大口徑頂管穿越淺埋高水位淤泥層河道施工技術研究

馮新濤FENG Xin-tao

（中鐵十二局集團第一工程有限公司，西安710038）

0 引言

頂管施工作為一種先進的非開挖施工技術，可在確保地表不被破壞的情況下施做地下管道的敷設，故頂管技術在我國城市市政網管施工中逐漸得到推廣和應用。但地下工程具有地質情況復雜多變，周邊環境對施工質量及安全的影響因素多，頂管施工涉及多種學科技術的綜合運用，如何制定出科學合理、適用于具體實際情況的頂管方案對施工技術人員是極大的考驗，本文通過施工實例，介紹了針對各種不利情況下，頂管工藝的選擇及具體措施的運用，期望總結和積累的經驗能夠給其它項目帶來一些借鑒。

1 工程概況

徐州市彭祖大道快速路-會議中心段項目的污水管網工程大龍湖橋節點采用“倒虹吸”設計，水平導向穿越既有大龍湖支流河道，本次實施的水平定向穿越距離為92m，管徑為DN1350；設計河底標高距離頂進管頂標高最低為2m，地下水水位標高超管道軸線標高5.6m左右。

查閱巖土工程勘察（詳勘），穿越層地質為黏土層及含砂姜黏土層。由于經年承載河道，河底下部土層淤泥化明顯，土壓承載力較差。砂姜主要粒徑約為0.3～5cm，局部見大于10cm砂姜，含量約15～35%，局部富集成層。對頂進機頭選擇要求較高。

設計穿越標高為現有河道既有淺埋淤泥層，對于DN1350大口徑管網頂進施工期間對洞門封堵止水、土壓平衡、精度控制、防滲漏等方面面臨巨大考驗。

2 頂管方案設計

2.1 頂力計算及千斤頂選型

確保順利頂進，并達到精準度控制的要求，需采用足夠的頂力，并有足夠富余值以應對可能出現的異常情況而增加頂力的情況出現，確保快速、順利完成頂進。DN1350管節頂進總推力的理論計算如下。

①頂管機頭端部泥水壓力按下式計算：

式中：F1為泥水施加于頂管機端面的壓力荷載；D為頂管機結構的外徑；P為泥水施加于頂管機端面的最大壓力值，該值受地下水狀況、土體濕密度及土體摩擦角等有關，P按頂管機端面距頂面以下2/3處的被動土壓力值。

式中：γ為頂管處土體容重，1.9t/m3；H為管節上部覆土層高度，取本項目最高值9.0m；φ為土體的內摩擦角，取值18°；按最不利頂進工況進行頂進機頭端面土泥壓力的計算，計算得P=17.5t/m2。將數據代入，計算得F1=3.14*1.35*1.35/4*17.5=25.0t。

②管壁摩擦阻力計算。

管壁摩擦阻力計算式如下：

式中：L為頂管最大長度，本項目按95m；f為管壁與土體間綜合摩擦系數，該值受地下水狀況、土體濕密度及土體摩擦角等有關。根據地質勘察資料及本項目設計情況，f保守取值為1.0t/m2。計算得F2=402.7t。

③總阻力計算及千斤頂配備。

總阻力F=F1+F2=25+402.7=427.7t。

為了確保頂力足夠，并有富余應對特殊情況，千斤頂按70%總頂力不低于計算總阻力進行配備。本工程擬采用2個320T千斤頂施工，2×320×0.7=448t＞427.7t滿足施工要求。因為頂進距離適中，采用的千斤頂總頂力大于理論計算頂力，故不需設置中繼頂。

④頂進后背承載驗算。后背采用C30混凝土澆筑，承受最大頂為427.7t，C30砼的軸心抗壓強度fc=15N/mm2，千斤頂與后背墻間墊放了一塊尺寸為2m×2m×0.05m的鋼板，則鋼板后背能承受的最大頂力荷載為1500×2×2=6000t，完全能夠滿足施工要求。

