沙土層頂管施工操作工藝及關鍵控制技術

摘要:結合多年的實踐工作經驗，筆者首先分析了當前手掘式工具管砂土層頂管法施工存在的技術問題，隨后探討了開敞式手掘式工具管砂土層頂管法施工操作工藝及關鍵控制技術。

關鍵詞:砂土層 開敞式頂管法 關鍵技術

0 引言

手掘式工具管由于其正面敞胸，人工開挖，操作方便的優點，從頂管初期一直使用到現在，但是，采用手掘式工具管頂管法施工對地質條件有一定的要求，它特別適用于在壤土，砂壤土、粘土和泥灰等粘性土層，而對流砂、淤泥、沼澤地來說，頂管法施工受到一定的限制，特別是在砂土層中。結合多年的實踐經驗，筆者就沙土層頂管施工操作工藝及關鍵控制技術，談談自己的一些心得體會。

1 當前手掘式工具管砂土層頂管法施工存在的技術問題

1.1 后靠土體穩定性差 由于砂土層中砂體自穩性能很差，一方面工作井的形成較難，再加之頂管所需要的總推力要通過后背墻傳遞給后靠土體，而后靠土體屬于無粘性的松散砂土，往往會引起后靠土體的滑動和坍塌產生大幅度位移，使后靠土體缺乏穩定性，導致頂管工作井無法形成。

1.2 進出洞土體不能滿足工具管進出洞要求 砂土層頂管進出洞時，由于砂土層中土體屬粒狀結構，顆粒之間無粘性，呈松散性，流動態，導致工具管一方面很難進入土體，另一方面往往會造成大量的砂土體漏入工作井，導致洞口周圍地表大面積沉陷，造成頂管工具管無法正常進出工作井和接收井。

1.3 挖掘面坍塌 頂管過程中，由于工具管前挖掘面的土體坍塌、流砂，很難形成工具管頭部正常需要的挖土空間，一方面造成頂力加大，另一方面造成頭部的流砂堆積，并且由于土體缺乏頂管所必需的導向力，導致頂管過程中的關鍵環節糾偏工作難以進行，并且出土量大，引起地面沉陷，造成頂管無法正常進行工作，缺乏安全性、可靠性。

2 開敞式手掘式工具管砂土層頂管法施工操作工藝及關鍵控制技術

2.1 頂管施工操作技術

2.1.1 千斤頂必須同步頂進 千斤頂不同步或千斤頂相差較大或安裝精度不夠，造成頂力合力偏差，尤其在軟弱砂土中頂進，極易造成管道軸線偏差，為此我們試驗過程中選用同樣規格的兩臺320T千斤頂，其頂力、行程、頂速相一致，這樣可以確保頂力合力與管道中心線相重合，保證管道軸線不會由于頂力相差面出現偏差。

2.1.2 主油缸合力中心必須與頂進方向一致 兩臺主油缸左右對稱分布，但其合力中心直接影響頂進管道頂進的方向，由于在管道進洞時，工具管入土較淺，土的支撐面較小，支撐面的應力就較大，工具管頭部易下沉，入土深度增加后支撐面應力很快減小，工具管不再下沉，為了防止在進洞初期工具管下沉，頂力的合力中心也應偏下，一般頂力合力中心低于管中心R/5~R/4。

2.1.3 采用先頂后挖的掘進方式 在砂土層頂管施工操作中，掘進方式上和普通粘土地區頂管正好相反，普通砂土地區掘進方式是先挖后頂，而在砂性土中，必須采用“先頂后挖”的掘進方式，由于工具管前段的管帽較長，可直接切入砂土中，這樣，再進行挖土工作，由于有了管帽的保護，一方面工作人員能在安全保護下進行，另一方面，由于管帽的阻擋，又防止大量流砂坍塌，或出砂量過大，及引起地面沉降等的問題。

2.1.4 設置活動隔板 在頂管過程中，為了防止正面阻力過大，可將水平隔板設計為活動隔板，頂進時取掉隔板，頂進后再插入隔板，這樣既可防止頂管阻力太大，又可保證挖土工作時防止砂土坍塌。

2.1.5 充分利用砂土的假粘聚現象 由于本試驗地段屬一般性風積砂地區，風積砂盡管其C值很小，但頂管處的砂土，由于具有一定含水量而存在著假粘聚現象，因此每次頂進后盡快將其格柵上的砂土清理，挖掘面的砂土由于存在假粘聚力，并不會立即發生坍塌和流砂現象，從而使挖掘面保持短暫的穩定.

