大直徑土壓平衡頂管施工技術在市政工程中的應用

趙文華 （中鐵十六局集團第三工程有限公司，浙江 湖州 313000）

1 引言

在現代化城市里，隨著城市的發展各種市政管線、橋涵等構筑物逐漸增多，城市可提供的施工場地逐漸少，非開挖施工技術在城市工程建設中的應用越來越廣泛，當前已發展起來的頂管施工已成為城市地下交通、管線通道工程的主要施工形式，其中土壓平衡頂管施工技術應用最為廣泛，它適用的土質比較廣泛，是一種軟黏土到砂礫土都能適用的施工方法。

2 工程概況

呼和浩特市軌道交通2號線一期工程外電源線路工程豐州變到錫林南路外電源線路工程，標段全長7000m，設計為地下電力管廊形式，工程穿越賽罕區7條主干道平交路口，經調查各種市政管線復雜交錯，且交通繁忙，不具備明挖施工條件。經設計變更該7處路口段采用頂管方式施工。工程管道為強度C50、管內徑3500mm、壁厚33mm、單節管長2.5m的鋼筋混凝土管，接口形式為F型鋼承口式接口、圓形雙橡膠止水帶,襯墊板采用12mm多層膠合板。管節自重25t。工作井采用抗壓強度C50的鋼筋混凝土沉井，沉井內徑7m×9mm，墻厚1m。頂管埋深6～8m。本工程7段頂管中最大頂進長度為236m，管節94節。

3 地質情況及機型選擇

根據本工程的地勘圖紙得知施工區域地貌單元為大黑河沖湖積平原，地下水豐富，對此工程的影響較大。頂管所在地層為礫石成分以砂巖為主，粒徑2～20mm約占50%，礫石最大粒徑50mm，潮濕-飽和，中密-密。

綜合以上地勘情況反映，本頂管工程施工的地層砂礫石含量較大且礫石粒徑較大，巖石硬度大，土質密實，水位7.4m，頂管處于水位線以下。

現在機械頂管施工形式多式多樣，需根據水文、地質情況選擇不同施工形式，機型選擇是頂管施工中最重要的一步，一段頂管工程能否成功施工完成，機型選擇起到決定性作用。本工程根據地勘情況及參考以往施工經驗，本工程采用土壓平衡頂管施工方式。根據前期施工經驗及設備原理研究情況認為土壓平衡施工技術在富水、砂礫土、大粒徑土層最為合適。

4 設備工作原理及特點

4.1 設備組成及原理

土壓平衡式頂管設備主要由掘進系統 (部分掘進機頭自帶地質超前預報系統)、糾偏系統、排輸土系統、土體改良系統、觸變泥漿系統、頂推系統、操控系統及附屬設備構成。

土壓平衡頂管施工技術是根據土壓平衡的基本原理，利用安裝在頂管機最前端刀盤和機倉內土壓艙的正面土體來抵抗開挖面的土壓力和水壓力，以達到土體穩定。頂管機用旋轉刀盤切削泥土，切削下來的泥土進入機艙內的土倉，通過安裝在土倉上的螺旋輸送機把土倉內的土排出土倉，螺旋末端為出料口，采用軌道車+料斗把開挖土體輸送到工作井后由吊車吊出。在刀盤切土及螺旋機出土的同時頂推系統推動管材及掘進機頭緩慢前進。

在頂進過程中以千斤頂的頂速（刀盤切削量）為常量，螺旋輸送機的轉速（排土量）為變量，通過電腦及人工操作系統，控制土壓艙內的土壓力和水壓力與切削面的土壓力和水壓力保持平衡，以減少對土體的擾動和減小地面的沉降或隆起。

4.2 土壓平衡的特點

①施工設備簡單，占用施工場地較小，對周邊環境影響較小。

②能較好保持挖掘面穩定，地面變形較小，能有效保證地下管線、地面構筑物及人員安全。

③棄土的運輸、處理都較方便、簡單，出土可直接裝車運走，也可儲存堆放，無泥水外流，無需特殊裝置處理渣土，較為環保。

④地層中夾雜大粒徑孤石在刀盤滾刀輕微破碎后可隨出土螺旋機排出，一般體積不大于螺旋半徑均可順利排出，排石直徑可達30cm。

5 主要技術參數及重要工藝

5.1 頂力計算

頂管施工參數計算主要為管段頂力的計算，根據《給水排水管道工程施工及驗收規范》經驗公式，即：

FP=πD0Lfk+NF

注：FP——管道頂進阻力（kN）；

D0——管道外徑（m）；

L——管道設計頂進長度（m）；

fk——管外壁與土體單位摩阻力（kN/m2）；

NF——頂管機迎面阻力（kN）。

頂力計算是頂管施工的關鍵參考依據，可通過計算頂力值來確定主要頂推系統的設備型號及其附屬物資配備需求，確定采用泥漿減阻的形式，驗算管節承受的最大頂力及后靠板規格等。

