汾东商务区十号线3 m 雨水顶管施工技术

李志强

(太原市市政工程总公司第三工程公司，山西 太原 030002)

1 工程概况

太原市汾东商务区十号线3 m雨水顶管管段的实施范围为:道路K0+040～K1+680，长约1.64 km。雨水管材采用钢承口式钢筋混凝土管，单井双排顶进，双管中心间距7.6 m。雨水顶管工作井、接收井设计情况见表1。

表1 雨水顶管工作井及接收井布置表

2 工作井、接收井施工工艺

2.1 沉井施工工序

施工准备→测量放样→开挖浅基坑→铺砂垫层→绑扎刃脚钢筋→刃脚内外模板→支刃脚外模板→浇筑刃脚混凝土→养护→拆除刃脚模板→挖土、下沉→绑扎(1，2，3，4模)钢筋→支模板→浇筑井壁混凝土→养护→拆除→浆砌砖墙井壁→井周围回填。

2.2 沉井下沉

沉井下沉方法根据地下水位情况采用排水下沉方法，井周围施工前先管井降水，沿井周围适当布置降水井。当沉井沉至设计标高后，将井内泥面粗平，平铺片石，再浇筑C15封底素混凝土垫层。绑扎底板钢筋并浇筑C35底板混凝土。为防止沉井周围地面沉降、塌陷，在沉井周围10 m范围内进行注浆。

3 顶管施工工艺

3.1 施工流程

主千斤顶顶进时，以工具管开路，推着管段穿过工作井的穿墙洞把管道压入土中。与此同时，工具管头部的刀盘旋转切削前方土体，使泥土进入工具管内的泥水平衡舱中。当千斤顶达到最大行程后，全部缩回，放入顶铁，千斤顶继续顶进。当工具管和第一节管段几乎全部顶入土中后，吊去全部顶铁，再将第二节管段吊入，装上橡胶止水、钢套环等，顶接在第一节管段的后面，继续顶进，同时用泥浆泵出泥。

泥水平衡式掘进机外径比混凝土管外径大10 mm，分为前后两节，中间用校正油缸联接，可以进行方向校正。掘进机的前端有一只刀盘。刀盘上的刀是用来切削土体和一些强度较低的障碍物，如腐烂的木桩及三合土等。刀盘的另一个作用是用来平衡土压力。刀盘上外圈周围分布着钨金刀头，无论刀盘是正转还是逆转都能切削前面的土体。由于切削的渣土是用泥水带走的，泥水的比重必须保持在1.03～1.30之间，而且必须有一定的压力。这个泥水压力应该比掘进机所处地层的地下水压力高出20 kPa，不会使地下水流失。

采用泥水平衡顶管必须要解决泥水的二次处理问题。通常采用自然沉淀方式来进行泥水处理。具体做法是制造三只泥水处理箱，它们的总体积在20 m3左右。而且高度应该一只比一只高。最低的一只安装进水泵，进出的渣土泥水先送到最高一只箱子里，让其自然沉淀，经过沉淀后的多余的泥通过溢流进入第二只箱子中，渣土经过第二只箱子沉淀以后泥水再向第三只箱子溢流，最后，经过自然沉淀的泥水只要其比重不大于1.3，则可继续利用。如果其比重大于1.3，则需加水稀释。

3.2 顶力控制

1)工作井内主顶油缸布置。在工作井内左右对称均衡布置6台主顶油缸，主顶油缸采用等推力双冲程200 t油缸，每台油缸的最大推力200 t，最大行程为3 000 mm，可以用溢流阀来调定油压力，使顶管工作井内的主顶油缸总推力不超过1 200 t。

