長距離大口徑頂管技術(shù)在工程中的應(yīng)用

陳志軍

1 工程概況

某變電站線路出線配套電纜隧道工程位于深圳市南山區(qū)后海填海區(qū)北側(cè)、濱海大道南側(cè)，采用頂管施工。線路主線分4號～5號、5號～6號、6號～7號三個區(qū)間，共746.6 m，最大頂進(jìn)距離為407.2 m(4號～5號區(qū)間)。隧道呈φ4.14 m的圓形，拱頂埋深10 m～12 m。地下水位埋深 1.80 m～4.70 m，高程 －0.25 m～3.73 m。管節(jié)采用DN4 140鋼筋混凝土管壁厚320 mm。4號～5號頂管區(qū)間穿越礫質(zhì)粘土層。其中工作井、接收井均采用矩形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

2 頂管施工工藝流程

施工前期準(zhǔn)備→測量放樣、復(fù)核→工作井施工→攪拌樁施工→工作井上下設(shè)備安裝準(zhǔn)備→工具頭吊裝下井、全套設(shè)備調(diào)試→工具頭穿墻頂進(jìn)→吊放管道→管道頂進(jìn)、測量控制及糾偏→加中繼環(huán)(根據(jù)計算位置設(shè)置)→后續(xù)下管節(jié)吊放就位→下段頂管頂進(jìn)→管道貫通、回收工具頭→竣工驗(yàn)收、清場。

3 頂管工程力學(xué)參數(shù)確定

3.1 頂力計算

頂管的頂力主要包括工具頭正面泥水壓力、管壁摩擦阻力。這里主要計算頂距較長的4號～5號頂管段。4號～5號頂管段，長407.2 m，管頂覆土取13 m。F=F0+f0L。其中，F(xiàn)為總推力，kN;F0為初始推力，kN;f0為每米管子與土層之間的綜合摩擦阻力，kN/m。。其中，Δp為附加壓力，一般取20 kPa;Bc為管外徑，取4.14 m;p0為土水壓力(砂分算，粘土合算);δ=r1h1tg2(45°－Ф2/2)－2c2tg(45°－Ф2/2)≈350 kN/m;p0=ρgh=1 000×10×8=80 000 Pa=80 kPa，ρ為水的密度，kg/m3，g為重力加速度，m/s2，h為地下水位到挖掘機(jī)中心深度，取8 m。得:F0=(350+80+20)×3.14/4 ×4.14 ×4.14=6 055 kN。f0=RS。其中，R為綜合摩擦阻力，取8 kPa;S為管外周長，得S=πBc=3.14×4.14=13 m。得:f0=8×13=104 kN/m。最后得出:總推力F=6 055+104×407.2=48 383 kN＞13 000 kN(管節(jié)容許頂力)，需加中繼間。

3.2 中繼環(huán)的配置計算

下面主要介紹4號～5號井段中繼環(huán)布置計算:

1)根據(jù)主頂油缸總頂力為10 800 kN計算，頂管長度小于L=(P－N)/F(若考慮觸變泥漿減阻效果，則總和摩阻力可以減少1/3左右，取砂層段 F=48 383/407.2×2/3=79 kN/m)，即 L=(10 800－2 020)/79=111 m的管段可以直接由總頂力完成頂進(jìn)，不需要增加中繼間。2)當(dāng)頂進(jìn)長度大于111 m時，中繼間布置方法如下:a.第一道中繼間布置:L=(K·P－N)/F。其中，P為中繼間設(shè)計頂力，擬設(shè)計采用50個300 kN的油缸，則總推力為15 000 kN＞13 000 kN＞10 800 kN，取10 800 kN;N為機(jī)頭迎面阻力，N=150×3.14×4.14×4.14/4=2 020 kN;F 為每米管壁摩阻力，取為79 kN/m(考慮觸變泥漿減阻效果);K為總推力達(dá)到中繼間總推力的百分比，取50%。得:L=(50% ×10 800－2 020)/79=42.6 m，取42 m。因此，第一道中繼間布置于距頭部42 m處。b.第二道中繼間開始，若余下頂管長度小于L=P/F=10 800/79=136.7 m，則管段可以直接由總頂力完成頂進(jìn)，不需要繼續(xù)增加中繼間。c.若余下頂管段大于136.7 m時，則增加中繼間布置如下:L=(K·P)/F。其中，P為中繼間設(shè)計頂力，擬設(shè)計采用50個300 kN的油缸，取10 800 kN;F為每米管壁摩阻力，取為100 kN/m;K為總推力達(dá)到中繼間總推力的百分比，取75%。得:L=(75% ×10 800)/79=76.7 m，取76 m。因此，若需要增加第二道或更多中繼間時，每隔75 m布置一道。4號～5號井段設(shè)置4個中繼間。

4 泥水平衡頂管施工主要施工方法

1)穿墻頂進(jìn)。頂管進(jìn)出洞是整個施工過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。本工程是采用地下預(yù)埋鋼盒作為預(yù)留進(jìn)出洞口，在進(jìn)出洞口安裝可拆式止水鋼圈，再在鋼圈上安裝止水膠圈，達(dá)到止水效果。并在洞口前方挨著頂進(jìn)方向的支護(hù)樁的外邊線做旋噴樁止水幕墻并加固，旋噴樁為φ600 mm。

