大型土壓平衡矩形頂管施工技術研究

賀志剛

摘 要：隨著城市建設的不斷發展，箱涵頂管施工已成為下穿道路一種重要的施工方法。其憑借高效、對地面干擾少、智能化的優勢，得到了廣泛的推廣和應用。文章以實際工程為例，對箱涵頂進的施工技術進行分析討論，頂進的施工速度加快，觸變泥漿減阻頂進技術、土壓平衡技術等是頂進法工藝的發展趨勢，頂進的質量標準有了較大的提高，可供參考。

關鍵詞：觸變泥漿 頂管設計 施工軸線控制

1.工程概況

南昌市梅湖水系截污工程截污箱涵下穿南蓮路位于昌南大道高架橋下南側交叉路口，南蓮路為城市交通主干道，道路總寬度40m。采取頂管法施工，斷面設計為矩形，凈空尺寸為6m×3.75m，頂進區間線路全長67.5m。道路現狀為混凝土路面，面層有破損。頂管位于雜填土層和粉質粘土層，上部覆蓋雜填土。頂管下部分別為細砂、粗砂、礫砂和強風化泥質粉砂巖。

2.施工程序

矩形頂管施工順序為：施工準備→工作井施工→地面輔助設施施工→頂管機運輸→頂管機下井組裝→始發與初始掘進→正常掘進→頂管機到達接收井→頂管機解體運出→結束。

3.頂管設計

3.1頂管結構設計

（1）底部埋深7.1m，上部埋深2.4m。

（2）頂管采用C50預制鋼筋混凝土管，結構外尺寸為6900×4650，底板和頂板厚500mm，側墻壁厚450mm，抗滲等級為0.8MPa。

（3）頂管采用縱向穿預應力鋼絞線的方式加強縱向剛度，預應力孔道在管節預制時埋設。

3.2后配套設計

頂管后配套包括：基坑導軌、后靠背、組合頂鐵（環型+U型）、主頂油缸架、主頂油缸及注漿系統等。導軌分由管節移動導軌和頂鐵移動導軌兩部分組成。組合頂鐵由一塊環形頂鐵和一塊U形頂鐵組成，采用40mm厚鋼板焊接而成。頂進采用鉆孔灌注樁后背，同時兼作基坑圍護樁。為使灌注樁與后靠板貼合緊密，在兩者之間澆筑400mm厚C30混凝土。

3.3止退裝置與防后退技術

由于土壓平衡矩形頂管在頂進中前端阻力很大，在每次管節拼裝或加墊塊時，油缸回縮造成機頭和管節一起后退，使前方土體得不到支撐，引起機頭前方的土體坍塌。因此，在前基座上安裝一套止退裝置，將管節和機頭穩住，從而使地面沉降量明顯減少。

4.頂管施工方案及技術措施

4.1端頭加固

工作井結構底板及部分側墻施工完成，滿足頂管施工后，按照設計圖紙要求進行頂管端頭區加固施工，以滿足頂管始發端頭止水、加固需求。

4.2正面土壓力設定

根據Rankine土壓力理論進行計算，如式①所示：

4.4箱涵頂進

初始階段不宜過快，頂進速度控制在5～10mm/min左右，正常施工階段控制在10～20mm/min左右，頂進速度應盡量控制平穩，尤其要避免頂速突然加大的現象。在頂進過程中，根據地質情況和施工效果進行刀盤轉速和扭矩的控制和調整。正常頂進情況下刀盤應調至高轉速、中低扭矩的狀態工作，以獲得較好的泥水分離效果。

土壓平衡矩形頂管在始發基座上向前推進時，通過控制推進油缸行程和加配重等方式使土壓平衡矩形頂管基本沿始發基座向前推進。

4.5出土量控制

頂管工程中，螺旋輸送的出泥量要與頂進的取泥量相一致，出泥量>頂進取泥量，地面會沉降，出泥量<頂進取泥量，地面會隆起，這都會造成管道周圍的土體擾動。嚴格控制出土量，防止超挖或欠挖，正常情況下出土量控制在理論出土量的98%～102%。而要做到出泥量與取泥量一致的關鍵是嚴格控制土體切削掌握的尺度，防止超量出泥。

4.6觸變泥漿制作、注漿

（1）頂管管節設置10個注漿孔，合理使用觸變泥漿填充管道的外周空隙，保持土體穩定，起到減少坍方起到減阻和護壁的作用。

（2）觸變泥漿漿液配制。觸變泥漿要求的漿液不失水、不沉淀、不固結，既要有良好的流動性，又要有一定的稠度。所用潤滑漿液主要成分為膨潤土、純堿以及CMC（化學漿糊）。觸變泥漿配比=膨潤土：水：純堿：CMC=25：100：1：1。觸變泥漿性能指標：比重為1.1～1.16g/cm3；粘度≥30S；PH值=7。

（3）觸變泥漿注入原則與注入壓力。頂進時壓漿要及時，確保形成完整、有效的泥漿套，必須遵循“先壓后頂、隨頂隨壓、及時補漿”的原則。泥水壓力主要由頂管上路面監測情況和挖掘面地下水壓力決定，若監測過程中路面抬高或下沉超過允許值或路面周圍出現異常，立即調整泥水壓力。頂進施工中，觸變泥漿的實際用量一般取理論計算管道周圍間隙值的2～3倍。

4.7施工軸線控制

推進方向控制與調整采取以下兩方面的手段和方式：

（1）推進自動導向系統和人工測量輔助進行土壓平衡矩形頂管姿態監測。土壓平衡矩形頂管采用激光制導的方法進行推進導向，當頂進一段距離后，量測激光束打在土壓平衡矩形頂管上目標靶上的偏移量來測出施工中管道的高程及中心偏差。同時機內設置傾角傳感器，利用傳感器檢測土壓平衡矩形頂管的滾動況，并在顯示屏上進行角度顯示。

為保證頂進方向的準確性，每頂進10m左右進行一次人工測量復核，以驗證自動導向系統的測量數據。

（2）操作土壓平衡矩形頂管鉸接油缸控制土壓平衡矩形頂管推進方向。根據現場情況所做的分段軸線擬合控制計劃、導向系統反映的土壓平衡矩形頂管姿態信息，結合頂管地層情況，通過操作頂管機的鉸接油缸來控制推進方向。同時可以在土壓平衡矩形頂管的壁上注泥漿，通過壓力差變化來調整方向。

（3）方向控制及糾偏注意事項。要隨時監控各管節接頭上實際頂力與管道軸線的偏心度和不均勻壓縮情況，并以此調整糾偏幅度，防上因偏心度過大而使管節接頭壓損或管節中部出現環向裂縫。糾偏控制由糾偏千斤頂進行，掘進機共有糾偏千斤頂4個，一般情況每次糾偏角度≤0.5°，以適當的曲率半徑逐步地返回到軸線上來，做到精心施工。在直線推進的情況下，選取頂管當前所在位置點與設計線上遠方的一點作一直線，以這條線為新的基準進行線形管理。

5.結束語

綜上所述，在同等截面積下，矩形頂管比圓形頂管可更有效地利用空間，減少地下掘進土方，具有明顯的優越性。施工中利用先進的土壓平衡矩形頂管機進行全斷面切割，通過操作控制器及各類傳感器等隨時監測施工狀況，確定頂進速度及出渣量等施工參數，保持土壓平衡，減少對周圍土體擾動。從而有效控制矩形箱涵頂進軸線、轉角偏差及地面沉降，使整個施工過程處于受控狀態，確保各項指標都處于安全可控范圍內。

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