2.2 頂進工作井及接收井設計

頂進工作井、接收井的結構均設計成矩形，工作井內部凈空尺寸為5m×8m，深8.2m，井壁厚40cm，后背墻厚度為1.0m，井壁及后背墻內均設置雙層鋼筋。后背墻與千斤頂間設2m×2m×0.05m的鋼墊板；接收井內部凈空為4m×4m，深8.5m，壁厚40cm，壁內也設置雙層鋼筋網。兩井的池壁、池底及后背墻均采用C30砼澆注。

頂進工作井及接收井采用間距為1.0m的Φ800灌注樁進行基坑圍護，灌注樁外圍采用間距0.6m的Φ850三軸水泥攪拌樁止水。因井底為河床淤泥，采用壓注漿加固，加固厚度為3m。

2.3 頂進洞門及止水裝置設計

本項目頂進洞門距離地面較深，且位于高水位的淤泥層，頂進進洞時，極易發生泥土及泥漿從管節外壁與井壁間的間隙流入工作井內，甚至引起洞門處土體坍塌的事故，故需在以上間隙處設置止水防滲漏裝置，本項目采取的止水防滲漏裝置如圖1所示。

圖1 頂進洞門止水防滲漏裝置結構示意圖

沿頂管頂出的洞門預埋鋼環，在鋼環上鉆設圓孔，以通過螺栓安裝止水裝置，本項目止水裝置為折頁式，由橡膠簾布、壓緊墊板和扇形鋼板等構成，達到止水、防漏漿的效果。

預埋鋼環的安裝精度為關鍵工序，施工時需嚴格按圖紙的設計位置及要求進行定位和預埋。

2.4 頂管機選型及工作原理

根據設備參數、以往施工經驗、現場土質（淤泥含砂姜），選用了集成先進技術的信息化及智能化的DNP1350泥水平衡頂管機，并精心進行配套設備和控制儀器、儀表的配置。并于頂管機刀盤上焊接能輕易切削硬巖的滾刀，以確保順利穿過富集砂姜層。

泥水平衡頂管施工原理：頂管機前端的刀盤轉動刀削作用下，把砂石破碎，并設置1根鋼管注入水而形成泥漿，經由排漿管排出泥漿，設置離心器進行泥漿的離心脫水后運棄至棄土場，分離出的水則輸送至儲水箱重復利用。

3 頂管施工關鍵技術

3.1 裝置安裝

3.1.1 導軌安裝

在工作井頂板上設置安裝導軌的鋼橫梁，精確定位的鋼橫梁與井底的預埋鐵件焊接牢固，橫梁上鋪設采用2[36a槽鋼制作的導軌，導軌與橫梁焊接固定，確保導軌穩固，并在導軌上涂黃油。

3.1.2 安放千斤頂

后背墻前墊尺寸為2m×2m×0.05m的鋼板。采用2臺320t的千斤頂，千斤頂固定支架采用型鋼制作，為確保頂力的合力線與管道設計軸線重合，千斤頂著力點對稱、水平布置在管節同一直徑上。

3.1.3 吊裝頂進機頭及聯結管路、儀器

采用50t汽吊將頂管機下緩緩下放至導軌上，將頂管機與首節管節連接，安裝完成管路及配置設備后，進行設備試運行，以檢測系統的安裝的正確性、匹配性、安全性。

3.2 進洞

頂管進洞是頂管的關鍵工序，存在事故多發的現象。

當系統調試確認無誤后，人工用風鎬將封堵進洞洞門的磚墻約1/2厚度鑿除，再利用頂管機頭的刃口將剩余磚墻頂破后進洞。因本項目采取的洞口止水措施得當，沒有出現洞口間隙的泥水滲漏現象。

3.3 正常頂進過程中蛇行控制

3.3.1 頂進速度控制

對頂進速度的良好控制有利于順利頂進及保證精準度，在開始2～3節管節頂進及機頭出洞時，速度宜放緩，穩打穩扎。頂進正常后，宜將頂進速度逐漸提高至合適值后，保持恒定速度，避免過大波動。并同時使切口水壓也保持穩定，泥水的排、注暢通穩定。

根據實際施工經驗，正常頂進條件下，頂進速度設定為2.5～3.5cm/min為宜；如正面遇到障礙物或地基加固土，頂進速度控制在1cm/min內。在穿越大龍湖支流河床下時，將頂進速度放緩，同時嚴格控制注漿壓力，避免注漿壓力過大而貫通河床。

