長距離頂管頂力控制分析

□文/譚儒年 趙 棟

1 工程概況

薊運河過河頂管工程穿越薊運河，頂管距離為437m，頂管管徑為2000mm，管道埋深為12.7m，為華北地區(qū)一次頂進距離最長的頂管工程。頂管后背為鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)，主頂裝置由4臺200t等推力油缸和油泵站組成。由于薊運河河底地質(zhì)情況復(fù)雜，伴隨著頂進距離的增加，頂管摩阻力將持續(xù)增長，一旦超過后背4臺主頂油缸所能提供的合力，則頂管不能繼續(xù)，因此有效控制頂力增長的趨勢成為了保證頂管施工順利進行的關(guān)鍵所在。

為了順利完成本次施工任務(wù)，進行了科學的頂力計算，設(shè)置了中繼間并采用觸變泥漿進行減阻，最終取得了良好的效果。

2 施工控制要點及實施方案

2.1 土壓平衡頂管頂力計算

頂管穿越土層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土，土層物理力學指標：天然重度為18.1kN/m3，內(nèi)摩擦角為4.3°，粘聚力為14.0kPa。

參考GB50268—2008《給水排水工程施工及驗收規(guī)范》，頂力計算采用經(jīng)驗公式Fp=πD0Lfk+NF

式中：fk——采用注漿工藝時，管道外壁與土的單位面積平均摩阻力，介于3～5kN/m2，本次取值為5kN/m2；

D0——管道的外徑，取2.4m；

L——管道的總體頂進長度，取437m；

Dg——頂管機外徑，取2400mm；

P——控制土壓力，取0.1N/mm2。

則土壓平衡頂管總頂力

根據(jù)頂力計算，在采用常規(guī)注漿工藝時，頂管總頂力超過了4臺主頂油缸的合力，若要保證頂管繼續(xù)頂進，必須增設(shè)中繼間。

2.2 中繼間的設(shè)置

后背方向主頂設(shè)備采用4臺200t等推力油缸，可以提供8000kN的頂管推力，根據(jù)頂管頂力計算公式，則頂管段計算長度。由于總體頂進長度為437m，為了保證頂管順利完成，至少需要增加2座中繼間。

本次頂管施工采用的中繼間內(nèi)部均勻設(shè)置16個50t的單程油缸，則每座中繼間的總推力仍為8000 kN。按照中繼間安放規(guī)律，當總推力達到中繼間總推力的40%～60%時，就應(yīng)安放第一座中繼間，以后，每當達到中繼間總推力的70%～80%時，安放一座中繼間。而當主頂油缸達到中繼間總推力的90%時，就必須啟用中繼間。

2.3 觸變泥漿減阻

1）觸變泥漿配合比設(shè)計。所謂觸變泥漿就是膨潤土的水溶液，在膨潤土漿液中，用純堿作為分散劑，用纖維素（CMC）作為增粘劑，在不同的土質(zhì)中，應(yīng)采用不同的配方，才能滿足不同的需要。

由于薊運河河底土質(zhì)較軟，滲透系數(shù)較大，為保證在頂管周圍形成完整的厚度均勻的泥漿套并防止觸變泥漿大量流失，經(jīng)研究決定在維持純堿、CMC和水的比例相對不變的情況下，提高膨潤土含量，增加觸變泥漿的粘稠度，見表1。

表1 觸變泥漿配合比 kg

為提高泥漿的和易性及膠體率，在漿液配置過程中，將以上各種成分一起攪拌至少30min以上，讓其充分吸水、膨潤，靜置1～2h待其充分膨潤成漿狀即可使用。

2）改進加壓系統(tǒng)、優(yōu)化注漿管路。短距離頂管，一般只在注漿泵上設(shè)隔膜壓力表，顯示漿液的壓力。對于本次長距離頂管，由于漿液在泥漿管路行進過程中延程損失較大，在管道最前方注漿孔處壓力與注漿泵出口壓力存在一定的差值。為防止注漿壓力過大，將河底穿透，在管道端部注漿孔處增設(shè)隔膜壓力表，以管道端部壓力表讀數(shù)表征注漿壓力，將注漿孔漿液壓力控制在0.1～0.12MPa，使注漿壓力的上限不超過管道上方覆土的承壓能力，保證河底安全。

為防止?jié){液回流，在每一個注漿孔中安裝一個單向閥，既保證觸變泥漿從管道外圍形成完整漿套，又降低了漿液的損耗。

為確保施工過程管段全程形成泥漿護套，靠近頂管機的三節(jié)管全部采用帶注漿口的管材，后面管材采用普通管材與帶注漿孔管材間隔設(shè)置的形式，每個中繼間設(shè)置獨立的注漿管路。為確保注漿效果，選用脈動很小的螺桿泵，使?jié){液從空隙中被擠壓出來，漿套容易形成且容易保持。

頂進時應(yīng)貫徹同步壓漿與補壓漿相結(jié)合的原則，工具管尾部的壓漿孔要及時有效地進行跟蹤注漿，確保能形成完整有效的泥漿套。管道內(nèi)的壓漿孔進行一定量的補壓漿，補壓漿的次數(shù)及壓漿量根據(jù)施工情況而定，尤其是對地表沉降要求高的地方，應(yīng)定時進行重點補壓漿。

3 效果

頂管阻力主要由迎面阻力和管壁外周摩阻力組成，迎面阻力與頂管掘進機的直徑和設(shè)定的土倉壓力有關(guān)，而管壁外周摩阻力則隨著頂管長度的增加而逐漸增大，當土質(zhì)均勻，管壁外周摩阻力與頂管長度之間應(yīng)該呈線性增長之勢。

由于調(diào)整了觸變泥漿配合比，優(yōu)化了注漿管路，增加了止回閥，減少了泥漿的跑冒滴漏現(xiàn)象，泥漿減阻效果良好，后背頂力增長緩慢。數(shù)據(jù)顯示頂管至52m時，油泵站壓力表讀數(shù)為4MPa，相應(yīng)頂管頂力為1000kN；而按照頂力計算公式，頂力應(yīng)為2411.52kN。比較而言，實際頂力為計算頂力的41.5%，由此可見，觸變泥漿減阻效果良好。

隨著后背頂力的逐漸增大，按照中繼間設(shè)置規(guī)律，在距頂管機52、140、220m位置先后設(shè)置3座中繼間，分別設(shè)置了注漿管路并加強了注漿控制，油泵站壓力表讀數(shù)由4MPa逐漸增大，到393m處（薊運河南大堤）增大到26MPa，而后壓力表讀數(shù)維持在24MPa，直至頂管完成。

通過頂管頂力計算公式可以反算出，經(jīng)過改進注漿工藝并優(yōu)化注漿管路后，管道外壁與土的平均摩阻力為1.84kN/m2，遠遠小于頂力計算時5kN/m2的取值。

4 結(jié)語

通過進行科學的頂力計算、合理的布置中繼間并優(yōu)化了觸變泥漿減阻系統(tǒng)，使得頂管頂力增長趨勢緩慢，避免了啟動中繼間，從而縮短了頂管工期，降低了施工成本。

［1］余彬全，陳傳燦.頂管施工技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2003.