泥水平衡頂管機穿越填土施工技術(shù)應(yīng)用

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[摘要]結(jié)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(shè)備選型、泥漿制備、控制參數(shù)以及孤石障礙物處理等工法進(jìn)行研究分析，取得了良好的施工效果，該施工技術(shù)可供類似工程參考。

[關(guān)鍵詞]泥水平衡；頂管；長距離；填土；孤石；障礙物；施工技術(shù)

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(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(jìn)速度較快，適合長距離頂管施工。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。主要參數(shù)如表1所示，構(gòu)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(jìn)，根據(jù)頂管始發(fā)、接收的作業(yè)空間及管節(jié)長度考慮，W13設(shè)置7.0×3.6m機械頂管工作井，W15設(shè)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(jié)構(gòu)材料為C30混凝土、抗?jié)B等級P6；接收井結(jié)構(gòu)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(shè)置后座，確定后座尺寸前，需先對管道的總頂力進(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。 F0=pD1Lfk+NF （1）式中 F0——總頂力標(biāo)準(zhǔn)值，kN； D1——管道的外徑，m； L——管道設(shè)計頂進(jìn)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(jù)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(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，必要時需作陰極保護(hù)，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(chǎn)工藝復(fù)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(yīng)大于總頂力。根據(jù)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(jié)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(jié)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(dǎo)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(shù)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(shù)。根據(jù)CECS 246-2019《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》膨潤土觸變泥漿技術(shù)參數(shù)應(yīng)滿足表2。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，實際施工過程中，應(yīng)反復(fù)進(jìn)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(shù)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(jìn)洞時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的。我們可以根據(jù)式(1)分別計算出迎面阻力F1（頂進(jìn)長度為0m時）與總頂力F2（頂進(jìn)長度為設(shè)計長度時），按照理論我們頂力應(yīng)該控制在F1～F2，考慮觸變泥漿的潤滑作用，頂力應(yīng)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(shù)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(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際情況來進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。本工程實際施工過程中頂管機頂推力控制在3500kN以內(nèi)。2）泥水壓力泥水平衡式頂管機是通過調(diào)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(jù)土力學(xué)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(jù)土壓力來初步設(shè)定泥水壓力，考慮到土的孔隙率引起泥水壓力的損失，實際泥水壓力應(yīng)略大于土壓力，并根據(jù)地面監(jiān)測情況及時進(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)致頂管機無法繼續(xù)頂進(jìn)，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(jīng)過地質(zhì)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(hù)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(nèi)的土進(jìn)行換填壓實，換填壓實完畢后頂管機繼續(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，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(jìn)的風(fēng)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(nèi)撐組成，內(nèi)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(nèi)間距2.5m。

4結(jié)語

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