2)正常頂進(jìn)。管道出洞成功后，管道開始正常頂進(jìn)。通過后座主頂油泵和主頂千斤頂產(chǎn)生推力，推動管道向前推進(jìn)。在管節(jié)推進(jìn)的同時，頂管機(jī)大刀盤切削前方土體，切削下來的土體進(jìn)入頂管機(jī)的泥土倉內(nèi)，經(jīng)刀盤的攪拌與進(jìn)漿管送入的清泥漿攪拌成濃的泥漿，再通過排漿管道將濃泥漿排出機(jī)頭。頂進(jìn)千斤頂時應(yīng)注意觀察工作倉的土壓力表，調(diào)節(jié)渣漿泵的流量達(dá)到工作倉的泥水平衡。初始頂進(jìn)時頂進(jìn)速度一般控制在20 mm/min～50 mm/min，正常頂進(jìn)時頂進(jìn)速度控制在50 mm/min～150 mm/min，如遇正面障礙物，應(yīng)控制在10 mm/min以內(nèi)。

3)測量、糾偏。激光經(jīng)緯儀安置在觀測臺上，它發(fā)出的激光束為管道中心線，實(shí)為頂管導(dǎo)向的基準(zhǔn)線。施工開始時將頂管機(jī)的測量靶的中心與激光斑點(diǎn)中心重合。當(dāng)頂管機(jī)頭出現(xiàn)偏差，相應(yīng)激光斑點(diǎn)將偏離靶中心，測量靶圖像通過視頻傳送到操作臺的監(jiān)示器上，通過控制糾偏千斤頂?shù)纳炜s量，進(jìn)行頂進(jìn)方向的糾正，使頂管機(jī)始終沿激光束方向前進(jìn)。糾偏應(yīng)貫穿在頂進(jìn)施工的全過程，必須做到嚴(yán)密監(jiān)測頂管的偏位情況，并及時糾偏，盡量做到糾偏在偏位發(fā)生的萌芽階段。糾正偏差應(yīng)緩慢進(jìn)行，不得猛糾硬調(diào)。

4)觸變泥漿。頂進(jìn)過程中，需要經(jīng)常進(jìn)行壓觸變泥漿工作，以減少頂進(jìn)的阻力，觸變泥漿系統(tǒng)由拌漿、注漿和管道三部分組成。拌漿是把注漿材料兌水以后再攪拌成所需的漿液(造漿后應(yīng)靜置24 h后方可使用)。注漿是通過注漿泵進(jìn)行的，根據(jù)壓力表和流量表，它可以控制注漿的壓力(壓力控制在水深的1.1倍～1.2倍)和注漿量(計量桶控制)。注漿孔布置為:工具頭后4節(jié)管各設(shè)一道，之后每間距3節(jié)管設(shè)一道補(bǔ)漿孔。注漿流程:造漿靜置→注漿→頂管推進(jìn)(注漿)→頂管停頂→停止注漿。

5)中繼環(huán)接力頂進(jìn)。在頂進(jìn)過程中，隨著距離的增長，管道的摩阻力也隨之增大，主頂推力也隨之增大，管節(jié)強(qiáng)度和工作井的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不能滿足頂力時，需采取中繼環(huán)接力頂進(jìn)。中繼環(huán)內(nèi)均勻地安裝有許多臺小千斤頂，通過中間的小千斤頂?shù)纳斐鰟幼?，推動外套往前推出，外套向前推動管?jié)一段距離(如300 mm)后，又通過后部主頂推動管道運(yùn)動，使小千斤頂縮回復(fù)位。不斷往復(fù)運(yùn)動推進(jìn)管節(jié)，使整段管道向前推進(jìn)。

6)頂管機(jī)頂入接收井。在頂進(jìn)接近接收井前，先將接收井施工好等待頂管機(jī)的接收。同時，必須先復(fù)測本段管道的長度與設(shè)計長度相符，然后通過測量得知頂管機(jī)出口的具體位置，將接收井工具頭出洞位置的混凝土護(hù)壁鑿除。當(dāng)頂管機(jī)進(jìn)入接收井邊時，頂管機(jī)要快速頂進(jìn)，直至頂管機(jī)完全頂出接收井。如遇地下水豐富時，用棉紗堵塞住管和洞口間的空隙，等頂管機(jī)完全出洞后即用水玻璃或水泥漿壓住止水。

5 結(jié)語

頂管過程是一個復(fù)雜的力學(xué)過程，它涉及材料力學(xué)、巖土力學(xué)、流體力學(xué)、彈塑性力學(xué)等諸多學(xué)科。但頂管施工必須嚴(yán)格控制好頂管推力，而對頂管計算復(fù)核能夠準(zhǔn)確估計頂管的推力。該工程通過了嚴(yán)密的頂管計算，采取了先進(jìn)的頂管設(shè)備，成功高效地完成了該項(xiàng)目頂管施工的工作。

［1］何大鵬，陳 磊.頂管施工工藝及質(zhì)量控制［J］.山西建筑，2010，36(9):146-147.