土压平衡顶管机在砂层顶管中的应用

宋环涛 吕琛琛

摘要：随着我国社会的不断发展，在城市化建设中工程建设占据着一个比较重要的位置，并且深受国家和人们的密切关注。工程项目建设质量的好坏将直接影响整个城市化建设的工作进程。土压平衡机械顶管施工是市政管道铺设的一项新技术，它省却了降水，地面沉降小，对地面构筑物的稳定性影响小，施工不影响地面交通，顶进速度快。本文以工程实例为背景,详细论述了土压平衡顶管方法在松散砂层中的顶管中的顶进施工关键技术控制措施,总结出了施工技术及参数指标,为同类工程施工提供一些经验 。

　　关键词：土压平衡机；顶管；砂层；应用

引言

随着社会的不断发展，土压平衡顶管在我国的顶管施工中大量应用，在施工技术上、顶管设备制造方面取得了很大的进步，但是传统的人工掘土顶管因存在一些安全和质量事故隐患已不能满足施工需要。目前大多采用机械顶管，机械顶管分为气压平衡顶管、土压平衡顶管和泥水平衡顶管。土压平衡顶管施工适用于不同地质条件的各类管道施工，具有顶距长、地面隆沉小、施工安全、不需要其他辅助措施、可穿越重要公路、铁路、建筑物等特殊工程地段优点。因此，土压平衡顶管施工受到到业内人士和技术人员的青睐，被采用的越来越多。

1土压平衡顶管基本原理

土压平衡顶管是以土压平衡为工作原理的一种顶管施工方法。在工作时，通过大刀盘及仿形刀盘对机头正面土体的全断面切削，利用主顶设备把机头向前推进，把切削下来的泥土挤进机头土压仓内，通过调节机头顶进速度和螺旋输送机的转速来控制土压仓内的压力，其排土量与掘进机头切削刀盘破碎下来的土的体积处于一种平衡状态，由此减少对正面土体的扰动，减少地表沉降与隆起。在砂层顶管中,如何建立起土压平衡、保持挖掘面稳定是施工关键, 土压平衡顶管机通过控制螺旋输送机排土速度、对挖掘面土体进行注浆改良土体结构等措施，达到了控制地面隆沉和顶进质量的目的。

2.工程概况

新疆伊犁河北岸干渠与某公路交叉建筑物工程（BAGQ）在K100+715-100+803处穿越清伊高速交叉点，交叉点处存在四路并行，由北至南顶管依次穿过乡道、清伊高速公路、G218、Z778专线，交叉处清伊高速公路里程桩K15+253.424=干渠K100+725.591，顶管采用倒虹吸型式，为有压流管道，进出口分别顺接在建明渠。顶管采用3排DN2400钢筋混凝土管顶进，管道水平净距5m，单管长106m，总顶进长度318m。

土压平衡机械顶管适用的土质范围非常广，它可以使用于N值为0的淤泥，也可以使用于N值为50的砂砾及卵石层，几乎是一种全土质的顶管掘进机，是其他机型所无法比拟的。与泥水式顶管施工相比，最大的特点就是排除的土或泥浆一般都不需要在进行泥水分离等二次处理，施工占地小，对周围环境污染也很小。

3.工艺流程

结合本工程的实际情况和借鉴以往类似工程的施工经验，依据图纸和相关规范、验收标准、操作规程，制定了施工工艺流程。土压平衡顶管工艺流程示意图如下图所示：

图 土压平衡顶管工艺流程示意图

4.施工参数计算

4.1顶力计算
　　影响顶力的因素很多、覆土层厚度、管径和管重、管长、管道与周围土层的摩擦系数、减阻措施效果等，计算方法有多种，顶力计算采用《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB50268-2008）进行计算，验算步骤如下：

FP=π·D1·L·fK+NF

式中：

FP ——顶进阻力（KN）

D1 ——管道外径（m），取2.88m；

L ——管道的计算顶进长度（m），取106m（D1～E1）；

fK ——管道外壁与土的单位面积平均摩阻力（KN/m2），通过试验确定，取5.0 KN/m2；

NF ——顶管机的迎面阻力（KN），不同类型顶管机的迎面阻力应按表6.3.4-1选则计算式；

NF=π/4×D2×P ，其中P=K0×г×H0=0.55×19×4.17=43.58KN/m³

NF=π/4*2.88*2.88*43.58=283.75KN

FP=π*2.88*106*5.0+283.75=5076.646KN

经验算，D2400mm管道最长段106m总顶进阻力为5076.646KN。

千斤顶设备选型，根据土质状况和顶管长度及摩擦系数，经计算，D2400mm管道选用了200T×6的千斤顶为主顶，能够满足顶力的要求。

4.2 后背计算
　　后背应具有足够的强度、刚度和稳定性，不允许发生相对位移和弹性变形。忽略后座的影响，假定主顶千斤顶施加的顶进力是通过后座墙均匀地作用在工作坑后的墙体上，为确保后座在顶进过程中的安全，后座的反力或土抗力R应为的顶进阻力的1.2～1.6倍，反力R可采用以下公式计算：

