下穿城市道路多條管線的頂管施工技術

吳發展

（中鐵隧道集團二處有限公司，河北 三河）

引言

泥水平衡頂管機械化程度高，對地層擾動小，常用于城市管網建設或穿鐵路營業線。杜興濤[1]在綜合管線下穿鐵路營業線工程中，為減少施工對鐵路運營線的影響，采用泥水平衡頂管技術，工后沉降控制在允許偏差內，有效保證了線路穩定。侯淑鴻[2]分析泥水平衡頂管機適應性，監測頂管姿態，控制施工糾偏，研究頂管下穿高速公路施工。石嵬[3]等在管道穿越高速公路時采用泥水平衡頂管，第三方專業公司連續進行沉降觀測，沉降值在預警值10 mm 以內，保證了頂管施工中高速公路安全。濟安街站一期污水管線遷改工程，采用頂管法施工從城市道路下方穿過，為保證施工安全，采用泥水平衡頂管施工。

1 工程概況

城市化進程促進了地下空間的開發利用，城市地下管線復雜交錯，管網分布范圍廣[4]，濟安街站一期污水管線遷改工程，受制于新建濟安街站北側附屬的結構要求，原狀DN400PE 管橫穿濟安街站1 號風亭導致位于濟安街站西側（明湖西路北側）污水無法通過原有管道流入新菜市街污水管下游，需在濟安街站結構西側約26 m 處，新建一道南北向跨明湖西路的污水管線，采用頂管法施工從道路下方穿過（見圖1），始發井設置于濟南電大教師教育中心門口西側，距離車站端頭約37.8 m，頂管接收井設置于明湖西路南側綠化帶內（見圖2）。

圖1 地下管線分布

圖2 頂管平面

頂管管道采用Ⅲ級管，管道內徑1.0 m，外徑1.2 m，壁厚0.1 m，采用C40 鋼筋混凝土，標準管節長度2 m，下穿整個區段全長42 m（不含兩側頂管井），單線21節頂管管道。頂管始發井為結構尺寸5 m×7 m×3.9 m 箱型結構，壁厚0.5 m，結構埋置深度為7.289 m；頂管接收井為結構尺寸5.5 m×4.5 m×3.9 m 箱型結構，壁厚0.5 m，結構埋置深度為7.082 m。

頂管穿越地層土，鉆探深度范圍內揭露的工程影響范圍內第四系地層主要為素填土、雜填土、粉質黏土等。

2 頂管機選型

頂管機型選擇的原則是安全性、適應性和經濟性[5]，考慮因素有工程地質、水文情況，還需要考慮施工條件和機具的施工效率[6]。

頂管設備主要有土壓平衡頂管機和泥水平衡頂管機兩種類型。土壓平衡頂管機通過土倉內改良(改性)的渣土作為掌子面平衡介質，通過螺旋輸送機出土速度實現土倉內壓力控制, 進一步平衡掌子面水土壓力；泥水平衡頂管機采用膨潤土懸浮液(泥漿)作為支護材料，泥漿在開挖面上形成不透水的泥膜，依靠泥漿壓力來平衡開挖面水土壓力[7]。針對本項目特點，對土壓平衡頂管機和泥水平衡頂管機對比分析，選擇合適機型（見表1）。

表1 頂管機選型對比

頂管長度42 m，需要穿越城市主干道明湖西路，最大埋深4.685 m，距離地下管線垂直最近距離1 m，根據以上對比，泥水頂管在沉降控制及對周邊地層影響方面有明顯優勢，并且泥水頂管扭矩更小、推力較小、對地層的擾動最低，因此根據工程地質特性、工程規模[8]，采用泥水平衡頂管機進行施工。

