市政管网小管径泥水平衡顶管机顶进参数控制

张磊,彭富波,王准，李围

(1.中国水利水电第十四工程局有限公司,云南 昆明,650041；2.上海应用技术大学 轨道交通学院，上海，201418)

城市早期的市政道路雨污水网络工程建设中，许多市政雨污水管网出现了不少工程质量问题[1]，严重影响相关的雨水与污水的收集排放，对市民的生活造成了较大影响，所以，必须完善城市地下截污管网，如目前正在建设的东莞市水生态建设五期工程常平镇范围管网工程。该工程污水管道长约84.145 km，其中顶管段长6.884 km，采用泥水平衡顶管机顶进，其穿越的主要地层为粉质黏土层。在顶管机顶进过程中需要确定顶进参数，如果顶进参数控制不好，将导致顶进力不足、开挖的掌子面不能保持平衡，严重影响顶进作业安全和施工进度，因此，有必要进行顶进参数计算与控制研究。

在顶管法顶进参数方面，关于顶进力的研究比较多[2-6]，而关于顶进面阻力计算的研究比较少[7]。从目前的文献可以看出，未有从地层特性出发推导泥水平衡顶管机顶进力的计算公式。因此，基于顶管机穿越的粉质黏土层建立顶进力的技术公式，然后计算顶进速度、泥水平衡压力以及触变泥浆的注入压力，并提出顶进参数控制措施，确保东莞市水生态建设五期工程常平镇顶管段的顺利施工，同时为今后类似工程提供参考。

1 依托工程概况

常平镇2018—2020批次截污管网为东莞市水生态建设项目五期工程(第一标段)的1个子单位工程，施工范围涉及寒溪河西部片区、寒溪河东部片区、广梅汕铁路北部片区和广梅汕铁路南部片区4大片区。该标段管网工程顶管施工长度共计6.884 km，不同型号的管径参数统计见表1。顶管采用Ⅲ级钢筋混凝土管，其管径有DN500，DN600和DN800 3种类型，其中DN800型管道总长3 800 m，DN600型管道长1 499 m，DN500型管道长1 585 m。管道的坡度为5‰～5%，埋深为3.55～7.16 m。

表1 管网参数统计Table 1 Parameter statistics of pipe network

根据区域性地质资料和周边场地地勘报告，结合工程特点，常平镇10 m之内的地层自上而下分布的主要地层有素填土、杂填土、粉质黏土(部分地段夹杂淤泥质黏土)、细砂和中粗砂。顶管穿越粉细砂层段长292 m，砂质黏土层段长429 m，粉质黏土层段长6 163 m，穿越粉质黏土层占顶管工程的89.53%，说明顶管机主要穿越粉质黏土层。

场地地下水主要贮存于填土层中的上层滞水和贮存于第四系砂土层中的孔隙潜水，在强风化岩层中贮存少量基岩裂隙水。地下水受邻近地表水影响，主要接受大气降水下渗补给及周围地表水侧向补给，以蒸发及地下径流的方式排泄。勘探期间测得陆地钻孔地下初见水位埋深为0.3～1.7 m，相应的标高为1.28～20.26 m，地下静止水位埋深为0.6～2 m，相应的标高为0.98～19.96 m。地下水位的常年变化幅度为0.5～1.5 m，水位主要受地形地貌、大气降水、自然蒸发及季节性等因素的影响而变化。

顶管始发井为矩形，矩形井外包长×宽为8.7 m×5.7 m、内净空长×宽为6.3 m×4.3 m，见图1。最深的沉井刃脚至顶板之间的最大距离为12.1 m。采用沉井法施工，第一节施工刃脚部分，第2节施工以上井筒部分，井内挖土排水下沉，C30混凝土封底，待沉井强度达100%即可开挖施工。

图1 始发井结构剖面图Fig.1 Structural profile of starting shaft

2 顶进参数控制

2.1 顶进力

2.1.1 粉质黏土层中顶进力计算公式

顶管机穿越的主要地层为粉质黏土层，泥水平衡顶管机的顶进力最小值为顶管机顶进过程刀盘和管道所受阻力的总和，包括顶管机刀盘正面泥水压力和管壁摩擦阻力。粉质黏土层采用水土合算的方式，则通过顶进阻力可计算出顶进力的最小值如下：

(1)

式中：1.4为荷载系数；k为被动土压力系数；γ为土的饱和容重，kN/m3；H为刀盘中心埋深，m；D为刀盘外径，m；f为管壁摩擦力系数，kN/m2；D1为管道的外径，m；L为顶进管道的长度，m。

2.1.2 顶进力计算

粉质黏土层的孔隙比为0.9；天然密度为1 900 kg/m3；含水量为32.9%。饱和容重计算为rsat=eg/(1+e)+ρg/(1+w)=19.033 kN/m3，被动土压力系数计算为k=tan2(45°+φ/2)=1.352，顶进力计算结果见表2。

表2 不同管径顶进力计算结果Table 2 Calculation results of jacking force for pipes of different diameters

2.1.3 主顶油缸选用

主顶油缸选用2台2 000 kN级油缸，每只油缸的推力控制在90%的最大推力为1 800 kN，则总推力为3 600 kN，大于所需顶进力的最大值3 553.66 kN，满足顶进力要求。

