泥水平衡頂管機(jī)穿越填土及孤石施工技術(shù)應(yīng)用

周雄威，曹亞奇，羅桂軍，李文龍，歐陽(yáng)天一

(中建五局土木工程有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

1 工程概況

南寧市軌道交通5 號(hào)線降橋站～金橋客運(yùn)站區(qū)間管線改遷工程中W13～W15段截污管道需穿越現(xiàn)狀道路及河道邊坡，埋深較深，采用機(jī)械頂管施工方式。該段長(zhǎng)度為109m，采用鋼筋混凝土鋼承口頂推管施工，管道埋深4.49～9.18m，管道穿越地層大部分為素填土地層，該地層以黏性土為主，夾少量碎礫石、砂土及植物根莖等，局部含有機(jī)質(zhì)及粉土，土質(zhì)不均勻。

2 設(shè)備參數(shù)

泥水平衡頂管施工對(duì)所施工頂管周圍土體擾動(dòng)小，易控制地面沉降，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)出土作業(yè)，頂進(jìn)速度較快，適合長(zhǎng)距離頂管施工。根據(jù)本工程地質(zhì)情況及下穿現(xiàn)狀道路施工安全的考慮，選用管徑?800mm 的NPD 型泥水平衡頂管機(jī)。主要參數(shù)如表1 所示，構(gòu)造如圖1 所示。

圖1 NPD800泥水平衡頂管機(jī)結(jié)構(gòu)圖

表1 NPD800泥水平衡頂管機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

3 泥水平衡頂管施工

3.1 作業(yè)井施工

作業(yè)井分為工作井（始發(fā)井）及接收井。本工程頂管施工從W13 往W15 方向頂進(jìn)，根據(jù)頂管始發(fā)、接收的作業(yè)空間及管節(jié)長(zhǎng)度考慮，W13設(shè)置7.0×3.6m 機(jī)械頂管工作井，W15 設(shè) 置5.0×3.6m 機(jī)械頂管接收井，工作井及接收井均采用逆作法分層開挖澆筑，每層開挖深度為1m。工作井結(jié)構(gòu)材料為C30 混凝土、抗?jié)B等級(jí)P6；接收井結(jié)構(gòu)材料為C35 混凝土、抗?jié)B等級(jí)P6。

3.2 后座墻施工

主頂站千斤頂與反力墻直接需設(shè)置后座，確定后座尺寸前，需先對(duì)管道的總頂力進(jìn)行估算。根據(jù)CECS 246-2019《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》管道總頂力可按下式估算。

式中F0——總頂力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；

D1——管道的外徑，m；

L——管道設(shè)計(jì)頂進(jìn)長(zhǎng)度，m；fk——管道外壁與土的平均摩阻力，kN/m2；

NF——頂管機(jī)的迎面阻力，kN。

估算出管道總頂力后，根據(jù)管道總頂力來(lái)確定后座的材料及尺寸，本工程實(shí)際采用高度2.0m，寬度3.6m 的C35 素混凝土后座。

3.3 管材選擇

常用的頂管管材主要有鋼筋混凝土管、鋼管、玻璃鋼夾砂管。本工程管道為污水管道，管內(nèi)水壓力較小，3 種管材都能滿足要求。但鋼管襯里及外防腐要求嚴(yán)格，必要時(shí)需作陰極保護(hù)，且與鋼筋混凝土管相比造價(jià)相對(duì)略高；而玻璃鋼夾砂管具有優(yōu)良的物理性能，但生產(chǎn)工藝復(fù)雜，單價(jià)較高；管材選擇還需考慮受力問題，管節(jié)允許頂力應(yīng)大于總頂力。根據(jù)以上因素，本工程實(shí)際采用鋼筋混凝土管Ⅲ級(jí)管，管徑800mm，管壁厚度為100mm，管節(jié)長(zhǎng)度2 000mm（帶注漿孔），頂管結(jié)束采用高壓注漿機(jī)噴注混凝土回灌，填充管道與土壤之間的空隙，并固結(jié)周邊土層。

3.4 泥漿制備

眾所周知，頂管的距離越長(zhǎng)，管壁與周圍土體的接觸面積越大，導(dǎo)致摩阻力越大。在無(wú)法改變接觸面積和土體壓力的情況下，我們只能通過降低摩擦系數(shù)來(lái)減小頂管摩阻力。

在目前施工中，最常見的就是采用膨潤(rùn)土觸變泥漿來(lái)降低摩擦系數(shù)。根據(jù)CECS 246-2019《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》膨潤(rùn)土觸變泥漿技術(shù)參數(shù)應(yīng)滿足表2。

