泥水平衡頂管機穿越填土施工技術應用

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[摘要]結合南寧市軌道交通5號線降橋站～金橋客運站區(qū)間管線遷改工程中采用泥水平衡式頂管機長距離穿越填土地層過程中遇孤石障礙物的工程實例，對施工過程中的頂管機設備選型、泥漿制備、控制參數以及孤石障礙物處理等工法進行研究分析，取得了良好的施工效果，該施工技術可供類似工程參考。

[關鍵詞]泥水平衡；頂管；長距離；填土；孤石；障礙物；施工技術

1工程概況

南寧市軌道交通5號線降橋站～金橋客運站區(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，采用機械頂管施工方式。該段長度為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，局部含有機質及粉土，土質不均勻。

2設備參數泥水平衡頂管施工

對所施工頂管周圍土體擾動小，易控制地面沉降，可實現(xiàn)連續(xù)出土作業(yè)，頂進速度較快，適合長距離頂管施工。根據本工程地質情況及下穿現(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。主要參數如表1所示，構造如圖1所示。

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，根據頂管始發(fā)、接收的作業(yè)空間及管節(jié)長度考慮，W13設置7.0×3.6m機械頂管工作井，W15設置5.0×3.6m機械頂管接收井，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。工作井結構材料為C30混凝土、抗?jié)B等級P6；接收井結構材料為C35混凝土、抗?jié)B等級P6。

3.2后座墻施工

主頂站千斤頂與反力墻直接需設置后座，確定后座尺寸前，需先對管道的總頂力進行估算。根據CECS 246-2019《給水排水工程頂管技術規(guī)程》管道總頂力可按下式估算。 F0=pD1Lfk+NF （1）式中 F0——總頂力標準值，kN； D1——管道的外徑，m； L——管道設計頂進長度，m； fk—— 管道外壁與土的平均摩阻力，kN/m2; NF——頂管機的迎面阻力，kN。估算出管道總頂力后，根據管道總頂力來確定后座的材料及尺寸，本工程實際采用高度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格，必要時需作陰極保護，且與鋼筋混凝土管相比造價相對略高；而玻璃鋼夾砂管具有優(yōu)良的物理性能，但生產工藝復雜，單價較高；管材選擇還需考慮受力問題，管節(jié)允許頂力應大于總頂力。根據以上因素，本工程實際采用鋼筋混凝土管Ⅲ級管，管徑800mm，管壁厚度為100mm，管節(jié)長度2000mm（帶注漿孔），頂管結束采用高壓注漿機噴注混凝土回灌，填充管道與土壤之間的空隙，并固結周邊土層。

3.4泥漿制備

眾所周知，頂管的距離越長，管壁與周圍土體的接觸面積越大，導致摩阻力越大。在無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來減小頂管摩阻力。在目前施工中，最常見的就是采用膨潤土觸變泥漿來降低摩擦系數。根據CECS 246-2019《給水排水工程頂管技術規(guī)程》膨潤土觸變泥漿技術參數應滿足表2。觸變泥漿可用于粘性土、粉質土和滲透系數不大于10-5m/d的砂性土，本工程地質滿足觸變泥漿的使用條件，實際施工過程中，應反復進行試驗比對，確定最優(yōu)配合比。本工程施工配合比為：膨潤土∶水=1∶10.5=200kg∶2100kg。

3.5施工參數控制

1）頂力控制頂管頂力是一個逐漸增大的過程，一開始進洞時頂管只受到迎面阻力；進洞后，頂管除了受到迎面阻力外，還收到管道外壁與土的摩阻力。根據公式(1)可知，在單一地層條件下，頂管的總頂力是線性增長的。我們可以根據式(1)分別計算出迎面阻力F1（頂進長度為0m時）與總頂力F2（頂進長度為設計長度時），按照理論我們頂力應該控制在F1～F2，考慮觸變泥漿的潤滑作用，頂力應略小于F2，控制在F1～0.75F2。實踐過程中，影響頂力的因素很多，施工單位技術水平高低、施工操作方法等都會對定力有影響，因此頂力估算公式是存在一定的誤差的，所以實際控制應根據現(xiàn)場實際情況來進行適當的調整。本工程實際施工過程中頂管機頂推力控制在3500kN以內。2）泥水壓力泥水平衡式頂管機是通過調節(jié)出泥艙的泥水壓力來穩(wěn)定開挖面的，所以泥水壓力的控制是泥水平衡式頂管機的重點。我們可以根據土力學主動土壓力計算公式計算出頂管機刀盤處的主動土壓力，根據土壓力來初步設定泥水壓力，考慮到土的孔隙率引起泥水壓力的損失，實際泥水壓力應略大于土壓力，并根據地面監(jiān)測情況及時進行調整。

3.6遇孤石障礙物處理方法

本工程頂管施工頂進至84m后遇孤石障礙物，導致頂管機無法繼續(xù)頂進，此時頂管機已穿過現(xiàn)狀道路處于人行道下方黏土地層中，埋深約9m。經過地質補勘顯示所遇障礙物為許多直徑不大的片石，現(xiàn)場采用放坡+鋼板樁支護開挖剩余25m長頂管段，然后用長臂挖機移除頂管機前孤石障礙物，并對開挖頂管段內的土進行換填壓實，換填壓實完畢后頂管機繼續(xù)頂進至W15接收井完成頂管作業(yè)，此方法規(guī)避了基坑內人工作業(yè)的風險，不僅排除孤石障礙物的工效高，而且避免了頂管停機時間過長而無法頂進的風險。如圖2所示，鋼板樁型號WRU13型，長度為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與振動錘配合。鋼板樁圍堰由鋼板樁和內撐組成，內撐系統(tǒng)有橫撐和對撐組成，橫撐采用400mm×100mm的槽型鋼，對撐采用300mm×200mm的H型鋼，每隔6m一道。橫撐與鋼板樁焊接，對撐與橫撐焊接，增加鋼板樁圍堰的穩(wěn)定性，鋼板樁內間距2.5m。

4結語

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

作者:周雄威 曹亞奇 羅桂軍 李文龍 歐陽天一 單位:中建五局土木工程有限公司