大口径顶管穿越浅埋高水位淤泥层河道施工技术研究

冯新涛FENG Xin-tao

（中铁十二局集团第一工程有限公司，西安710038）

0 引言

顶管施工作为一种先进的非开挖施工技术，可在确保地表不被破坏的情况下施做地下管道的敷设，故顶管技术在我国城市市政网管施工中逐渐得到推广和应用。但地下工程具有地质情况复杂多变，周边环境对施工质量及安全的影响因素多，顶管施工涉及多种学科技术的综合运用，如何制定出科学合理、适用于具体实际情况的顶管方案对施工技术人员是极大的考验，本文通过施工实例，介绍了针对各种不利情况下，顶管工艺的选择及具体措施的运用，期望总结和积累的经验能够给其它项目带来一些借鉴。

1 工程概况

徐州市彭祖大道快速路-会议中心段项目的污水管网工程大龙湖桥节点采用“倒虹吸”设计，水平导向穿越既有大龙湖支流河道，本次实施的水平定向穿越距离为92m，管径为DN1350；设计河底标高距离顶进管顶标高最低为2m，地下水水位标高超管道轴线标高5.6m左右。

查阅岩土工程勘察（详勘），穿越层地质为黏土层及含砂姜黏土层。由于经年承载河道，河底下部土层淤泥化明显，土压承载力较差。砂姜主要粒径约为0.3～5cm，局部见大于10cm砂姜，含量约15～35%，局部富集成层。对顶进机头选择要求较高。

设计穿越标高为现有河道既有浅埋淤泥层，对于DN1350大口径管网顶进施工期间对洞门封堵止水、土压平衡、精度控制、防渗漏等方面面临巨大考验。

2 顶管方案设计

2.1 顶力计算及千斤顶选型

确保顺利顶进，并达到精准度控制的要求，需采用足够的顶力，并有足够富余值以应对可能出现的异常情况而增加顶力的情况出现，确保快速、顺利完成顶进。DN1350管节顶进总推力的理论计算如下。

①顶管机头端部泥水压力按下式计算：

式中：F1为泥水施加于顶管机端面的压力荷载；D为顶管机结构的外径；P为泥水施加于顶管机端面的最大压力值，该值受地下水状况、土体湿密度及土体摩擦角等有关，P按顶管机端面距顶面以下2/3处的被动土压力值。

式中：γ为顶管处土体容重，1.9t/m3；H为管节上部覆土层高度，取本项目最高值9.0m；φ为土体的内摩擦角，取值18°；按最不利顶进工况进行顶进机头端面土泥压力的计算，计算得P=17.5t/m2。将数据代入，计算得F1=3.14*1.35*1.35/4*17.5=25.0t。

②管壁摩擦阻力计算。

管壁摩擦阻力计算式如下：

式中：L为顶管最大长度，本项目按95m；f为管壁与土体间综合摩擦系数，该值受地下水状况、土体湿密度及土体摩擦角等有关。根据地质勘察资料及本项目设计情况，f保守取值为1.0t/m2。计算得F2=402.7t。

③总阻力计算及千斤顶配备。

总阻力F=F1+F2=25+402.7=427.7t。

为了确保顶力足够，并有富余应对特殊情况，千斤顶按70%总顶力不低于计算总阻力进行配备。本工程拟采用2个320T千斤顶施工，2×320×0.7=448t＞427.7t满足施工要求。因为顶进距离适中，采用的千斤顶总顶力大于理论计算顶力，故不需设置中继顶。

④顶进后背承载验算。后背采用C30混凝土浇筑，承受最大顶为427.7t，C30砼的轴心抗压强度fc=15N/mm2，千斤顶与后背墙间垫放了一块尺寸为2m×2m×0.05m的钢板，则钢板后背能承受的最大顶力荷载为1500×2×2=6000t，完全能够满足施工要求。

