杭州富陽牽絲排澇站頂管施工設備選取及頂力計算

張 平

(杭州富陽永安工程監理有限公司，浙江 杭州 311400)

1 引言

隨著城市快速發展，地下空間利用程度不斷提升，由于城市建筑較為密集，采用開挖手段新建管線將會對原有建筑的使用產生較大的影響[1-2]。因此，在城市管線施工中，頂管施工已經成為常規手段。由于頂管施工穿越線路長，地質等不可預料性較強，設計及施工難度較高[3-4]。泥漿質量是保證頂管施工工程質量和施工進度的一個重要因素，尤其是采用泥水平衡頂進方式，在工程施工過程中需要結合地質情況，采用合適的泥漿特征。結合杭州富陽牽絲排澇站頂管工程，對施工機具選取以及頂力進行分析計算。

設計穿杭富沿江公路采用DN1800焊接螺旋鋼管頂管施工，設計頂管長度77.1 m，在杭富沿江公路北側排水渠處設置頂進井，頂進井結構為10000 mm×8400 mm鋼筋砼井，牽絲排澇站采用沉井施工為接收井，接收井結構為26000 mm×17500 mm鋼筋砼井。

2 頂管機的選型

根據地勘報告，場地內土層主要為素填土、粉質粘土、圓礫，結合設計管道管徑、管材，綜合考慮采用NSPD系列D1800泥水平衡式頂管掘進機。

使用該設備主要是利用泥水壓力保證頂管管道的穩定，刀盤切削的巖土體也以泥水循環的形式運輸至地面。目前，該設備主要由頂管機、泥水輸送、泥水處理以及頂進管道四個部分組成。

2.1 泥水平衡頂管機

(1)頂管機主機工作原理如下：在正常作業前，頂管機的刀盤與殼體外圈緊密接觸，刀排與刀盤接觸，同時，泥水倉處于緊密狀態，以減緩泥水泄露，保證泥水壓力，同時也有利減小泥水壓力的變化，減少對開挖面的擾動，當泥水倉內壓力穩定后，啟動中心軸泵站，帶動中心軸和道家向前運用，此時，刀架與刀盤分離，兩者間距約70 mm，可用于進土。之后，啟動刀盤電機，帶動刀盤及刀架轉動。以3.5 rpm轉動速率切削土體，頂管機示意圖見圖1。

圖1 頂管機主機示意圖

2.2 泥水處理

根據工程經驗，泥水處理采用一次沉淀的方法即可，在沉井40 m外區域設置一處沉淀池，沉淀池長、寬、深不應小于20 m×20 m×1 m。沉淀處理后的泥漿可輸送至調整槽，重新調整粘度、密度后方可重新使用。清水可利用臨近江水水源，利用潛水泵抽取江水至清水槽中。粘度控制在25 s左右，密度在1.2 g/cm3左右，可根據實際頂進施工情況進行調整，泥水處理系統見圖2。

圖2 泥水平衡式設備的配置示意圖

2.3 泥水輸送

泥水輸送主要由送泥管、排泥管、送泥泵、排泥泵組成。其中送泥管、排泥管管徑均為4寸。將處理槽處理后的泥漿由調整槽利用PH泵送至井下，頂管排出的泥漿由接力泵送至地面沉淀池。泥水輸送系統見圖3。

圖3 泥水輸送系統流程圖

啟動泥漿輸送系統時，操作順序如下：開啟VP閥門→啟動PI泵→開啟V3、V5閥門→啟動P2泵→啟動P3泵→啟動PE泵。操作完成后，待泥漿壓力與切口壓力基本相同時，方可進行“頂進工作”。開啟頂進工作操作步驟如下：開啟V1、V2閥→關閉V3閥。當滿足泥水平衡要求時，調整泥水壓和排泥流量保證頂進過程中的泥水平衡。若切口水壓偏差過大，超過允許值時，需切換為“旁路狀態”。需查明切口水壓偏差原因，調整切口水壓，滿足要求后，方可重新進入“頂進工作”。頂進完成后，切換至“停止狀態”。

2.4 泥水平衡頂管主要施工參數的設定與調整

頂進施工過程中參數眾多，需要結合參數與施工情況及時調整，以保證工程順利進行。

(1)切口水壓設定

在頂進施工過程中，管道開挖斷面被刀頭切削，護壁泥膜也將被刀頭切削，同時，泥水壓力也將作用于土體。切口水壓需要結合設計值、實時的土砂量和干砂量等參數綜合確定。

(2)頂進速度

頂進速度應注意以下幾點：①主頂啟動時，檢查千斤頂狀況，開始、結束頂進速度不宜過快。每節頂進應逐步提速，啟動時速度不應過大。②一節頂進過程中，頂進速度值、切口水壓應穩定，送、排泥管應暢通。③頂進速度須滿足潤滑泥漿注漿量的要求，保證泥漿系統處于良好工作狀態。正常條件下，速度應設定為3 cm/min～10 cm/min；如正面遇到障礙物，速度應低于1 cm/min。

