土壓平衡頂管機在衛(wèi)東電排站擴建工程頂管施工中的應用

熊璟龍

（南昌市水利電力建設公司，江西 南昌 330000）

1 問題的提出

紅谷灘新區(qū)衛(wèi)東電排站擴建工程（豐和立交泵站擴建工程）位于南斯友好路與紅谷灘新區(qū)豐和大道的交叉口處，衛(wèi)東電排站設計排澇流量23.46 m3/s，總裝機容量為2520 kW。泵站規(guī)模屬中型，泵站等別為Ⅲ等，主要建筑物級別3 級，次要建筑物級別4 級，臨時建筑物的工程級別為5 級。擴建泵在豐和立交東北面綠化帶內(nèi)，占地約400 m2，設計流量為1.22 m3/s，與現(xiàn)狀雨水泵站共同服務立交范圍內(nèi)7.6 hm2的匯水面積。匯水范圍內(nèi)同時增加兩條收水邊溝，提高地面集水能力。泵站出水采用壓力出水，壓力管經(jīng)南斯友好路向東輸送至紅谷中大道路口，采用重力流繼續(xù)向東排往贛江。

紅谷灘新區(qū)衛(wèi)東電排站擴建工程地下市政管線交錯布置，地上市政建筑較多，開挖施工必將影響道路質(zhì)量，給車輛行人通行造成諸多不便，為解決電排站擴建工程施工所帶來的不利影響，應當考慮非開挖頂管技術，即不開挖或少開挖的情況下，充分利用巖土鉆進技術及千斤頂?shù)耐屏⒐ぞ吖軓淖鳂I(yè)坑穿透至接收坑，再進行管道鋪設、更換與修復，非開挖技術不影響地上交通，不污染環(huán)境，比開挖施工工期短，綜合成本低。

此外，衛(wèi)東電排站地層主要有人工填土、區(qū)內(nèi)廣大地區(qū)為第四系沖擊層所覆蓋層，下伏為第三系紅層。場地地表水系發(fā)育，堤溝內(nèi)、塘密布，場地水文地質(zhì)條件較簡單，地表水主要為烏沙河水和堤內(nèi)水塘水，水位隨大氣降水和季節(jié)性變化。地表水主要為孔隙潛水，主要賦存于砂、礫層中，主要受烏沙河水側(cè)向補給及大氣降水垂直下滲補給，含水量豐富，埋深較淺，略具承壓性。泵房設計底板高程11.40 m，其基底座落于中砂層之上，承載力可滿足要求。但由于砂類土具中等透水性，基坑開挖時存在涌水冒砂現(xiàn)象，需采取降排水處理措施（井點降水）。

土壓平衡頂管法能有效解決傳統(tǒng)頂管所導致的路面破壞、建筑物沉陷、地下管線斷裂等問題，其對于軟弱地層地下管道頂進施工較為適用，故而本工程擬采用土壓平衡頂管施工技術。

2 土壓平衡頂管施工設計

2.1 頂管機械選型

根據(jù)工程地質(zhì)條件及土質(zhì)特點，選用大口徑多刀盤土壓平衡頂管機，板式刀盤開口率為35%，其面板在頂進施工過程中能有效阻擋土體，實現(xiàn)土體壓力平衡，最大限度縮小地面沉降，再通過大口徑螺旋輸土機徹底排除粒徑100 mm 以內(nèi)的礫石。

本工程所采用的對于軟土地層較為適用的外徑2000 mm的大口徑多刀盤土壓平衡頂管機械，其結構簡單（見圖1），四個刀盤均勻布置于其土壓倉內(nèi)，并通過隔艙板處所安裝的減速器驅(qū)動，刀盤在土體切削過程中還能同時攪拌土體。頂管機下部設置螺旋輸送機喂料口，刀盤所切削掉落的土體則經(jīng)由喂料口排出。在隔艙板的作用下，頂管機殼體前部被分隔為土壓倉與動力倉兩個部分，阻礙了地下水滲入的可能，也就是說此種型式的土壓平衡頂管機械能在地下水位以下頂管施工而不受地下水入滲的影響。頂管機刀盤切削土體的面積僅為其全斷面面積的60%，其余部分土體則主要通過擠壓、攪拌而最終排出輸送機，所以，該類型頂管機械也只對含水量大的軟土層適用[1]。

圖1 大口徑多刀盤土壓平衡頂管機結構示意圖

2.2 頂力計算

按照《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》（GB 50268-2008）相關規(guī)定[2]，機械頂管頂力按下式計算：

式中：Fp為機械頂管頂力，kN；D0為頂管外徑取 2.00 m；Dg為頂管機外徑，取 2.02 m；L 為頂距，m，取 260.5 m；fk為單位面積內(nèi)頂管外壁與土體阻力平均值，取8.0 kN/m2；Nf為頂管機迎面阻力，kN；P 為掘進倉內(nèi)壓力取100 kN/m2。經(jīng)計算，本工程頂管機迎面阻力Nf為320.28 kN，頂力設計值Fp為13407.8 kN。