2.2 顶进工作井及接收井设计

顶进工作井、接收井的结构均设计成矩形，工作井内部净空尺寸为5m×8m，深8.2m，井壁厚40cm，后背墙厚度为1.0m，井壁及后背墙内均设置双层钢筋。后背墙与千斤顶间设2m×2m×0.05m的钢垫板；接收井内部净空为4m×4m，深8.5m，壁厚40cm，壁内也设置双层钢筋网。两井的池壁、池底及后背墙均采用C30砼浇注。

顶进工作井及接收井采用间距为1.0m的Φ800灌注桩进行基坑围护，灌注桩外围采用间距0.6m的Φ850三轴水泥搅拌桩止水。因井底为河床淤泥，采用压注浆加固，加固厚度为3m。

2.3 顶进洞门及止水装置设计

本项目顶进洞门距离地面较深，且位于高水位的淤泥层，顶进进洞时，极易发生泥土及泥浆从管节外壁与井壁间的间隙流入工作井内，甚至引起洞门处土体坍塌的事故，故需在以上间隙处设置止水防渗漏装置，本项目采取的止水防渗漏装置如图1所示。

图1 顶进洞门止水防渗漏装置结构示意图

沿顶管顶出的洞门预埋钢环，在钢环上钻设圆孔，以通过螺栓安装止水装置，本项目止水装置为折页式，由橡胶帘布、压紧垫板和扇形钢板等构成，达到止水、防漏浆的效果。

预埋钢环的安装精度为关键工序，施工时需严格按图纸的设计位置及要求进行定位和预埋。

2.4 顶管机选型及工作原理

根据设备参数、以往施工经验、现场土质（淤泥含砂姜），选用了集成先进技术的信息化及智能化的DNP1350泥水平衡顶管机，并精心进行配套设备和控制仪器、仪表的配置。并于顶管机刀盘上焊接能轻易切削硬岩的滚刀，以确保顺利穿过富集砂姜层。

泥水平衡顶管施工原理：顶管机前端的刀盘转动刀削作用下，把砂石破碎，并设置1根钢管注入水而形成泥浆，经由排浆管排出泥浆，设置离心器进行泥浆的离心脱水后运弃至弃土场，分离出的水则输送至储水箱重复利用。

3 顶管施工关键技术

3.1 装置安装

3.1.1 导轨安装

在工作井顶板上设置安装导轨的钢横梁，精确定位的钢横梁与井底的预埋铁件焊接牢固，横梁上铺设采用2[36a槽钢制作的导轨，导轨与横梁焊接固定，确保导轨稳固，并在导轨上涂黄油。

3.1.2 安放千斤顶

后背墙前垫尺寸为2m×2m×0.05m的钢板。采用2台320t的千斤顶，千斤顶固定支架采用型钢制作，为确保顶力的合力线与管道设计轴线重合，千斤顶着力点对称、水平布置在管节同一直径上。

3.1.3 吊装顶进机头及联结管路、仪器

采用50t汽吊将顶管机下缓缓下放至导轨上，将顶管机与首节管节连接，安装完成管路及配置设备后，进行设备试运行，以检测系统的安装的正确性、匹配性、安全性。

3.2 进洞

顶管进洞是顶管的关键工序，存在事故多发的现象。

当系统调试确认无误后，人工用风镐将封堵进洞洞门的砖墙约1/2厚度凿除，再利用顶管机头的刃口将剩余砖墙顶破后进洞。因本项目采取的洞口止水措施得当，没有出现洞口间隙的泥水渗漏现象。

3.3 正常顶进过程中蛇行控制

3.3.1 顶进速度控制

对顶进速度的良好控制有利于顺利顶进及保证精准度，在开始2～3节管节顶进及机头出洞时，速度宜放缓，稳打稳扎。顶进正常后，宜将顶进速度逐渐提高至合适值后，保持恒定速度，避免过大波动。并同时使切口水压也保持稳定，泥水的排、注畅通稳定。

根据实际施工经验，正常顶进条件下，顶进速度设定为2.5～3.5cm/min为宜；如正面遇到障碍物或地基加固土，顶进速度控制在1cm/min内。在穿越大龙湖支流河床下时，将顶进速度放缓，同时严格控制注浆压力，避免注浆压力过大而贯通河床。

