶管施工工艺[J].水利科学与工程技术,2013(6):80-83.

作者简介：

万宝宏（1981—），男，汉，甘肃庄浪，中铁六局集团石家庄铁路建设有限公司，本科，工程师