土壓平衡頂管工程在南水北調(diào)配套工程穿越永年縣中華大街中的應(yīng)用

馬建國(guó)

（河北省水利工程局，河北 石家莊 050021）

1 概述

在邯鄲市南水北調(diào)配套二標(biāo)工程中，配套管線與中華大街正交，需采用頂管方式穿越，頂管段自西向東穿越中華大街。頂管采用土壓平衡頂管機(jī)頂進(jìn)施工，在中華大街西側(cè)設(shè)工作坑，東側(cè)設(shè)接受坑，坑內(nèi)壁采用錨噴支護(hù)，工作坑與接收坑在施工結(jié)束后填平。

2 頂力計(jì)算

F=F1+F2

式中F 為總推力，式中F1 為迎面阻力，F(xiàn)1=Pe*π*Bc2，其中Pe 為控制土壓力，Bc 為管外徑。Pe=PA+Pw+△p（PA為掘進(jìn)所處土層的主動(dòng)壓力kPa，PA 一般為150-300kPa；Pw 為掘進(jìn)所處土層的地下水壓力kPa, Pw=Y水H埋深；△P 為給土倉(cāng)的預(yù)加壓力（kPa)，△P 一般為20kPa。

其中F2 為頂進(jìn)阻力，F(xiàn)2=πBcfkL，fk 為管道外壁與土的單位面積平均摩擦力kN/m2其數(shù)值一般通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定，如果采用出邊泥漿減阻技術(shù)按下表選用，fk 為管外壁與土單位面積平均摩擦阻力kN/m2

?

F=Pe*π/4*Bc2+π*BcfkL

= (300+10*7.5+20) *3.14/4*(2.4)2+3.14*2.4*5*66

=1786+2487

=4273KN

3 頂管施工

（1） 土壓平衡頂管原理

由于管道位于砂壤土層內(nèi)，采用土壓平衡頂管機(jī)施工，必須向泥土倉(cāng)內(nèi)注入以粘土為主的漿液，同時(shí)把它與切削下來(lái)的砂土一起攪拌。施工時(shí)控制頂進(jìn)速度，螺旋輸送機(jī)的實(shí)際排土量為頂管機(jī)推進(jìn)過(guò)程中理論排土量的95%－100%。頂管機(jī)土倉(cāng)內(nèi)的壓力與頂管機(jī)所處土層中土壓力始終處于一種平衡狀態(tài)。

（2） 后座安裝

后座安裝時(shí)必須與反力墻緊貼，與頂管軸線垂直。如不垂直應(yīng)加后座調(diào)整墊，使調(diào)整墊與油缸的接觸面垂直于頂管軸線。

（3） 主油缸安裝

安裝主油缸時(shí)應(yīng)按操作規(guī)程施工，主油缸沿路必須并聯(lián)，使每臺(tái)千斤頂有相同的條件，每臺(tái)千斤頂應(yīng)有單獨(dú)的進(jìn)油退鎬控制系，以后視頂力和土質(zhì)、摩阻力情況增加臺(tái)數(shù)。所有千斤頂規(guī)格應(yīng)一致，同步行程應(yīng)統(tǒng)一，且每臺(tái)千斤頂使用壓力不應(yīng)大于額定工作壓力的70%。為了減少后座傾覆、偏斜，千斤頂受力的全力位置應(yīng)位于后座中間，千斤頂雙層布置時(shí)，其合力位置在管道中心以下0-20cm 處，每層千斤頂高度應(yīng)與環(huán)形鐵受力位置相適應(yīng)。

（4） 頂進(jìn)

管道在頂進(jìn)過(guò)程中，經(jīng)常對(duì)頂進(jìn)軸線和管底高程進(jìn)行測(cè)量，檢查頂進(jìn)軸線是否和設(shè)計(jì)軸線相吻合。要求每頂進(jìn)1 節(jié)混凝土管節(jié)測(cè)量1 次，在進(jìn)洞、出洞、糾偏，適當(dāng)增加測(cè)量次數(shù)。工作坑內(nèi)應(yīng)設(shè)置臨時(shí)水準(zhǔn)點(diǎn)，并應(yīng)在交接班時(shí)進(jìn)行校核，以保證測(cè)量的精度。

