復(fù)雜地質(zhì)大口徑頂管施工工藝研究

李維宇

摘 要：在廣州市黃埔區(qū)某電力隧道頂管工程項(xiàng)目施工中，由于施工所處區(qū)域地質(zhì)狀況復(fù)雜，地下管線及障礙物較多，加之頂管直徑較大，使得頂管施工難度較大，從而對(duì)頂管的頂進(jìn)速度、頂力控制、方向控制、進(jìn)出洞施工工藝控制以及泥漿指標(biāo)等都有嚴(yán)格要求。項(xiàng)目部通過對(duì)施工區(qū)域地質(zhì)條件進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查后結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)頂管施工中的關(guān)鍵施工工藝進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的施工工藝不但提高了頂管的施工進(jìn)度，而且也保證了頂管線性和位置的準(zhǔn)確性，同時(shí)也減少了施工對(duì)地下管線的影響，提高了施工的安全性。

關(guān)鍵詞：大直徑頂管 復(fù)雜地質(zhì) 位置準(zhǔn)確 安全

中圖分類號(hào)：U455.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-6903（2022）09-0025-03

1 工程概況

廣州市黃埔區(qū)某電力隧道頂管工程包含電力隧道敷設(shè)及沉井澆筑，其中沉井分別位于石化路和姬火路，隧道頂管位于石化路與姬火路之間。石化路與姬火路段新建電力隧道平面長(zhǎng)度197 m，頂管工作井1座，頂管接收井1座。頂管始發(fā)工作井（D1）里程SK0+104到頂管接收井（D2）里程SK0+301;頂管直徑為3.6 m。項(xiàng)目施工區(qū)域地質(zhì)狀況復(fù)雜，地下管線及障礙物較多，而且頂管直徑較大，使得頂管施工難度較大，頂管截面結(jié)果詳見圖1。

2 頂管系統(tǒng)布置

頂管系統(tǒng)主要有后背反力墻、頂進(jìn)導(dǎo)向支架、頂進(jìn)油缸、主頂油壓泵、進(jìn)出洞周邊止水帷幕等系統(tǒng)組成。本工程頂管施工采用MPV型刀盤式泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)，主頂采用4臺(tái)300 t千斤頂，在工作井內(nèi)的頂進(jìn)軸線后方，按需要對(duì)稱布置6只50 t單缸油缸，這樣既起到將兩端機(jī)頭連接在一起的作用，又可以起到在頂進(jìn)時(shí)隨時(shí)進(jìn)行糾偏的作用。在千斤頂前部導(dǎo)向軌上安放好所需頂進(jìn)的管節(jié)，然后機(jī)頭在前開路，管節(jié)依次壓入土體中。與此同時(shí)，前方刀盤將泥土切碎與水混合成泥漿，由泥漿管輸送出去。在管節(jié)快要完全壓入土中時(shí)，需吊裝另一節(jié)管與其進(jìn)行連接。然后繼續(xù)頂進(jìn)，上述工序重復(fù)進(jìn)行直至管道頂進(jìn)至設(shè)計(jì)位置。

工作井是頂進(jìn)作業(yè)區(qū)域，其主要布置有后背反力墻、頂進(jìn)油缸、油缸泵、導(dǎo)向軌道以及施工人員上下通道等。頂管基座可采用型鋼制作，基座安裝時(shí)需測(cè)量其中心軸線位置，確保其中心軸線與管道中心重合，確認(rèn)無(wú)誤后對(duì)其位置進(jìn)行固定[1]。導(dǎo)軌安裝在基座上，其中心位置也需與管道中心軸線相平行，導(dǎo)向軌道確認(rèn)無(wú)誤后加裝支撐，確?；€(wěn)定且無(wú)變形。

本項(xiàng)目后座墻采用寬4 m、高4 m、厚0.4 m的C35鋼筋混凝土，采用HRB400Φ16鋼筋編制為鋼筋網(wǎng)，縱橫向鋼筋間距均為10 cm，該種設(shè)計(jì)使后座墻具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，保證其在受頂力作用下不被破壞，利于充分發(fā)揮主頂千斤頂?shù)墓ぷ餍阅?，加快頂進(jìn)速度。緊貼后座墻，橫向密排布置40 cm×40 cm×500 cm方木，在方木外側(cè)豎立布置50號(hào)工字鋼作為墊鐵，千斤頂作用在墊鐵上。管節(jié)端口加裝弧形鐵保護(hù)管口，使管口受力均勻，防止產(chǎn)生應(yīng)力集中對(duì)管口造成損壞。詳見圖2。

3 頂力計(jì)算及后背墻土抗力

3.1 頂力計(jì)算

3.1.1計(jì)算頂管頂力時(shí)需考慮因素

計(jì)算頂管頂力時(shí)，需考慮如下因素：管節(jié)的材料受力性能、后背反力墻可承受的最大作用力、頂進(jìn)設(shè)備的工作性能，頂力應(yīng)位于上述因素受力范圍之內(nèi)，既要滿足頂進(jìn)所需的作用力，也要防止對(duì)頂管及其他設(shè)備產(chǎn)生損壞。

