長(zhǎng)距離頂管頂力控制分析

□文/譚儒年 趙 棟

1 工程概況

薊運(yùn)河過(guò)河頂管工程穿越薊運(yùn)河，頂管距離為437m，頂管管徑為2000mm，管道埋深為12.7m，為華北地區(qū)一次頂進(jìn)距離最長(zhǎng)的頂管工程。頂管后背為鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)，主頂裝置由4臺(tái)200t等推力油缸和油泵站組成。由于薊運(yùn)河河底地質(zhì)情況復(fù)雜，伴隨著頂進(jìn)距離的增加，頂管摩阻力將持續(xù)增長(zhǎng)，一旦超過(guò)后背4臺(tái)主頂油缸所能提供的合力，則頂管不能繼續(xù)，因此有效控制頂力增長(zhǎng)的趨勢(shì)成為了保證頂管施工順利進(jìn)行的關(guān)鍵所在。

為了順利完成本次施工任務(wù)，進(jìn)行了科學(xué)的頂力計(jì)算，設(shè)置了中繼間并采用觸變泥漿進(jìn)行減阻，最終取得了良好的效果。

2 施工控制要點(diǎn)及實(shí)施方案

2.1 土壓平衡頂管頂力計(jì)算

頂管穿越土層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土，土層物理力學(xué)指標(biāo)：天然重度為18.1kN/m3，內(nèi)摩擦角為4.3°，粘聚力為14.0kPa。

參考GB50268—2008《給水排水工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》，頂力計(jì)算采用經(jīng)驗(yàn)公式Fp=πD0Lfk+NF

式中：fk——采用注漿工藝時(shí)，管道外壁與土的單位面積平均摩阻力，介于3～5kN/m2，本次取值為5kN/m2；

D0——管道的外徑，取2.4m；

L——管道的總體頂進(jìn)長(zhǎng)度，取437m；

Dg——頂管機(jī)外徑，取2400mm；

P——控制土壓力，取0.1N/mm2。

則土壓平衡頂管總頂力

根據(jù)頂力計(jì)算，在采用常規(guī)注漿工藝時(shí)，頂管總頂力超過(guò)了4臺(tái)主頂油缸的合力，若要保證頂管繼續(xù)頂進(jìn)，必須增設(shè)中繼間。

2.2 中繼間的設(shè)置

后背方向主頂設(shè)備采用4臺(tái)200t等推力油缸，可以提供8000kN的頂管推力，根據(jù)頂管頂力計(jì)算公式，則頂管段計(jì)算長(zhǎng)度。由于總體頂進(jìn)長(zhǎng)度為437m，為了保證頂管順利完成，至少需要增加2座中繼間。

本次頂管施工采用的中繼間內(nèi)部均勻設(shè)置16個(gè)50t的單程油缸，則每座中繼間的總推力仍為8000 kN。按照中繼間安放規(guī)律，當(dāng)總推力達(dá)到中繼間總推力的40%～60%時(shí)，就應(yīng)安放第一座中繼間，以后，每當(dāng)達(dá)到中繼間總推力的70%～80%時(shí)，安放一座中繼間。而當(dāng)主頂油缸達(dá)到中繼間總推力的90%時(shí)，就必須啟用中繼間。

2.3 觸變泥漿減阻

1）觸變泥漿配合比設(shè)計(jì)。所謂觸變泥漿就是膨潤(rùn)土的水溶液，在膨潤(rùn)土漿液中，用純堿作為分散劑，用纖維素（CMC）作為增粘劑，在不同的土質(zhì)中，應(yīng)采用不同的配方，才能滿足不同的需要。

由于薊運(yùn)河河底土質(zhì)較軟，滲透系數(shù)較大，為保證在頂管周圍形成完整的厚度均勻的泥漿套并防止觸變泥漿大量流失，經(jīng)研究決定在維持純堿、CMC和水的比例相對(duì)不變的情況下，提高膨潤(rùn)土含量，增加觸變泥漿的粘稠度，見(jiàn)表1。

表1 觸變泥漿配合比 kg

為提高泥漿的和易性及膠體率，在漿液配置過(guò)程中，將以上各種成分一起攪拌至少30min以上，讓其充分吸水、膨潤(rùn)，靜置1～2h待其充分膨潤(rùn)成漿狀即可使用。