考慮到頂管管口土體承載力及節(jié)省施工成本，提高工效，本工程選用4 臺300 t 的頂鎬設備，再加設一套中繼間。

2.3 頂管施工方案設計

J1 至J2 段穿越豐和立交匝道，為不影響交通且管道埋深大，該段采用頂管施工，管徑D1220×10 直縫卷焊壓力鋼管，管長38.6 m。Y3 檢查井至贛江出水口處Y9 改為重力流出水，因紅谷中大道交叉口、贛江中大道交叉口現(xiàn)狀管線較多，且管道沿線周邊綠化設施建設較好，因此該段采用頂管施工方法，管徑D1500 頂管用F 型鋼筋砼管，管長702 m。

根據(jù)設計圖紙，可采用的方法有兩種，一是泥水平衡式機械頂管法，二是土壓平衡頂管法。在實際施工過程中，出于加快施工進度的目的并考慮到地下施工有一定的不可預測性，對于在實際頂進中泥水平衡法對地面或道路造成坍陷等不利于工程安全情況下，則采取土壓平衡頂管法施工方案。頂管施工過程中，可能會產(chǎn)生地下情況不明，如遇大塊石，需要停止頂管作業(yè)，人工進入管內(nèi)將地下塊石打碎掏取出來，或遇管線，則人工采取措施支撐好管線，如遇到管頂覆蓋層較薄或者地質(zhì)情況不好，引起塌陷，則需要進行換填處理，恢復覆蓋層。

3 土壓平衡頂管施工技術要點

對于頂管施工可能引起地面或道路坍陷等不利于工程安全的工況，應采用土壓平衡頂管法施工，以下對紅谷灘新區(qū)衛(wèi)東電排站擴建工程（豐和立交泵站擴建工程）土壓平衡頂管施工技術要點進行探討。

3.1 頂進前的準備

紅谷灘新區(qū)衛(wèi)東電排站擴建工程施工前，必須嚴格按照地勘報告進行施工工藝的確定，并組織相關人員加強施工設計圖紙、規(guī)范標準等的學習和技術交底。土壓平衡頂管法施工應先由測量人員劃出頂管軸線兩側(cè)5 m 范圍再次進行地質(zhì)勘查，并核對地質(zhì)條件是否發(fā)生新的變化，對于地質(zhì)勘查結果與設計不符或突發(fā)不良地質(zhì)等，必須擴大勘查范圍再次勘查。

3.2 管道頂進及糾偏

3.2.1 初始頂進

紅谷灘新區(qū)衛(wèi)東電排站擴建工程（豐和立交泵站擴建工程）J1 段到第三節(jié)砼管全部入土的施工全過程都為初始頂進過程，初始頂進是頂管施工的關鍵性環(huán)節(jié)。本工程初始頂進分為破洞、頂管機入土及連接砼管和機頭管三步。在進行破洞施工前，必須確保洞口設置充足的防土體塌方措施，本工程施工場區(qū)土質(zhì)為均勻黃土，進行頂進施工時，必須在洞口用磚砌筑并封門，本工程采用高壓旋噴樁砂土施工技術。破除封門之后，開動頂管機刀盤，并通過主頂油缸將頂管機緩緩推入土體，在頂管機入土施工的過程中，必須通過在頂管機兩側(cè)設置角撐以控制頂進速度的方式預防刀盤嵌入沙土內(nèi)卡住不轉(zhuǎn)但頂管機殼體照樣選裝情況的發(fā)生。連接頂管機頭部后方的機頭管與砼管，使其構成一個整體以加強頂進段高程及中心線的控制。以上包括破洞、頂管機入土及連接砼管和機頭管等步驟在內(nèi)的初始推進過程完成后必須安排進行初始推進施工效果的全面檢測，并繪制測量數(shù)據(jù)線，為頂管施工質(zhì)量分析提供基礎性材料。

為保證頂管施工初始頂進施工質(zhì)量，必須按正常方向進行校正并在首節(jié)砼管和頂管機后殼體未連接時糾偏。此種情況下頂管殼體前部已嵌入土體，但后部仍位于導軌，糾偏過程中必須確保殼體前部的穩(wěn)定性。

3.2.2 頂管機刀盤轉(zhuǎn)速及扭矩控制

頂管機頂進施工的過程中，必須基于土質(zhì)的變化及實時頂進施工效果調(diào)整和控制刀盤轉(zhuǎn)速及扭矩。對于正常頂進施工進程而言，刀盤必須調(diào)至高轉(zhuǎn)速及中扭矩檔位，以保證切削及泥土攪拌效果。切忌直接停止刀盤回轉(zhuǎn)，應先暫停頂進進程，待刀盤自行空轉(zhuǎn)運行3 min～5 min，期間密切觀察和測定工作電流與油壓，待電流與油壓回落后再停止刀盤。如果期間所觀察到的刀盤工作電流與油壓存在異常升高，則應嚴控頂進速度，直到其工作電流和油壓降至平穩(wěn)狀態(tài)后再按設計速度頂進施工。如遇頂管機頭自轉(zhuǎn)不停，則應調(diào)整刀盤回轉(zhuǎn)方向至與機頭自轉(zhuǎn)同向后糾正機頭自轉(zhuǎn)偏移。