顶进施工时，需确保润滑泥浆的工作系统运行良好、稳定，且每个管节注入的润滑泥浆注数量与顶进速度相匹配。

3.3.2 顶进方向及姿态控制

因地下水位较高，顶管处为地基承载能力差的河床淤积的黏土层，虽然采取搅拌桩对进洞洞门处的土体进行了加固，但为了确实保证机头顶进后不会栽头，而采取机头方向稳固措施，即在机头进洞顶进时，设置拉杆将机头与后续5节管节拉紧固定形成整体，同时，每隔1m设置1道手拉葫芦将上述形成整体的机头和管节拉紧，使机头紧贴导轨顶面的设计方向顺利顶进。

由于在顶进过程中对土体的扰动，使土体和顶管机的周边握裹力减弱，为了避免纠偏过大，产生蛇行。加强润滑泥浆压注的科学管理，确保注浆和顶进的同步性，使浆液能及时填充到顶进出现的空隙。

为了避免触变泥浆的注入工艺不佳，管节周边各部位不均匀且频率变化，造成浆液不能形成稳定有效箍套，使管节顶进产生蛇行。或是触变泥浆在管节底部积聚过多，导致管节上浮。故注浆需按“全长、均匀、适量”的原则进行，避免局部不足或超压超量而不能形成均匀、稳定箍套的现象。

河道浅埋层淤泥压力不够，极易造成穿越过程中漂管，故全程设置四个点同时监测压力情况，制作顶进曲线与压力监测数据；根据土压变化情况实时调速顶进压力和顶进速度；并采取进洞段上方压石的外部控制措施。

3.4 纠偏、数据传输

在顶管机后段之间设置纠偏千斤顶，在圆周上均匀设置了4个。调整顶进方向是依靠纠偏千斤顶的组合动作而完成。如出现激光点与测量靶中心不重合，说明顶管方向偏移设计轴线，需启动千斤顶进行纠偏。在地面设置顶进远程控制室，顶进数据传输至远程控制台。控制台发出指令，进行顶进的远程控制。纠编千斤顶及顶管控制柜实况见图2。

图2 纠编千斤顶设置及顶管控制柜

为了确保顶进轴线偏差能够持续控制在允许范围内，根据顶管机控制台上显示偏差的激光点位置而及时运用纠偏油缸调整轴线，纠偏操作严格按规程要求实施，每次纠编控制在1°以内，以10′～20′为宜，以避免机纠偏幅度过大导致出现顶进困难、管节破裂等问题。

纠偏量的控制是通过安放在纠偏千斤顶上的位移传感器来实现。顶管机的状态（水平倾斜、扭转）由安放在机头的角度倾斜仪来体现。

3.5 触变泥浆的应用

由顶进阻力计算公式可得知，顶进阻力与顶进长度成正比，阻力过大时降低顶进效率，甚至阻力过大而无法顶进。故需采取措施降低管节外侧的顶进阻力。本项目采取压注触变泥浆至管节外侧降低阻力的方法。

在每节管节的顶进前端均匀布设3个触变泥浆注浆孔，将严格按配合比拌制的触变泥浆持续通过注浆孔压入管节外侧，在顶管的外侧形成减阻的泥浆套。顶管注浆示意如图3所示。

图3 顶管注浆示意图

3.6 洞内照明

为了确保用电安全，分别独立设置管内照明的电源与顶进设备的电源控制系统。

本项目管内照明电压为安全低压（24V），如果管道内严重潮湿时，则采用更低的6V电源，管道内照明灯具以可清晰看清四周环境为宜。本项目管内照明设置如图4所示。

图4 管道内照明设置示意图

4 结语

本项目的顶管施工按预定目标顺利完成，施工时及完成后的精度监控量测结果表明，顶管线型控制良好，管节轴线偏差非常小。没有出现泥水渗漏、地面深陷及管节漂浮等问题。证明顶管方案的设计及施工方法科学合理。