頂進(jìn)力阻力計(jì)算公式：Fp=πD0Lfk十NF[1]

式中 ：

Fp——頂進(jìn)時(shí)周邊阻力，kN;

D0——頂進(jìn)管道外側(cè)直徑，取3.6m;

L——管道總長(zhǎng)度，取最大頂進(jìn)長(zhǎng)度L =100 m（因?yàn)槌^100 m設(shè)置中繼環(huán)接力頂進(jìn)）;

fk——土體對(duì)管道外側(cè)的摩擦阻力，kN/m2。經(jīng)過試驗(yàn)，當(dāng)使用觸變泥漿時(shí)，管道外壁與土體之間摩擦力會(huì)大大減小，觸變泥漿在土體與管道之間形成一個(gè)穩(wěn)定且連續(xù)的保護(hù)套，因此當(dāng)采用觸變泥漿時(shí)，fk可直接取3.0～5.0 kN/m2。由于管道頂進(jìn)時(shí)采用周邊為觸變泥漿，泥漿套可大大降低摩阻力[2]。fk取最大值5.0 kN/m2。

NF——頂管機(jī)的迎面阻力，計(jì)算公式為：NF=πDgtR

式中：

Dg——頂管機(jī)外徑，mm;

t——工具管前部刃腳厚度，m;

R——擠壓阻力，KN/m2;

取Dg=3.474 m;取t=0.025 m;取R=500 kN/m2。

則頂進(jìn)阻力計(jì)算為：

Fp=πD0Lfk十NF

=3.14×3.6×100×500+3.14×3.474×0.025×500

=5732 kN

=573 t

3.1.2 理論頂力算

以100 m頂進(jìn)長(zhǎng)度計(jì)算：

F=F1+F2

F1=π/4×D2×P

F2=πDfL

式中：

F——總推力;

F1——迎面阻力;

F2——頂進(jìn)阻力;

D——管外徑，取最大值3.6 m;

P——控制土壓力，公式為：P=KO×R×HO

式中：

KO——靜止土壓力系數(shù)，一般取0.55;

HO——地面至掘進(jìn)機(jī)中心的厚度，取最大值10 m;

γ——巖土重量，取1.2-3 t/m3;

f——周邊土體摩阻力，取0.5 t/M2;

D——頂管外直徑3.6 m;

L——頂進(jìn)距離100 m;

則：P=0.55×3×10=16.5 t，

F1=3.14/4×3.6×16.51=46.7 t ，

F2=3.14×3.6×0.5×100=565t，

故：F=F1+F2=46.7+565=611.7 t<1 200 t

通過上述計(jì)算可得知：頂進(jìn)所需的最大推力為611.7 t，而頂進(jìn)設(shè)備為4臺(tái)300 t的千斤頂，因此其產(chǎn)生推力1 200 t完全滿足要求（尤其是采用觸變泥漿后，管道與土體之間摩擦力會(huì)大大減小，本項(xiàng)目觸變泥漿配比采用水：膨潤(rùn)土=8∶1，膨潤(rùn)土：CMC=30∶1）。

3.2 后背墻計(jì)算

后背安全系數(shù)的核算

土體的被動(dòng)土壓力計(jì)算公式為：

式中：p ——土壤的總被動(dòng)土壓力;

r ——土壤容重，取19.6 KN/m3;

Ф ——土壤的內(nèi)摩擦角度 ，取15.65°;

c ——土壤的粘聚力，取18.91 KN/m2;

h——天然土壁后背墻高度，取13.6m;

以上土質(zhì)參數(shù)是根據(jù)巖土勘察報(bào)告中的數(shù)據(jù)，按不同的土層厚度加權(quán)平均，計(jì)算得出。見表1。

則：

=2052 （kN/m）

頂進(jìn)時(shí)所需最大后背寬度：

式中：? B ——后背受力寬度;

F——頂管中的最大頂推力，取6117 kN;

P——土體被動(dòng)土壓力，取 2052 kN/m;

經(jīng)計(jì)算，頂管過程中，需要后背寬度為2.98 m，實(shí)際施工時(shí)后背寬度4 m，可以滿足施工需要。

4 頂管關(guān)鍵施工工藝及改進(jìn)改良措施

4.1 施工工藝流程

頂管施工全過程詳見圖3。

4.2 后座、導(dǎo)軌安裝

后墊鐵可在施工前進(jìn)行預(yù)制，采用2 cm厚鋼板焊接而成，外形為箱體，內(nèi)部進(jìn)行加勁焊接。在千斤頂與頂鐵之間增設(shè)一塊3 cm厚鋼板，其作用是將千斤頂集中應(yīng)力分散至墊鐵上，確保墊鐵受力更加均勻。后墊鐵基礎(chǔ)為40 cm高磚砌結(jié)構(gòu)。后墊鐵安裝后其與后背墻之間縫隙可采用水泥砂漿進(jìn)行填充，避免后背墻因受力集中產(chǎn)生破壞。