3.2.3 糾偏

糾偏是頂管施工質(zhì)量控制的關鍵性環(huán)節(jié)，若操作有誤便會導致頂進壓力驟變、管節(jié)接口破損，甚至影響正常頂進施工，造成巨大的經(jīng)濟損失，對于砂層頂進施工而言，因泥水過渡沖刷頂進管進而會導致機頭下沉。

進行機頭及其連接工具管出洞施工前，由于機頭連接管并未處于導軌位置，所以即使出現(xiàn)高程和中心線偏差也應忽略。待機頭連接管出洞后，若其高程和中心線誤差超出±2 cm 范圍后，應考慮通過監(jiān)視器內(nèi)光點位置的變動按照“先中心線，后高程”的原則進行糾偏，時刻控制糾偏施工角度，并將油缸伸出量控制在2 cm 以內(nèi)。若監(jiān)視器內(nèi)光點運動速度放緩或出現(xiàn)反向運動趨勢，則應縮回油缸，停止糾偏。

3.3 管節(jié)安裝及棄土

管節(jié)運到現(xiàn)場后，施工技術人員要檢查管節(jié)的規(guī)格、外觀質(zhì)量及尺寸是否符合圖紙要求及國家標準[3]的有關規(guī)定，發(fā)現(xiàn)裂縫、接口掉角等缺陷，不得使用。管道安裝通常通過機械+人工協(xié)助的方式完成下管，下管全過程必須派專人指揮，確保整個下管過程穩(wěn)吊輕放，并在管壁處設置墊襯，以充分保護管壁完好。

頂管機刀盤切削后的土體在擠壓作用下經(jīng)由挖掘艙進入螺旋輸送機和土砂泵，最終經(jīng)由管道泵直接輸送至井外的棄土箱內(nèi)。

3.4 注漿施工

在頂管機頂進過程中，必須進行施工場內(nèi)水文地質(zhì)條件的徹底調(diào)查，選用合適的注漿方法及注漿泵，本工程選用螺桿式注漿泵注漿以及單管法旋噴注漿加固施工方式。將旋噴管提升，直到噴嘴達設計標高后，再使其自下而上運行，到其距離孔口約0.5 m 時，降低提升速度。在上述過程中若出現(xiàn)不冒漿或冒漿斷斷續(xù)續(xù)的情況，對于松軟土質(zhì)乃正?，F(xiàn)象。選擇優(yōu)質(zhì)的觸變泥漿材料，并適當增大觸變泥漿濃度，但膨潤土、水、純堿CMC 稠度等各項指標必須滿足設計要求。

注漿過程中應控制泥漿壓注壓力的限制，一旦觸變泥漿壓注壓力持續(xù)降低，且低于設計壓力，則必將因管外側(cè)壓力超出注漿壓力而導致觸變泥漿難以注入管道，更無法形成泥漿套；相反，如果觸變泥漿壓注壓力高出設計壓力則容易產(chǎn)生冒漿，增大泥漿流失量，也不易形成泥漿套；同時會因過高的壓力作用于泥漿管而增加管周圍的正壓力，增大頂進推力。

4 結論與討論

綜上，與手掘式頂管施工方法相比，土壓平衡頂管施工是機械式頂管施工模式，其對于各類土質(zhì)均較為適用，且無需采取其他施工輔助手段。在運用土壓平衡頂管施工的過程中，通過頂管機刀盤進行機內(nèi)土壓艙正面土體的切削與支承，從而對開挖面的土壓力及水壓力產(chǎn)生抵擋而穩(wěn)定土體。通過設置頂管機的頂速和切削量，達到控制螺旋輸送機轉(zhuǎn)速和排土量的目的，并借助土倉內(nèi)壓力及螺旋輸送機排土功能達到地下水壓力和土壓力之間的平衡，并減少頂管施工對正面土體可能的擾動及地面沉降變形。此外，土壓平衡頂管施工過程中所排出的棄土含水量少，無需泥水分離，更無須二次處理。土壓平衡頂管施工技術開挖面穩(wěn)定，地形變形小，與氣壓式及泥水式施工環(huán)境相比，其施工環(huán)境較好，棄土處理方便。

本工程沉井頂管施工設備安裝技術要求高、施工難度大，為本工程的重點和難點，為確保頂管施工質(zhì)量，必須編制周密的施工組織計劃，合理安排施工流程，加強安全管理，采取切實有效的施工措施，解決施工難點。為保證土壓平衡頂管施工技術優(yōu)勢的發(fā)揮及工程施工質(zhì)量，必須加強頂管機械選型以及對管道頂進及糾偏、管節(jié)安裝及棄土、注漿施工等過程的控制。