觸變泥漿壓送與頂進(jìn)同時(shí)進(jìn)行，由于頂管距離較長(zhǎng)，工期亦相對(duì)較長(zhǎng)，部分泥漿可能失水，應(yīng)采取補(bǔ)漿措施，保持泥漿減阻的良好效果，同時(shí)要控制壓漿量和壓力。拆除注漿管路后，應(yīng)將管道上的注漿孔封閉嚴(yán)密，對(duì)注漿設(shè)備清洗干凈。

（5） 觸變泥漿壓注

頂進(jìn)時(shí)形成的建筑空隙及時(shí)用潤(rùn)滑泥漿所填補(bǔ)，形成泥漿套，減少摩阻力和地面沉降，嚴(yán)格執(zhí)行頂管注漿操作規(guī)程，由專人操作，質(zhì)量員檢查嚴(yán)格把好質(zhì)量關(guān)。壓漿時(shí)必須堅(jiān)持先壓后頂、隨壓隨頂、及時(shí)補(bǔ)漿的原則，補(bǔ)漿應(yīng)按順序依次進(jìn)行，每班不少于2 次循環(huán)，定量壓注。

頂進(jìn)過(guò)程中由于部分漿液流失到土層中去，因此必須利用混凝土管節(jié)上的壓漿孔進(jìn)行補(bǔ)漿。一般在一節(jié)管頂進(jìn)結(jié)束后就補(bǔ)壓漿，而且還要視每段頂進(jìn)的阻力情況隨機(jī)分段壓漿。壓漿量原則上控制在同步跟蹤壓漿量為管節(jié)外理論空隙體積的5 倍左右，補(bǔ)漿量為管節(jié)外理論空隙體積的3 倍左右。注漿壓力值不宜過(guò)高也不宜過(guò)小，壓力值控制在0.28~0.3Mpa。

（6） 頂管接頭

本工程所用的頂管為鋼筋混凝土Ⅲ級(jí)管，頂管接頭采用鋼筋混凝土管鋼承口管橡膠圈接口。

（7） 基坑開(kāi)挖及回填

土方開(kāi)挖前應(yīng)檢查定位放線，合理安排土方運(yùn)輸車的行走路線和棄土場(chǎng)。施工過(guò)程中應(yīng)檢查平面位置、水平標(biāo)高、邊坡坡度、壓實(shí)度，并隨時(shí)觀察周圍的環(huán)境變化。本工程采用卷?yè)P(yáng)機(jī)吊斗運(yùn)輸出土方式，挖出土方要隨挖隨運(yùn)，每班出土應(yīng)當(dāng)運(yùn)出，不應(yīng)堆在坑邊，應(yīng)盡量減少坑邊的地面堆載。要按設(shè)計(jì)確定的開(kāi)挖深度開(kāi)挖，挖土機(jī)械、運(yùn)輸車位于基坑邊時(shí)，宜采用搭設(shè)平臺(tái)，鋪設(shè)走道板等措施支撐承重設(shè)備，以減少邊荷對(duì)擋土結(jié)構(gòu)的側(cè)壓力。

土方回填前應(yīng)拆除基坑四周支護(hù)結(jié)構(gòu)，并清除基地的垃圾等雜物，抽除坑內(nèi)積水、淤泥，驗(yàn)收基底標(biāo)高。對(duì)填方土料按設(shè)計(jì)要求驗(yàn)收后方可填入，填方過(guò)程中應(yīng)檢查排水措施，每層填筑厚度、含水量控制、壓實(shí)程度。填筑厚度及壓實(shí)遍數(shù)應(yīng)根據(jù)土質(zhì)、壓實(shí)系數(shù)及所用機(jī)具確定。

（8） 施工機(jī)械與設(shè)備見(jiàn)表2

4 施工監(jiān)控及信息化管理

施工監(jiān)控包括對(duì)頂進(jìn)管涵的測(cè)量監(jiān)控，頂進(jìn)過(guò)程中對(duì)路面的監(jiān)控，以及為保證公路穩(wěn)定而必須進(jìn)行的撐子面、管涵自身結(jié)構(gòu)情況、基坑等的監(jiān)控。對(duì)施工監(jiān)控的成果進(jìn)行信息化管理，出現(xiàn)異常情況時(shí)管理系統(tǒng)能及時(shí)準(zhǔn)確的做出反應(yīng)，快速根據(jù)情況采取強(qiáng)有力的措施。