2)推力计算。以本工程Y－69～Y－77DN3 000最大顶距的顶力计算为例，总长为347 m。

其中，F，F1，F2，F3分别为总推力、正面阻力、机头摩阻力、顶进阻力。

其中，P1为正面土压力;d为管外径，取3.6 m;L1为机头长度，取4 m;P主=γ0×H1×tg2(45°－ψ/2)=7.08 t/m2;P被=γ0×H1×tg2(45°+ψ/2)=12.39 t/m2，γ0为浮容重，取0.8 t/m3，H1为地面至掘进机中心的厚度，取13.51 m，ψ为等代摩擦角，此处取8°;P1=2/3(P被－ P主)+P主=10.6 t;F1=3.14 ×3.62×13.51/4=137.4 t。

其中，F2为未采取注浆工艺的机头外壁与土层间的摩擦力;Pv为管顶以上土压力，Pv=γ × H2=1.8 ×11.71=21.078 t/m2，γ为土的容重，取1.8 t/m3，H2为管顶的覆土厚度，为 11.71 m;Ph为管壁上土的侧向水平压力，Ph=Pv×tg2(45°－ψ/2)=15.92 t/m2，ψ为等代摩擦角，此处取8°;D为管节外径，取3.6 m;L为机头长度4 m;W为机头自重，取30 t;F为管壁与土层的摩擦系数，根据土的类别和不同含水量取用，此处取0.6;K为系数，当管道位于潮湿或复杂的土层时，取K=2。F2=F×[K×(Pv+Ph)×D×L+W]=0.6 ×[2 ×(21.078+15.92) ×3.6 ×4+30]=657 t。

其中，f′为管节浮在浆套中的摩阻力，取0.4 t/m2;L为顶距，取347 m;F3=3.14 ×3.6 ×0.4 ×347=1 569 t，即每顶进1 m 顶力上升 4.5 t。

因此，总推力 F=137.4+657+1 569=2 363.4 t。

主顶油缸选用6台200 t(2 000 kN)级油缸。系统总推力为1 200 t。而顶管工作井允许最大顶力为1 000 t，故当顶力超过1 000 t时，应启用中继环顶进。

3)后座反力的计算。后座墙采用计算尺寸为:高×宽×厚=5 m×5 m×0.5 m的钢筋混凝土背墙，后座的反力按以下公式计算:

其中，R为总推力反力;B为后座墙宽度;a为系数，取1.5～2.5;r为土的容重，kN/m3;H为后座墙的宽度;KP为被动土压系数，按以下公式计算:KP=tg2(45°+φ/2)，其中，φ为内摩擦角，此处为18°，KP=tg2(45°+φ/2)=tg2(45°+18/2)=1.9;c为土的内聚力，kPa;h为地面到后座墙顶部土体的高度，此处取9+1－5=5 m，后座的反力

经计算总顶力小于后座反力，但从安全角度考虑顶进法施工只能采取允许顶力的80%左右，这样管道的允许顶力为80%×11 703.83=9 363 kN，满足要求。

3.3 各区间中继环设置表

各区间中继环设置参数见表2。

表2 各区间中继环设置表

3.4 顶进管道接口处理

在处理管子接口时，首先是橡胶止水圈应安装妥贴，要安装在正确的位置上。橡胶圈套上以后，要用一根φ6 mm～φ8 mm的短钢筋插入到橡胶圈与槽口之间，把橡胶圈挑起，然后让φ6 mm～φ8 mm的短钢筋沿槽口顺管子转1圈～2圈。

3.5 泥水平衡控制

对于土压平衡来说，先计算出各顶管段的开挖中心处的主动土压力和被动土压力，然后将掘进机的土压力设定在此主动土压力和被动土压力之间，如果设定值偏高，可使推进速度提高，反之则可减慢，通过调节推进速度，使土压力保持平衡，当推进速度过快，迎面土压力超过极限，面板式大刀盘即后缩，直到限位开关断电，掘进机停电，这是一个土压力自动平衡系统。对于泥水平衡来说，我们可以根据掘进机开挖中心处的地下水压力值，将泥水系统(开挖面处)的压力控制在大于地下水压力20 kPa，从而排除地下水对挖掘面的影响。