汾東商務區(qū)十號線3 m 雨水頂管施工技術

李志強

(太原市市政工程總公司第三工程公司，山西 太原 030002)

1 工程概況

太原市汾東商務區(qū)十號線3 m雨水頂管管段的實施范圍為:道路K0+040～K1+680，長約1.64 km。雨水管材采用鋼承口式鋼筋混凝土管，單井雙排頂進，雙管中心間距7.6 m。雨水頂管工作井、接收井設計情況見表1。

表1 雨水頂管工作井及接收井布置表

2 工作井、接收井施工工藝

2.1 沉井施工工序

施工準備→測量放樣→開挖淺基坑→鋪砂墊層→綁扎刃腳鋼筋→刃腳內外模板→支刃腳外模板→澆筑刃腳混凝土→養(yǎng)護→拆除刃腳模板→挖土、下沉→綁扎(1，2，3，4模)鋼筋→支模板→澆筑井壁混凝土→養(yǎng)護→拆除→漿砌磚墻井壁→井周圍回填。

2.2 沉井下沉

沉井下沉方法根據(jù)地下水位情況采用排水下沉方法，井周圍施工前先管井降水，沿井周圍適當布置降水井。當沉井沉至設計標高后，將井內泥面粗平，平鋪片石，再澆筑C15封底素混凝土墊層。綁扎底板鋼筋并澆筑C35底板混凝土。為防止沉井周圍地面沉降、塌陷，在沉井周圍10 m范圍內進行注漿。

3 頂管施工工藝

3.1 施工流程

主千斤頂頂進時，以工具管開路，推著管段穿過工作井的穿墻洞把管道壓入土中。與此同時，工具管頭部的刀盤旋轉切削前方土體，使泥土進入工具管內的泥水平衡艙中。當千斤頂達到最大行程后，全部縮回，放入頂鐵，千斤頂繼續(xù)頂進。當工具管和第一節(jié)管段幾乎全部頂入土中后，吊去全部頂鐵，再將第二節(jié)管段吊入，裝上橡膠止水、鋼套環(huán)等，頂接在第一節(jié)管段的后面，繼續(xù)頂進，同時用泥漿泵出泥。

泥水平衡式掘進機外徑比混凝土管外徑大10 mm，分為前后兩節(jié)，中間用校正油缸聯(lián)接，可以進行方向校正。掘進機的前端有一只刀盤。刀盤上的刀是用來切削土體和一些強度較低的障礙物，如腐爛的木樁及三合土等。刀盤的另一個作用是用來平衡土壓力。刀盤上外圈周圍分布著鎢金刀頭，無論刀盤是正轉還是逆轉都能切削前面的土體。由于切削的渣土是用泥水帶走的，泥水的比重必須保持在1.03～1.30之間，而且必須有一定的壓力。這個泥水壓力應該比掘進機所處地層的地下水壓力高出20 kPa，不會使地下水流失。

采用泥水平衡頂管必須要解決泥水的二次處理問題。通常采用自然沉淀方式來進行泥水處理。具體做法是制造三只泥水處理箱，它們的總體積在20 m3左右。而且高度應該一只比一只高。最低的一只安裝進水泵，進出的渣土泥水先送到最高一只箱子里，讓其自然沉淀，經(jīng)過沉淀后的多余的泥通過溢流進入第二只箱子中，渣土經(jīng)過第二只箱子沉淀以后泥水再向第三只箱子溢流，最后，經(jīng)過自然沉淀的泥水只要其比重不大于1.3，則可繼續(xù)利用。如果其比重大于1.3，則需加水稀釋。

3.2 頂力控制

1)工作井內主頂油缸布置。在工作井內左右對稱均衡布置6臺主頂油缸，主頂油缸采用等推力雙沖程200 t油缸，每臺油缸的最大推力200 t，最大行程為3 000 mm，可以用溢流閥來調定油壓力，使頂管工作井內的主頂油缸總推力不超過1 200 t。