本工程采用3 800 mm×1 200 mm 圓形頂管機掘進施工，頂管機頭共布置四個主刀臂，其中每個刀臂共部置五個刀頭，刀盤直徑為1 250 mm，共一臺22千瓦電機，全斷面面積1.23 m2，總削泥面積為1.23 m2，出泥率達85%。將工具管或掘進機吊入始發井后，自頂管始發井處借助頂管推進裝置穿過土層，一直推到接收井內吊起，與此同時，緊隨工具管或掘進機后面將預制的管片頂入地層。邊頂進，邊開挖地層，邊將管段接長，直至完成整個污水管道的施工。

3 頂力

頂力計算時取管節最大外尺寸（1 200 mm）、頂進長度（42 m）及最大覆土厚度4.7m 進行計算。

3.1 總頂力估算[9]

管道的總頂力按照式（1）估算：

式中：F——總頂力標準值（KN）；D0——管道外徑（m），取1.2 m；L——管道設計頂進長度（m），取42 m；NF——頂管機的迎面阻力（kN）；fk- 側阻力取8 kN/m2，考慮觸變泥漿減阻措施。

式中：D0——外徑（m）；Ys——土的重度（kN/m3），取18 kN/m3；Hs——覆蓋土層厚度（m），取4.7 m

根據表2 的數據可知：

表2 總頂力估算匯總

頂管總頂力為1 204 kN，擬采用的2 臺200 t 千斤頂的最大推力為4 000 kN>1 204 kN，滿足要求。

3.2 管道允許頂力驗算

本工程在頂管傳力面允許最大頂力驗算，按式（3）計算：

式中：Fdc——混凝土管道允許頂力設計值（N）；φ1——混凝土材料受壓輕度折減系數，取0.9；φ2——偏心受壓強度提高系數，取1.05；φ3——材料脆性系數，取0.85；φ5——混凝土強度標準調整系數，取0.79；fc——混凝土受壓強度設計值（N/mm2），取23.1 N/mm2；Ap——管道的最小有效傳力面積（mm2），取0.346 m2；γQd——頂力分項系數，可取1.3。

計算得頂管：Fdc=3 122 kN。管道允許頂力Fdc=3 122 kN>最大頂力1 204 kN。

4 觸變泥漿減阻

頂管頂進時，為提高工程質量和施工進度，為減少土體與管壁間的摩阻力，向管道外壁壓注潤滑泥漿，將固固摩擦變為固液摩擦，以達到減小總頂力的效果[10]。

注漿減摩的作用機理：膨潤土觸變泥漿將頂進管道與土體之間的干摩擦變為濕摩擦，起到潤滑作用，減小頂進摩阻力；膨潤土觸變泥漿漿液填補施工時管道與土體之間產生的空隙，起到填補和支撐作用，在注漿壓力下，減小土體變形，使隧洞變得穩定。

在頂管施工中常用的注漿材料是膨潤土泥漿[11]。膨潤土泥漿又稱觸變泥漿，由膨潤土、CMC（粉末化學漿糊）、純堿和水配方組成，膨潤土濃度占5%左右，觸變泥漿的配合比例根據現場試驗確定。

觸變泥漿的用量取決于管節周圍空隙的大小及周圍土質的特性，因本工程地質條件較差，漿液易損耗，注漿量擬定理論值4 倍。

表3 每立方泥漿配比

表4 觸變泥漿指標

5 頂進后的加固

頂進后，需要對頂管壁周圍被枯井擾動的松散土層進行注漿，加固管道周圍土壤的黏結性，使管道周圍的土體成為具有一定強度的復合地基，穩固土體[12]，防止工后沉降影響其上部管線和城市道路。水與水泥配合比1：1 在管壁后注漿，注漿壓力為靜止水壓力的1.1～1.2 倍，注漿完成后，封堵注漿孔，防止漿液流失。

結束語

頂管施工中，根據工程具體情況，選擇合適的頂管機械是工程順利進行的前提。

泥水平衡頂管機以泥水平衡地下水壓力和土壓力，防止開挖面坍塌，又以泥水輸送棄土，無須土質改良，地表沉降小，施工安全性高。

觸變泥漿減阻技術可降低頂進阻力，要完善注漿工藝，保證觸變泥漿減阻的實施質量。