表2 觸變泥漿技術(shù)參數(shù)

觸變泥漿可用于粘性土、粉質(zhì)土和滲透系數(shù)不大于10-5m/d 的砂性土，本工程地質(zhì)滿足觸變泥漿的使用條件，實(shí)際施工過程中，應(yīng)反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)比對(duì)，確定最優(yōu)配合比。本工程施工配合比為：膨潤(rùn)土∶水=1∶10.5=200kg∶2 100kg。

3.5 施工參數(shù)控制

1）頂力控制 頂管頂力是一個(gè)逐漸增大的過程，一開始進(jìn)洞時(shí)頂管只受到迎面阻力；進(jìn)洞后，頂管除了受到迎面阻力外，還收到管道外壁與土的摩阻力。根據(jù)公式(1)可知，在單一地層條件下，頂管的總頂力是線性增長(zhǎng)的。我們可以根據(jù)式(1)分別計(jì)算出迎面阻力F1（頂進(jìn)長(zhǎng)度為0m 時(shí)）與總頂力F2（頂進(jìn)長(zhǎng)度為設(shè)計(jì)長(zhǎng)度時(shí)），按照理論我們頂力應(yīng)該控制在F1～F2，考慮觸變泥漿的潤(rùn)滑作用，頂力應(yīng)略小于F2，控制在F1～0.75F2。實(shí)踐過程中，影響頂力的因素很多，施工單位技術(shù)水平高低、施工操作方法等都會(huì)對(duì)定力有影響，因此頂力估算公式是存在一定的誤差的，所以實(shí)際控制應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。本工程實(shí)際施工過程中頂管機(jī)頂推力控制在3 500kN 以內(nèi)。

2）泥水壓力 泥水平衡式頂管機(jī)是通過調(diào)節(jié)出泥艙的泥水壓力來(lái)穩(wěn)定開挖面的，所以泥水壓力的控制是泥水平衡式頂管機(jī)的重點(diǎn)。我們可以根據(jù)土力學(xué)主動(dòng)土壓力計(jì)算公式計(jì)算出頂管機(jī)刀盤處的主動(dòng)土壓力，根據(jù)土壓力來(lái)初步設(shè)定泥水壓力，考慮到土的孔隙率引起泥水壓力的損失，實(shí)際泥水壓力應(yīng)略大于土壓力，并根據(jù)地面監(jiān)測(cè)情況及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

3.6 遇孤石障礙物處理方法

本工程頂管施工頂進(jìn)至84m 后遇孤石障礙物，導(dǎo)致頂管機(jī)無(wú)法繼續(xù)頂進(jìn)，此時(shí)頂管機(jī)已穿過現(xiàn)狀道路處于人行道下方黏土地層中，埋深約9m。經(jīng)過地質(zhì)補(bǔ)勘顯示所遇障礙物為許多直徑不大的片石，現(xiàn)場(chǎng)采用放坡+鋼板樁支護(hù)開挖剩余25m 長(zhǎng)頂管段，然后用長(zhǎng)臂挖機(jī)移除頂管機(jī)前孤石障礙物，并對(duì)開挖頂管段內(nèi)的土進(jìn)行換填壓實(shí)，換填壓實(shí)完畢后頂管機(jī)繼續(xù)頂進(jìn)至W15 接收井完成頂管作業(yè)，此方法規(guī)避了基坑內(nèi)人工作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，不僅排除孤石障礙物的工效高，而且避免了頂管停機(jī)時(shí)間過長(zhǎng)而無(wú)法頂進(jìn)的風(fēng)險(xiǎn)。

如圖2 所示，鋼板樁型號(hào)WRU13 型，長(zhǎng)度為12m，截面為槽型，鋼板樁連接為套型鎖口。鋼板樁施打利用起重機(jī)與振動(dòng)錘配合。鋼板樁圍堰由鋼板樁和內(nèi)撐組成，內(nèi)撐系統(tǒng)有橫撐和對(duì)撐組成，橫撐采用400mm×100mm 的槽型鋼，對(duì)撐采用300mm×200mm 的H 型鋼，每隔6m 一道。橫撐與鋼板樁焊接，對(duì)撐與橫撐焊接，增加鋼板樁圍堰的穩(wěn)定性，鋼板樁內(nèi)間距2.5m。

圖2 開挖斷面示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

在本工程施工過程中，根據(jù)以上施工措施及參數(shù)，順利地完成了頂管施工，且工程質(zhì)量良好，希望對(duì)其它類似工程可以起到參考和借鑒的作用。