2)推力計算。以本工程Y－69～Y－77DN3 000最大頂距的頂力計算為例，總長為347 m。

其中，F(xiàn)，F(xiàn)1，F(xiàn)2，F(xiàn)3分別為總推力、正面阻力、機頭摩阻力、頂進阻力。

其中，P1為正面土壓力;d為管外徑，取3.6 m;L1為機頭長度，取4 m;P主=γ0×H1×tg2(45°－ψ/2)=7.08 t/m2;P被=γ0×H1×tg2(45°+ψ/2)=12.39 t/m2，γ0為浮容重，取0.8 t/m3，H1為地面至掘進機中心的厚度，取13.51 m，ψ為等代摩擦角，此處取8°;P1=2/3(P被－ P主)+P主=10.6 t;F1=3.14 ×3.62×13.51/4=137.4 t。

其中，F(xiàn)2為未采取注漿工藝的機頭外壁與土層間的摩擦力;Pv為管頂以上土壓力，Pv=γ × H2=1.8 ×11.71=21.078 t/m2，γ為土的容重，取1.8 t/m3，H2為管頂?shù)母餐梁穸龋瑸?11.71 m;Ph為管壁上土的側向水平壓力，Ph=Pv×tg2(45°－ψ/2)=15.92 t/m2，ψ為等代摩擦角，此處取8°;D為管節(jié)外徑，取3.6 m;L為機頭長度4 m;W為機頭自重，取30 t;F為管壁與土層的摩擦系數(shù)，根據(jù)土的類別和不同含水量取用，此處取0.6;K為系數(shù)，當管道位于潮濕或復雜的土層時，取K=2。F2=F×[K×(Pv+Ph)×D×L+W]=0.6 ×[2 ×(21.078+15.92) ×3.6 ×4+30]=657 t。

其中，f′為管節(jié)浮在漿套中的摩阻力，取0.4 t/m2;L為頂距，取347 m;F3=3.14 ×3.6 ×0.4 ×347=1 569 t，即每頂進1 m 頂力上升 4.5 t。

因此，總推力 F=137.4+657+1 569=2 363.4 t。

主頂油缸選用6臺200 t(2 000 kN)級油缸。系統(tǒng)總推力為1 200 t。而頂管工作井允許最大頂力為1 000 t，故當頂力超過1 000 t時，應啟用中繼環(huán)頂進。

3)后座反力的計算。后座墻采用計算尺寸為:高×寬×厚=5 m×5 m×0.5 m的鋼筋混凝土背墻，后座的反力按以下公式計算:

其中，R為總推力反力;B為后座墻寬度;a為系數(shù)，取1.5～2.5;r為土的容重，kN/m3;H為后座墻的寬度;KP為被動土壓系數(shù)，按以下公式計算:KP=tg2(45°+φ/2)，其中，φ為內摩擦角，此處為18°，KP=tg2(45°+φ/2)=tg2(45°+18/2)=1.9;c為土的內聚力，kPa;h為地面到后座墻頂部土體的高度，此處取9+1－5=5 m，后座的反力

經(jīng)計算總頂力小于后座反力，但從安全角度考慮頂進法施工只能采取允許頂力的80%左右，這樣管道的允許頂力為80%×11 703.83=9 363 kN，滿足要求。

3.3 各區(qū)間中繼環(huán)設置表

各區(qū)間中繼環(huán)設置參數(shù)見表2。

表2 各區(qū)間中繼環(huán)設置表

3.4 頂進管道接口處理

在處理管子接口時，首先是橡膠止水圈應安裝妥貼，要安裝在正確的位置上。橡膠圈套上以后，要用一根φ6 mm～φ8 mm的短鋼筋插入到橡膠圈與槽口之間，把橡膠圈挑起，然后讓φ6 mm～φ8 mm的短鋼筋沿槽口順管子轉1圈～2圈。

3.5 泥水平衡控制

對于土壓平衡來說，先計算出各頂管段的開挖中心處的主動土壓力和被動土壓力，然后將掘進機的土壓力設定在此主動土壓力和被動土壓力之間，如果設定值偏高，可使推進速度提高，反之則可減慢，通過調節(jié)推進速度，使土壓力保持平衡，當推進速度過快，迎面土壓力超過極限，面板式大刀盤即后縮，直到限位開關斷電，掘進機停電，這是一個土壓力自動平衡系統(tǒng)。對于泥水平衡來說，我們可以根據(jù)掘進機開挖中心處的地下水壓力值，將泥水系統(tǒng)(開挖面處)的壓力控制在大于地下水壓力20 kPa，從而排除地下水對挖掘面的影響。