表2 施工機(jī)械與設(shè)備

（1） 測(cè)量監(jiān)控

在管涵頂進(jìn)時(shí)必須進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)量監(jiān)控，以確保管涵施工的精度。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)調(diào)整千斤頂?shù)捻斄φ{(diào)整管涵的偏位。

（2） 路面監(jiān)控

公路路面主要監(jiān)測(cè)沉降、水平位移和裂縫。在頂管施工前在路面項(xiàng)管范圍及周邊頂管范圍布測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并對(duì)每一測(cè)點(diǎn)高程和水平位置詳細(xì)記錄，同時(shí)觀察記錄路面的裂縫情況，在頂進(jìn)過(guò)程中對(duì)這些測(cè)點(diǎn)的高程、水平位移和路面的裂縫情況作定時(shí)監(jiān)測(cè)和頂進(jìn)時(shí)的監(jiān)測(cè)，沉降觀測(cè)時(shí)間從頂管開(kāi)始一直到頂管完工后3 個(gè)月。頂管造成的地面沉降量未超過(guò)20mm。

（3） 壓力監(jiān)控

頂管機(jī)土倉(cāng)內(nèi)的壓力控制在頂管機(jī)所處土層的主動(dòng)土壓力與被動(dòng)土壓力之間，使頂管機(jī)土倉(cāng)內(nèi)的壓力與頂管機(jī)所處土層中土壓力始終處于一種平衡狀態(tài)。

（4） 基坑監(jiān)控

隨時(shí)對(duì)基坑邊坡進(jìn)行監(jiān)控。

5 重點(diǎn)工序預(yù)防控制措施

（1） 糾偏預(yù)防措施

發(fā)現(xiàn)左右偏位后，應(yīng)通過(guò)調(diào)整左右側(cè)千斤頂?shù)捻斄?lái)調(diào)整管節(jié)前進(jìn)方向，另外必須每頂一鎬測(cè)量一次，發(fā)現(xiàn)偏位立刻糾偏，以避免出現(xiàn)大偏位。

（2） 撐子面滑塌預(yù)防措施

頂進(jìn)施工時(shí)堅(jiān)持“吃土頂進(jìn)”的原則，有時(shí)由于地質(zhì)突然變化或機(jī)械操作人員失誤操作可能會(huì)出現(xiàn)撐子面坍塌，當(dāng)撐子面出現(xiàn)坍塌應(yīng)立即停止頂進(jìn)工作，在撐子面中插入鋼管，鋼管插入的密度根據(jù)坍塌的程度確定，坡腳用沙袋填壓，必要時(shí)掛鋼筋網(wǎng)噴射混凝土?xí)簳r(shí)封閉撐子面。

（3） 路面沉降處理措施

在正常情況下，路面不會(huì)發(fā)生影響車輛通行的沉降，但如果一旦發(fā)生意外情況，出現(xiàn)較大的沉降，影響了車輛的正常運(yùn)行，需采取以下措施，盡快恢復(fù)交通并確保通行車輛安全：

在頂進(jìn)施工前，須與交管部門聯(lián)系，在頂涵處路面發(fā)生意外時(shí)，立刻封閉出現(xiàn)問(wèn)題的車道。

為防止頂管頂進(jìn)過(guò)程中地面沉降的發(fā)生，在原配漿的基礎(chǔ)上，將水的摻量降低6%，來(lái)提高觸壁泥漿的稠度，起到控制觸壁泥漿的流失，可防止地面沉降的發(fā)生。

分析沉降原因，采取加大注漿壓力或其它相應(yīng)措施，確保施工不再出現(xiàn)較大沉降。

根據(jù)路面破壞情況采用壓漿或鋪鋼板等方法快速修補(bǔ)路面，盡快恢復(fù)交通。

頂管施工完畢后，為防止地面下降，進(jìn)行觸變泥漿置換，注漿材料擬采用純水泥漿。置換水泥漿的水灰比為1∶2.2，P＝0.2-0.5MPa，Q＝0.3m3.