2.1.6 頂進速度控制 頂進開始時，應緩慢進行，待各接觸部位密合，再按正常頂進速度頂進，頂進中發現油路壓力突然增高，應停止頂進，檢查原因并經過處理后方可繼續.回鎬時，油路壓力不得過大，速度不得過快。另外，挖出的土應及時外運，及時頂進，盡可能使頂力限制在較小的范圍。

2.2 砂土層頂管頂進方向偏離的原因及其特點

2.2.1 頂進方向偏離的原因 頂管過程中，由于各種原因使管道偏離軸線是經常發生的，分析頂管施工偏差的原因主要是由于作用于工具管的外力不平衡造成的，外力不平衡的主要原因有:

①推進管線不可能絕對在一直線上。

②地層正面阻力不均勻，使工具管受力不均勻，形成導向差，造成管道偏離軸線。

③頂管后背發生位移或不平整，使頂力合力偏移，造成管道差。

④管道截面不可能絕對垂直于管道軸線。

⑤管節之間墊板的壓縮性不完全一致。

⑥推進管道在發生撓曲時，沿管道縱向的一些地方會產生約束管道撓曲的附加抗力。

以上幾條原因造成的直接結果就是頂管頂力產生偏心，管道軸線與設計軸線偏差過大，使管道發生彎曲，甚至造成管節損壞，接口滲漏。

2.2.2 偏差特點

①砂土層頂管易出現偏差 在砂土層中頂管易出現偏差，砂土層中頂管一般比較容易出現工具頭仰頭和叩頭現象，主要是因為一方面由于砂土屬于軟弱土，砂土地基反力小，如果工具管設計重量過大，便很容易出現叩頭現象，另一方面如果沒有很好的解決挖掘面的坍塌問題，便會出現工具管頭部由于流砂堆積而出現仰頭現象。

②出現偏差后糾偏難度大 工程經驗和現場試驗均表明，砂土層頂管一旦出現偏差后糾偏難度很大。

2.3 頂進方向控制技術及其糾偏措施

2.3.1 頂進方向控制技術 頂管的過程實際上也是一個不斷糾偏的過程，糾偏是指工具管或管道偏移設計軸中心，利用工具管的糾偏機構或其它措施，改變管端方向，減少偏差，目的是使管道沿設計軸線頂進。頂管偏差出現是常見的，但采取一定的預防措施可減少偏差出現的機會和偏差量，預防措施主要有以下方面:

①加強頂管后靠背的施工質量，確保后背不發生位移，應使后背平整，以保證頂進設備的安裝精度。

②導軌是頂進中的導向設備，安裝導軌時要反復檢測，使中線、高程、坡度必須符合要求，頂進中應勤檢查，防止偏差過大。

③頂管施工前應對管道通過地帶的地表情況認真調查，測力裝置，指導糾偏，糾偏應按照勤測量、勤糾偏、小量的操作方法進行。

④頂進過程中應隨時繪制頂進曲線，以利指導糾偏工作。

⑤工具管管帽切入砂土的長度應按經驗公式L=D×CtgФ計算，不可太長，防止砂土坍塌，導致工具管低頭下沉。

⑥管道產生大量坍塌后，土在挖掘面上形成一個斜坡，同上部的土坍空了，土壓力減少了，切不可盲目猛頂，防止工具管迅速爬高.

⑦及時了解管道各接頭上實際頂推合力與管道軸線的偏心度。隨時監測頂進中管節接縫上的不均勻壓縮情況，從而推算接頭端面上應力分布情況及推合力的偏心度，并以此調整糾偏幅度，防止因偏心度過大而使管節接頭壓損或管節中部出項環向裂縫。

2.3.2 糾偏措施 頂管產生偏差后的校正應逐步進行，形成大的偏差后，不可立即將己頂好的管子校正到位，應緩慢進行，使管子逐漸復位，絕對不能猛糾硬調，以防產生相反的效果，一般常用的方法有以下幾種:

①超挖糾偏法 偏差為1~2cm時，可采用此法，由于砂土含有一定水分，頂進后，短時間內存在一定的假性粘聚力，這時可采用在管偏向的反側適當超挖，而在偏向側不超挖甚至留坎，形成阻力，使管節在頂進中向阻力小的超挖側偏向，逐漸回到設計位置。

②工具管糾偏法當管道在頂進進程中出現偏差時，可利用兩段式工具管內的糾偏千斤頂使偏斜一側的千斤頂出缸口即可對管道偏差進行校正，校正后在每次頂進前進行，此時管內砂土最少時最易糾偏。

③強制糾偏法當偏差較大時，在超挖糾偏和工具管糾偏千斤頂不起作用的情況下，可用此法，用圓木或方木的一端頂在管子偏向的另一側內壁上，另一端斜撐在墊有鋼板或木板的管前土壤上，支頂牢固，即可頂進，在頂進中配合超挖糾偏法和工具管糾偏千斤糾偏法，邊頂邊支，利用頂進時斜支撐分力產生的阻力，使頂管向阻力小的一側校正，我們在砂土層中試驗時，主要由于砂土地基反力不夠，由于糾偏需要一定的地基反力，為了避免強制糾偏失靈，事先在管前對部分的砂土進行碎石置換，對地基進行了加固處理，這樣原木一端支在加固后的地基上，糾偏效果明顯。

3 結束語

在砂土層中通過開敞式手掘工具管頂管法施工技術的實踐研究，表明了施工中采用的砂土后靠土體和工作井及接收井進出洞口土體換填素土的加固方法，可以有效的解決工作井后靠土體不穩定以及工具管進出洞土體坍塌、滑動的問題，并具有一定的經濟性、實用性和易操作性。

參考文獻:

[1]俞彬泉，陳傳燦.頂管施工技術[M].人民交通出版社.2006.

[2]李衛群.淺議頂管法在污水管道工程中的應用[J].第四屆全國給水排水青年學術年會.2006年11月.