導(dǎo)向軌可采用45型標(biāo)準(zhǔn)鐵路軌制作，導(dǎo)向軌安裝后需線性平順且與管道方向平行等高。允許偏差為：軸線位置≤3 mm，軌面標(biāo)高≤3 mm;軌間距≤2 mm。

4.3 頂管糾偏

在頂管機(jī)中心位置設(shè)置測(cè)量靶，激光測(cè)量?jī)x產(chǎn)生的激光點(diǎn)照射靶心位置，當(dāng)頂進(jìn)時(shí)激光點(diǎn)與靶心偏離時(shí)，根據(jù)偏離值對(duì)頂管機(jī)進(jìn)行糾偏，糾偏依靠6臺(tái)千斤頂?shù)乃a(chǎn)生的頂力偏差值來進(jìn)行，從而使得頂進(jìn)方向改變，確保其中心位置與設(shè)計(jì)中心位置相重合。糾偏時(shí)不可用力過猛，應(yīng)緩慢分節(jié)分段進(jìn)行。

頂管位置監(jiān)控檢測(cè)應(yīng)從始至終進(jìn)行，中途不得間斷，使得頂管中心與設(shè)計(jì)中心位置偏差處于可控范圍內(nèi)，確保頂管管道線性滿足要求。糾偏儀器所架設(shè)的位置應(yīng)牢固且不影響施工，在檢測(cè)過程中也需每隔一段時(shí)間對(duì)井口投射點(diǎn)和控制點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核。沉井內(nèi)臨時(shí)控制點(diǎn)或水準(zhǔn)點(diǎn)必須按照要求進(jìn)行布設(shè)，當(dāng)有一處點(diǎn)被損壞時(shí)需及時(shí)補(bǔ)點(diǎn)復(fù)測(cè)。見圖4。

4.4 中繼環(huán)頂進(jìn)

當(dāng)頂管管道距離過大時(shí)，其周邊土體所產(chǎn)生的摩擦阻力也會(huì)隨之增大，當(dāng)阻力與頂力相等時(shí)，此時(shí)管道便無(wú)法頂進(jìn)，而且頂力會(huì)超過管體本身的受力極限，從而造成管道損壞，因此當(dāng)管道較長(zhǎng)時(shí)設(shè)置中繼環(huán)進(jìn)行接力頂進(jìn)[3]。由于石化路與姬火路之間管道長(zhǎng)度為197 m，因此需采用設(shè)置中繼環(huán)接力頂進(jìn)，頂進(jìn)方向?yàn)镈1井往D2井方向，在頂管機(jī)端部距離100 m處設(shè)置中繼頂，中繼環(huán)內(nèi)均勻地安裝有20臺(tái)60 t小千斤頂。見圖5。

4.5 頂管機(jī)穿墻頂入接收井

頂管機(jī)頂入接收井是一項(xiàng)關(guān)鍵的施工環(huán)節(jié)，由于管道距離地面較深，使得進(jìn)出口位置水壓較大，加之周邊地質(zhì)較差，多為淤泥或流沙等，僅采用深層水泥旋噴樁進(jìn)行洞口加固和止水，其效果較差。針對(duì)此情況，本項(xiàng)目對(duì)洞口的止水結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在沉降墻體澆筑前，預(yù)先將一個(gè)圓臺(tái)形（喇叭形）鋼盒預(yù)埋在墻體內(nèi)，該鋼盒外徑比頂管外徑大20 cm，鋼盒內(nèi)部填充1∶5的水泥黃粘土拌和料，確保鋼盒內(nèi)部受壓時(shí)無(wú)變形，當(dāng)頂管機(jī)頭從預(yù)留孔通過時(shí)，機(jī)器外壁與孔壁之間土體受到擠壓，從而使得土體密實(shí)，防止外部泥漿等噴射至井內(nèi)[4]。

當(dāng)頂管穿越井壁墻體時(shí)，此時(shí)井外泥水由于壓力較大會(huì)噴涌至井內(nèi)，從而使得周邊土體產(chǎn)生坍塌，因此洞口位置的止水要求很高。將鋼套環(huán)法蘭焊接在沉井井壁預(yù)埋的鋼盒上，然后將橡膠止水法蘭采用螺栓固定在鋼套環(huán)上。當(dāng)井外側(cè)泥漿或水噴涌時(shí)，可將法蘭上的螺栓擰緊，從而達(dá)到止水效果。若上述措施不能起到完全止水效果，將管道與洞口之間的縫隙采用棉紗進(jìn)行堵塞，頂管機(jī)完全進(jìn)入洞內(nèi)后對(duì)周邊土體注射水泥漿或水玻璃進(jìn)行止水處理。

5 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)頂管施工中的關(guān)鍵工序進(jìn)行改良和改進(jìn)，不但提高了頂管的施工進(jìn)度，而且也確保了頂管線性和位置的準(zhǔn)確性，同時(shí)也減少了對(duì)地下管線的影響，保證了施工安全。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用，改進(jìn)后的頂管施工工藝在復(fù)雜地質(zhì)大直徑頂管施工中取得很好的效果。此方法為后續(xù)類似施工提供了借鑒和參考。

參考文獻(xiàn)

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