（4） 空洞檢測(cè)及壓漿加固方案

對(duì)公路路界內(nèi)頂管進(jìn)行超聲波或地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)。

根據(jù)檢查結(jié)果，確定不密實(shí)或空隙部位。根據(jù)頂管管節(jié)預(yù)留注漿孔分布情況，合理布置注漿孔。

漿液選用1∶1 水泥漿，水泥采用P.O42.5 普通硅酸鹽水泥，注漿壓力應(yīng)不小于0.5MPa，在注漿過(guò)程中加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。當(dāng)發(fā)生路面隆起等異常情況時(shí)，可降低注漿壓力或采用間歇注漿，直到停止注漿。

6 施工排水措施

（1） 合理采取防水措施，確保工程質(zhì)量，保證工程的順利進(jìn)行。

（2） 工程開(kāi)工前，現(xiàn)場(chǎng)做好三通一平。

（3） 密切關(guān)注天氣預(yù)報(bào)，做好現(xiàn)場(chǎng)防雨排水準(zhǔn)備工作。

（4） 做好臨時(shí)排水總體規(guī)劃，防止場(chǎng)外水流入現(xiàn)場(chǎng)和場(chǎng)內(nèi)水排不到場(chǎng)外。

（5） 現(xiàn)場(chǎng)排水按照防排結(jié)合的原則，現(xiàn)場(chǎng)地形坡度不小于3%。

（6） 本工程地下水位較深，一次開(kāi)挖時(shí)不考慮降低地下水位排水措施，基坑四周擋土，以防雨水流入基坑，浸泡基坑，影響施工及公路運(yùn)行安全。

（7） 基坑四周設(shè)置排水溝，排水溝坡度3%，溝寬30cm，深度40cm，底部用水泥砂漿找平，厚度3cm，兩側(cè)用標(biāo)準(zhǔn)磚砌筑。

7 期間交通安全措施

施工期應(yīng)與公路主管部門積極溝通，設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)識(shí)，并相互協(xié)調(diào)組織，確保施工安全。

（1） 標(biāo)識(shí)設(shè)置

穿越管線應(yīng)在地面上設(shè)置耐久性標(biāo)識(shí)，標(biāo)識(shí)應(yīng)設(shè)在管線中心線與公路用地最外延的交點(diǎn)。標(biāo)識(shí)的內(nèi)容包括：管線產(chǎn)權(quán)單位、管道輸送物質(zhì)名稱、管道壓力、管道埋深以及緊急聯(lián)系電話。

（2） 穿越施工作業(yè)區(qū)應(yīng)設(shè)置安全警戒區(qū)，防止無(wú)關(guān)人員進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)，避免發(fā)生安全事故。

（3） 穿越施工路障設(shè)置時(shí)一定要明顯，夜間要設(shè)置警示標(biāo)志，路障處設(shè)專人執(zhí)勤，必要時(shí)請(qǐng)交警部門配合。

8 其他注意事項(xiàng)

（1） 施工前務(wù)必要有沿線地勘資料，查明水位標(biāo)高，土質(zhì)情況，管涌現(xiàn)象，滲透系數(shù)等，確定可行的施工方案，確保施工安全。

（2） 混凝土頂管預(yù)制成型后，當(dāng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到100%后方可進(jìn)行頂進(jìn)作業(yè)。

（3） 管節(jié)預(yù)制、運(yùn)輸、存放時(shí)，應(yīng)注意輕放，堆放的底面應(yīng)平整，必要時(shí)鋪設(shè)5－10cm 的砂漿墊層，使受力均勻，以免管節(jié)開(kāi)裂。混凝土管吊運(yùn)時(shí)，管下嚴(yán)禁站人。

（4） 頂管機(jī)及管道內(nèi)照明用電應(yīng)使用安全電壓，動(dòng)力電纜轉(zhuǎn)換接插前，要先切斷電源，后拔出插頭。

（5） 管道內(nèi)的電力電纜、控制電纜應(yīng)懸掛固定，嚴(yán)禁隨地鋪設(shè)，外部照明要充足，安放高度不得低于3m。

（6） 施工區(qū)域有地下光纜時(shí)，需與有關(guān)單位聯(lián)系協(xié)商，確定光纜的埋深及走向，采取可靠安全措施，以避免施工過(guò)程中對(duì)光纜造成損壞。

9 結(jié)語(yǔ)

土壓平衡法頂管在南水北調(diào)配套管道穿越中華大街工程施工中，施工方案機(jī)械設(shè)備、頂力計(jì)算、材料及觸變泥漿均滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，安全施工措施到位，通過(guò)監(jiān)控路面沉降滿足規(guī)范要求。