(3)泥水質量控制

1)密度

密度是泥水的主要控制指標。泥水密度對工程施工影響較大，比重不宜過高或過低，否則將影響到泥水的輸送能力和管道的穩定性。工程的泥水密度應在1.12 g/cm3～1.20 g/cm3之間為宜。

2)粘度

泥水粘度應在20 s～25 s，考慮到粘度調整需要時間，應在泥漿粘度為22 s時，逐漸添加CMC，添加量根據粘度下降趨勢確定。

3)析水量

地面沉降量是檢查泥漿配比合理性的一個因素。在沉降量得到控制后，需要密切關注泥水指標的變化，使得泥水指標穩定在一個范圍內。

(4)逆洗時壓力控制

在頂管頂進過程中經常遇到排泥管堵塞等現象。為解決這一問題，通常采用逆洗法進行處理。采用逆洗法過程中，土倉、排泥管處于堵塞狀態，因此，在逆洗時需要提高排泥流量，但需要控制切口水壓。在逆洗過程中，需要密切監控開挖面穩定性，避免出現垮塌。推進、逆洗和旁路狀態切換時，切口水壓偏差值小于±0.02 MPa。

(5)開挖面穩定的判斷方法

開挖斷面穩定性是頂管施工過程中最重要的項目，對工程的順利頂進施工以及施工質量具有極大的影響。為保證開挖斷面穩定，需嚴格控制每節的掘削土量，不宜過大，造成斷面垮塌，影響工程進度和安全。

3 頂力計算

3.1 總頂進頂力估算

①迎面阻力PF：

PF=γkHπD2/4=19×0.5×8.58×3.14×2.162/4=298.53 kN

(1)

式中：PF機頭迎面阻力，kN；γ土體容重，取值19 kN/m3；k靜止土壓力系數(取值0.5)；H地面至管中心高度(施工圖計算為8.58 m)；D1機頭外徑，m。

1.2.4 飲食護理：手術清醒之后，給患者進食少量水，確認無腹脹情況可多次少量進水；確認胃腸道蠕動恢復后，給予流質飲食，遵循少量多餐的原則，避免增加腸道負擔。排氣之后，多食用高營養、高熱量的食物；排便之后，恢復正常飲食，并多食用含有高維生素、高熱量、高蛋白、高纖維的食物，防止患者出現便秘。

②頂管頂進時周邊摩阻力P：

P=ks×π×D1×L=4×3.14×2.16×77.1=2091.69 kN

(2)

式中：P采取觸變泥漿工藝時管壁的摩阻力，kN；ks采取注漿工藝的單位摩阻力，取4 kN/m2以內；D1為管道外徑，m；L為一次頂進最長頂管長度，m(設計長度77.1 m)。

③總頂進頂力F：

F=PF+P=298.53+2091.69=2390.22 kN

(3)

根據《頂管施工法用鋼筋混凝土排水管》(JC/T 640-2010)行業標準，管道頂進的安全系數一般取值為不小于管道總頂進頂力的2.5倍，根據規范數據6400 kN/2390.22=2.68>2.5，滿足要求。

3.2 后背墻的核算(以頂進工作井為例)

后背墻在頂進頂力作用下會出現壓縮變形，方向與頂力作用方向相同。當頂管機停止頂力作業后，頂力消失，此時后背墻壓縮變形也隨之消失。這要求，在頂進過程中，后背墻不應發生變形破壞，變形量不應超過壓縮變形。同時，需要保證后背墻壓縮變形應當均勻，否則將會造成頂進誤差。靠背受力分析圖見圖4。

圖4 靠背受力分析圖

(4)

式中：R為總推力之反力，kN；α為系數，取α=1.5～2.5，此處取2.0；β為后座墻的寬度，取3.4 m；γ為土的容重，取19 kN/m3；H為后座墻的高度，取4 m；Kp為被動土壓系數tan2(45°+θ/2)，此處取0.55；c為土的內聚力，取10 kPa；h為地面到后座墻頂部土體的高度，此處取8 m。

經計算，工作井后背允許抗力為3245.84 kN除以總頂進頂力2390.22 kN=1.36，滿足要求。

4 結論

杭州富陽牽絲排澇站管線需穿越已有道路，為降低對公路通行的影響，綜合考慮采用頂管施工。根據場地地質情況，以及管道管徑、材料等參數，選取NSPD系列D1800泥水平衡式頂管掘進機進行施工，通過計算總頂進力為2390.22 kN，工作井后背允許抗力為3245.84 kN，滿足規范要求。在工程施工過程前需要編制合理的施工組織方案，嚴格按照設計要求以施工方案要求進行施工，嚴格把控泥漿密度以及頂進速率，以保證工程順利進行。