2）改進(jìn)加壓系統(tǒng)、優(yōu)化注漿管路。短距離頂管，一般只在注漿泵上設(shè)隔膜壓力表，顯示漿液的壓力。對(duì)于本次長(zhǎng)距離頂管，由于漿液在泥漿管路行進(jìn)過(guò)程中延程損失較大，在管道最前方注漿孔處壓力與注漿泵出口壓力存在一定的差值。為防止注漿壓力過(guò)大，將河底穿透，在管道端部注漿孔處增設(shè)隔膜壓力表，以管道端部壓力表讀數(shù)表征注漿壓力，將注漿孔漿液壓力控制在0.1～0.12MPa，使注漿壓力的上限不超過(guò)管道上方覆土的承壓能力，保證河底安全。

為防止?jié){液回流，在每一個(gè)注漿孔中安裝一個(gè)單向閥，既保證觸變泥漿從管道外圍形成完整漿套，又降低了漿液的損耗。

為確保施工過(guò)程管段全程形成泥漿護(hù)套，靠近頂管機(jī)的三節(jié)管全部采用帶注漿口的管材，后面管材采用普通管材與帶注漿孔管材間隔設(shè)置的形式，每個(gè)中繼間設(shè)置獨(dú)立的注漿管路。為確保注漿效果，選用脈動(dòng)很小的螺桿泵，使?jié){液從空隙中被擠壓出來(lái)，漿套容易形成且容易保持。

頂進(jìn)時(shí)應(yīng)貫徹同步壓漿與補(bǔ)壓漿相結(jié)合的原則，工具管尾部的壓漿孔要及時(shí)有效地進(jìn)行跟蹤注漿，確保能形成完整有效的泥漿套。管道內(nèi)的壓漿孔進(jìn)行一定量的補(bǔ)壓漿，補(bǔ)壓漿的次數(shù)及壓漿量根據(jù)施工情況而定，尤其是對(duì)地表沉降要求高的地方，應(yīng)定時(shí)進(jìn)行重點(diǎn)補(bǔ)壓漿。

3 效果

頂管阻力主要由迎面阻力和管壁外周摩阻力組成，迎面阻力與頂管掘進(jìn)機(jī)的直徑和設(shè)定的土倉(cāng)壓力有關(guān)，而管壁外周摩阻力則隨著頂管長(zhǎng)度的增加而逐漸增大，當(dāng)土質(zhì)均勻，管壁外周摩阻力與頂管長(zhǎng)度之間應(yīng)該呈線性增長(zhǎng)之勢(shì)。

由于調(diào)整了觸變泥漿配合比，優(yōu)化了注漿管路，增加了止回閥，減少了泥漿的跑冒滴漏現(xiàn)象，泥漿減阻效果良好，后背頂力增長(zhǎng)緩慢。數(shù)據(jù)顯示頂管至52m時(shí)，油泵站壓力表讀數(shù)為4MPa，相應(yīng)頂管頂力為1000kN；而按照頂力計(jì)算公式，頂力應(yīng)為2411.52kN。比較而言，實(shí)際頂力為計(jì)算頂力的41.5%，由此可見(jiàn)，觸變泥漿減阻效果良好。

隨著后背頂力的逐漸增大，按照中繼間設(shè)置規(guī)律，在距頂管機(jī)52、140、220m位置先后設(shè)置3座中繼間，分別設(shè)置了注漿管路并加強(qiáng)了注漿控制，油泵站壓力表讀數(shù)由4MPa逐漸增大，到393m處（薊運(yùn)河南大堤）增大到26MPa，而后壓力表讀數(shù)維持在24MPa，直至頂管完成。

通過(guò)頂管頂力計(jì)算公式可以反算出，經(jīng)過(guò)改進(jìn)注漿工藝并優(yōu)化注漿管路后，管道外壁與土的平均摩阻力為1.84kN/m2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于頂力計(jì)算時(shí)5kN/m2的取值。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)進(jìn)行科學(xué)的頂力計(jì)算、合理的布置中繼間并優(yōu)化了觸變泥漿減阻系統(tǒng)，使得頂管頂力增長(zhǎng)趨勢(shì)緩慢，避免了啟動(dòng)中繼間，從而縮短了頂管工期，降低了施工成本。

［1］余彬全，陳傳燦.頂管施工技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2003.