5.2 土質改良

掘進機的土質改良系統是通過設置在掘進機刀盤上的注漿孔把在地面加工好的土體改良劑通過壓力管道系統添加到掘進面，使掘進面土體松軟，利于土體切削，加過改良劑的泥土經攪拌后可使原來土體的物理性質發生變化，可以使原止水性、流動性、塑性比較差的土體變成、止水性、流動性、塑性較好的土體。既保證了施工安全，也加快了施工進度。減小了頂管機的設備磨損，擴展了土壓頂管機的適用范圍。本工程采用土體改良劑為聚丙酰胺，是一種線性高分子聚合物，使用效果非常突出。

5.3 觸變泥漿減阻

頂管管徑越大，管材自重也越大，管外摩阻力就相應增加，隨頂進長度增加，所需頂力逐漸增大，頂力的增大對管體及后背墻的破壞性就加大。觸變泥漿減阻是頂管施工中一個重要工藝，可減小土體與管道間的摩阻力，延長頂距，降低頂力。從管道內側向管道外壁（預制管道時預留的注漿孔）注入觸變泥漿，使管道外側形成整圈的泥漿環，由于浮力作用使管節懸浮在泥漿中，（一般刀盤半徑大于頂管管材半徑1cm）可以有效達到減阻效果，可有效降低頂力50%以上。泥漿由膨潤土泥（黏土）、化學添加劑、水組成。泥漿制備質量直接影響減阻效果，在開工前需先對制備泥漿的各種材料進行試驗檢測，根據檢測結果進行泥漿試配，得出合理配比，方可施工。

在冬季施工時需對泥漿制備車間進行加溫和對注漿管道進行保溫處理。在注漿時必須控制好注漿壓力，注漿壓力可有效控制地面變形。注漿壓力可根據覆蓋土層厚度計算或通過現場試驗確定，在砂礫石地層正常控制在0.1～0.2MPa。本工程注漿壓力在 0.14～0.18MPa。由于本工程管徑較大，采用10臺200t(2000kN)千斤頂,1臺31.5MPa液壓站，理論最大頂力在18000kN左右。本工程應用觸變泥漿減阻工藝后使用最大頂力為14000kN。

6 頂管施工注意事項及有效措施

6.1 地質調查

根據地勘圖詳細了解施工區域地質、水文情況，根據兩端工作井開挖情況實際記錄地質，水文情況，掌握一手資料，有利于機型選擇，設備配套，可充分做好施工準備。

6.2 地下管線調查

管線調查是施工前的一項重要工作，特別是城市管網復雜地段，需調查清楚每根管線的詳細情況，管線路徑、埋深、種類、直徑、材質、性能，接口形式等，如市政管線圖紙差異教大必須邀請各管線產權單位對本單位已知和未知的管線進行現場勘察并標識，必要時需先進行管道遷改后，方可施工作業。施工過程必須保證燃氣、供排水、電力、通信等設施安全和施工安全。

6.3 作業面通風及有毒有害氣體檢測

頂管施工經過污水管道、河道及有淤泥地層時會產生有毒有害氣體，在管內作業需設置有害氣體檢測儀，工人作業佩戴好防護用品，安裝通風設備，每次作業前必須先通風，檢測合格方可開工，保證施工人員生命安全。

6.4 設置止水壓板

施工涉水段工作井時洞門必須設置止水壓板，洞門可采用鋼洞圈，施工時在重載車輛較多路段需預先在頂進軸線鋪設鋼板，鋼板厚度需大于20mm，以防止發生地面沉降引起的道路安全事故。

6.5 做好頂進記錄

頂進過程中要做好頂進記錄，按勤測量、勤糾偏、慢糾偏的糾偏原則施工，嚴禁劇大幅度糾偏施工。施工過程嚴格按照頂管操作規程操作，把頂力控制在合理數值力范圍內，嚴禁超頂力施工，以免發生管節爆裂等質量問題。

6.6 雨污水管道引流

在需要穿越市政供排水主管線施工時需特別注意，現城市雨污管道大部分年久失修、滲漏嚴重，大直徑頂管對周圍土體擾動較大，會引起帶水管道滲漏，嚴重會發生涌水現象，根據這次施工經驗施工至據管道5m附近時，對雨污水管道進行引流，機頭穿過管道5m后，恢復原排水方式，保證頂管機作業面安全及道路通行安全。

6.7 密切注意土倉及泥漿壓力

施工時需密切注意土倉及泥漿壓力，在快速失壓情況下，要快速停機，進行原因分析，原因不明不能施工，城市地下未知管線及老舊防空等設施較多，地下未知管線和老舊防空洞較多，施工時需特別注意，地況復雜地段可在施工前采用地質雷達進行探測。

7 結語

大直徑土壓平衡式頂管施工在呼市地鐵2號線外電源標取得了成功，且效果顯著，日掘進量在8～10m。3.5m頂管為呼市乃至內蒙地區最大直徑的混凝土頂管工程，土壓平衡頂管施工很適合呼市這種短距離地質情況變化較大的地層施工。此種施工方式施工精度高，施工進度快，且不影響城市交通，減少各種地上構筑物及地下管線的遷改，經濟效益顯著，可在保證各種市政設施運行情況下進行施工作業，可穿越各種橋梁、鐵路、河道，整體經濟效益顯著，為今后的市政工程大直徑頂管施工積累了豐富經驗，打好了堅實基礎。