2.2 顶进速度

顶进速度的快慢可防止顶管机顶进过程中掌子面塌陷，保证顶管机切削土量和泥浆进泥量与排泥量的循环保持平衡，即刀盘的削土量与净的排泥量相同。顶进速度计算公式如下：

v=(Q排-Q进)/(πR2γ)

(2)

式中：v为顶进速度，m/min；Q排为排泥量，m3；Q进为进泥量，m3；R为顶管机半径，m；γ为刀盘转速，r/min。

本工程顶管机进排泥管直径为0.1 m ，泥水的流速大于临界流速2.4 m/s，即排泥量需大于1.13 m3/min。顶管机半径为0.49 m，刀盘转速为1 r/min。取排泥量为1.13 m3/min,进泥量为1.12 m3/min，则顶进速度为0.042 m/min。在顶管机顶进中可通过调节主顶液压站油压来控制主顶千斤顶每分钟伸出量，达到顶进速度控制为0.042 m/min。

2.3 泥水平衡压力

2.3.1 泥水平衡压力计算

为了平衡顶管机施工中掌子面的水压力，可通过调整泥水仓中的泥水压力略大于地下水压力来实现，从而避免掌子面前方的土层涌入泥水仓，导致开挖面土体失稳，甚至造成土方超挖。泥水平衡压力的计算公式如下：

P=0.5(P2+P5)=0.5[γw(h2+Δh)+γw(h1+Δh)+γh3]

(3)

式中：P为泥水平衡压力，kPa；P2为顶部的泥水压力，kPa；P5为底部泥水压力，kPa；γw为水的容重，kN/m3；h1为地下水位与顶管机底部的高差，m；h2为顶管机顶部与地下水位的高差，m；Δh为泥水仓的泥水压力高出地下水的水头差，m；γ为泥浆的容重，kN/m3；h3为顶管机的外径，m。

地下水位深1 m，Δh=1.53 m，h2=5.47 m，h1=6.45 m，h3=0.98 m，泥浆的容重取为11 kN/m3，水的容重取为9.8 kN/m3，计算得出顶管机泥水平衡压力P为78.792 kPa。

2.3.2 泥水平衡压力控制

泥浆在顶管机开挖的掌子面形成泥膜，具有较好的止水性，防止掌子面前方的地下水通过泥膜涌入泥水仓。同时，泥浆的进出通过容重的差来实现排渣功能，即排出的泥浆浓度大于进泥管输入的泥浆的浓度，其浓度相差越大，则排出的渣土就越多。在顶管机顶进施工中，其泥浆循环系统的排泥泵功率固定不变，通过变频器控制进泥泵电机的转速来稳定泥水仓压力，实现控制进泥的流速与流量。顶管机停止顶进时，开启旁通阀让泥浆进行小循环实现泥水仓的压力平衡。

2.4 触变泥浆注浆压力

2.4.1 触变泥浆

触变泥浆是顶管施工中起减阻作用的主体，应具有一定的黏度,这一方面可以防止泥浆从管道围岩土层渗漏掉，另一方面黏度较高的泥浆便于形成润滑膜封闭在顶管机和管节的周围实现减阻的作用，要求泥浆的黏度必须大于 30 s，容重为1.1 g/cm3。触变泥浆的采用添加了多种聚合物的钠基膨润土与水按一定的比例混合搅拌而成，能有效提高触变泥浆的悬浮性、护壁性和润滑性，且其造浆率高、渗漏率低。经现场试验配比(质量比)设计，膨润土与水的质量比为30∶1 000。

触变泥浆配制采用大叶片叶轮对膨润土与水的混合液进行充分搅拌，每桶泥浆搅拌完成后需放入贮浆箱内静置2 h，让膨润土充分吸水，达到最佳的减阻效果后再使用。

2.4.2 触变泥浆注浆压力计算

触变泥浆注浆压力的计算公式如下：

P=γw×H1+γ×H×tan2(45°-ψ/2)-2C×tan(45°-ψ/2)

(4)

式中：P为触变泥浆压力，kPa；γw为水的容重，kN/m3；H1为顶管机顶部以上的水柱高，m；γ为土的重度，kN/m3；H为管道覆土厚度，m；ψ为土的内摩擦角；C为土的凝聚力，kPa。

粉质黏性土的凝聚力为8.6 kPa，内摩擦角为8.6°，经计算得出触变泥浆注浆压力P=62.485 kPa。取实际注浆压力为计算值的1.6倍，即注浆压力控制值为0.1 MPa。

2.4.3 触变泥浆注浆压力控制

在顶管机尾部和注浆泵出口的注浆管上设有隔膜式压力表监控注浆压力，并在注浆泵出口设有流量表监控注浆量。在顶管机尾部均匀布设有4 个注浆孔，同时在顶管机后面的3节管段上与设有注浆孔。注浆的原则为“先注后顶、随顶随注、及时补浆”，且每个管节均设有注浆孔，增加注浆的均匀性。顶管施工完成后2 d内每隔2 h加注1次触变泥浆，每次注浆时间为15 min。

3 结语

结合东莞市水生态建设项目五期工程常平镇范围管网工程，基于水土合算、被动土压力系数和顶进力安全系数，建立了粉质黏性土顶管机顶进力的计算公式。通过计算得出了顶进力、顶进速度、泥水压力以及触变泥浆注浆压力的控制值，并提出顶进参数控制措施，确保东莞市水生态建设五期工程常平镇顶管段的顺利施工，同时为今后类似工程提供参考。