R——总推力之反力，KN；

α——系数，取α=1.5～2.5，取2.0；

B——后座墙的宽度，取5.0m；

γ——土的容重，17.9KN/m3；

H——后座墙的高度，取5m；

Kp——被动土压系数,取2.04；

c——土的内聚力，Kpa，取28.3；

h—地面到后靠墙顶部土体的高度，m。

D2400mm管道后座的反力或土抗力R为8122.6336KN＞总顶进力5076.646KN的1.2～1.6倍。经验算，后背墙满足设计要求。

4.3管材的许用顶力

本次顶管工程，管材按设计要求采用Ⅲ级钢筋混凝土管道，钢承口橡胶圈接口型式。加压面的中心即顶力作用中心应与管壁中心重合，否则在管壁上除产生压应力外，还会引起其他应力的产生，如拉应力、弯曲应力和剪应力等，容易造成管壁的破坏。

混凝土管道的许用顶力通常查找（JC/T640-2010）附录A，通过查表得知Ⅲ级钢筋混凝土D2400mm管道许用顶力为13100kN，大于最大总顶力5076.646kN，即时满足使用要求。施工时，将采用同等级注浆管顶进，以便过程中注浆，减小允许应变。

5.施工技术措施

5.1顶管机出洞措施

顶管机从工作坑内进入土层称出洞，顶管机的出洞是顶管施工的关键节点，应采取以下几点措施确保顶管机正常地进入土体：

（1）开洞门。将洞口处的混凝土墙壁凿除，人工向前挖土500～800 mm，再将机头缓缓推进洞口里，开洞门之前，止水环必须安装完毕，采取了防止洞口砂层塌方的措施。
　　（2）顶管机入土。开动顶管机刀盘，用主顶油缸徐徐把顶管机推入土中， 在顶管机进入土体过程中，入土前两米顶进时，顶进速度控制在 5mm/min以下，以防机头整体旋转，并观测机头倾角和旋转变化，及时修正和调整。

（3）在机头重心未离开轨道前，将第一节管、中继环和机头用高强度螺栓连接起来，形成一个整体,控制顶进段的高程和中线，防止机头“扎头”。
　　（4）导轨铺设时在穿墙洞口内通过预埋件安装导轨延伸段，防止机头进入土体后由于力矩的不平衡头部向下。

5.2泥浆减阻及稳固

在顶管施工中, 减小管道与周围土体的摩擦力，降低顶进阻力的最好的的措施就是向管道与土体之间进行注润滑泥浆，注浆可以使管周外壁形成泥浆润滑套。本工程顶进地质为砂层，管壁与砂的摩擦力大，为了减小顶进阻力，采取以下措施：
　　（1）本工程注浆采用膨润土泥浆。主要指标为造浆率、失水量和动塑比。
　　（2）注浆管与一般管道搭配比为1:1。注浆管每节管设置注浆孔3个，注浆孔在管内0°/90°/270°布置，注浆孔采用DN50不锈钢管带翼环在管节预制浇筑时预埋，注浆完成后应立即封堵注浆孔。
　　（3）浆液配制、搅拌、膨胀时间,必须按照规范进行, 使用前必须先进行试验。

（4）注浆方式要以同步注浆为主, 补浆为辅。注浆时按照先压后顶、随顶随压、及时补浆的原则，补浆应按顺序依次进行，每班不少于2次循环，定量压注。

（5）在顶进过程中, 严格执行顶管注浆操作规程，由专人操作，质量员检查严格把好质量关。
　　（6）为保证注浆质量，防止浆液外漏，在顶进方向的墙壁上安装止水环。

5.3测量监控及纠偏措施

（1）监测内容具体有：

① 周边道路沉降及隆起跟踪监测；

② 邻近地下管线的沉降及隆起监测；

③ 邻近建筑物的沉降、裂缝观察、倾斜监测；

（2）顶进纠偏
　　① 不间断地观察光靶上激光点的行走轨迹，如发生偏移大于20毫米，预测机头又有向偏差大的方向发展的趋势时，要采取纠偏措施。纠偏时开动纠偏千斤顶。纠偏的原则是勤纠、微纠，当上下、左右均发生偏差时，先纠上下、后纠左右。

②防止在接收井出现扎头现象，采取以下措施：
　　①在接收井内底部浇筑低强度混凝土底板，把导轨延伸到工作井内，把土压平衡顶管机机头托起。
　　②在机头完全进入接收井后再解除与第一节混凝土管的连接。

结束语

本工在施工过程应地制宜、采取合理、先进施工技术措施，顺利的完成了顶进施工，达到了预期的目的。随着国家基础建设投资越来越多，土压平衡顶管的适用性强、占地小、环境污染小、对周围的构筑物影响小，土压平衡顶管的应用会越来越广泛，通过本工程总结了顶管施工技术及各项参数指标, 希望为同类工程施工提供一些借鉴参考。

参考文献

　[1]胡莉萍.市政给排水施工中长距离顶管施工技术研究[J].建材与装饰，2015（47）：20-21.

　[2]葛全科，沈水龙.现代顶管施工技术及工程实例［M］. 北京：中国建筑工业出版社，2009.