頂進施工時，需確保潤滑泥漿的工作系統運行良好、穩定，且每個管節注入的潤滑泥漿注數量與頂進速度相匹配。

3.3.2 頂進方向及姿態控制

因地下水位較高，頂管處為地基承載能力差的河床淤積的黏土層，雖然采取攪拌樁對進洞洞門處的土體進行了加固，但為了確實保證機頭頂進后不會栽頭，而采取機頭方向穩固措施，即在機頭進洞頂進時，設置拉桿將機頭與后續5節管節拉緊固定形成整體，同時，每隔1m設置1道手拉葫蘆將上述形成整體的機頭和管節拉緊，使機頭緊貼導軌頂面的設計方向順利頂進。

由于在頂進過程中對土體的擾動，使土體和頂管機的周邊握裹力減弱，為了避免糾偏過大，產生蛇行。加強潤滑泥漿壓注的科學管理，確保注漿和頂進的同步性，使漿液能及時填充到頂進出現的空隙。

為了避免觸變泥漿的注入工藝不佳，管節周邊各部位不均勻且頻率變化，造成漿液不能形成穩定有效箍套，使管節頂進產生蛇行。或是觸變泥漿在管節底部積聚過多，導致管節上浮。故注漿需按“全長、均勻、適量”的原則進行，避免局部不足或超壓超量而不能形成均勻、穩定箍套的現象。

河道淺埋層淤泥壓力不夠，極易造成穿越過程中漂管，故全程設置四個點同時監測壓力情況，制作頂進曲線與壓力監測數據；根據土壓變化情況實時調速頂進壓力和頂進速度；并采取進洞段上方壓石的外部控制措施。

3.4 糾偏、數據傳輸

在頂管機后段之間設置糾偏千斤頂，在圓周上均勻設置了4個。調整頂進方向是依靠糾偏千斤頂的組合動作而完成。如出現激光點與測量靶中心不重合，說明頂管方向偏移設計軸線，需啟動千斤頂進行糾偏。在地面設置頂進遠程控制室，頂進數據傳輸至遠程控制臺。控制臺發出指令，進行頂進的遠程控制。糾編千斤頂及頂管控制柜實況見圖2。

圖2 糾編千斤頂設置及頂管控制柜

為了確保頂進軸線偏差能夠持續控制在允許范圍內，根據頂管機控制臺上顯示偏差的激光點位置而及時運用糾偏油缸調整軸線，糾偏操作嚴格按規程要求實施，每次糾編控制在1°以內，以10′～20′為宜，以避免機糾偏幅度過大導致出現頂進困難、管節破裂等問題。

糾偏量的控制是通過安放在糾偏千斤頂上的位移傳感器來實現。頂管機的狀態（水平傾斜、扭轉）由安放在機頭的角度傾斜儀來體現。

3.5 觸變泥漿的應用

由頂進阻力計算公式可得知，頂進阻力與頂進長度成正比，阻力過大時降低頂進效率，甚至阻力過大而無法頂進。故需采取措施降低管節外側的頂進阻力。本項目采取壓注觸變泥漿至管節外側降低阻力的方法。

在每節管節的頂進前端均勻布設3個觸變泥漿注漿孔，將嚴格按配合比拌制的觸變泥漿持續通過注漿孔壓入管節外側，在頂管的外側形成減阻的泥漿套。頂管注漿示意如圖3所示。

圖3 頂管注漿示意圖

3.6 洞內照明

為了確保用電安全，分別獨立設置管內照明的電源與頂進設備的電源控制系統。

本項目管內照明電壓為安全低壓（24V），如果管道內嚴重潮濕時，則采用更低的6V電源，管道內照明燈具以可清晰看清四周環境為宜。本項目管內照明設置如圖4所示。

圖4 管道內照明設置示意圖

4 結語

本項目的頂管施工按預定目標順利完成，施工時及完成后的精度監控量測結果表明，頂管線型控制良好，管節軸線偏差非常小。沒有出現泥水滲漏、地面深陷及管節漂浮等問題。證明頂管方案的設計及施工方法科學合理。