机械论文：大管径顶管施工应用研究

　　表1、顶管数量表

　　研究目的

　　大管径泥水平衡顶管施工工艺施工难度较大，本文将详细参数各工序及施工注意事项，以期对日后同类型工程起到参考借鉴作用。

　　顶管施工

　　3.1 测量及纠偏

　　用极坐标法（对于深井，井口尺寸小，为防止误差，也可采用传统的魏司巴赫--二次联系三角定位法），根据设计给出的工作井坐标和顶进轴线斜坡和平坡交界的坐标，以及实际接收井中心的坐标，分别计算出他们的方位角。然后采用导线法，将控制点定在工作井上。顶管顶进时，在机头中心设置一个光靶，根据光靶反映的读数，即可知道目前机头的方位。

　　顶进纠偏必须勤测量、多微调，纠偏角度应保持在10'～20'不得大于1°。并设置偏差警戒线。

　　顶进过程中的纠偏可采取调整纠偏千斤顶的方法，进行纠组操作，若管道左则千斤顶采用左伸右缩方法，反之亦然，如同时有高程和方向偏差，则应先纠正偏差大的一面。

　　3.2 顶管顶进

　　顶管施工工序见下图。

　　3.2.1 技术参数

　　（1）总顶力估算

　　根据图纸显示，杨树浦路7#合流井地面标高为3.47m，设计管内底标高为-5.20m；平定路1#合流井地面标高平均为3.02m，设计管内底标高为-5.20m。

　　DN3000顶管段所需推力计算

　　F=F1+F2

　　其中F——总推力 F1——迎面阻力 F2——顶进阻力 F2-1——每米管壁摩阻力（kN/m）

　　F1=л/4×D2×P（D-管外径3.540m P-控制土压力）

　　P=K0×γ×H0

　　式中：K0——静止土压力系数，一般取0.50（根据本工程施工场地勘察报告）

　　H0——地面至顶管机中心的厚度，取值6.945m

　　γ——顶管穿越土层为按③层灰色淤泥质粉质粘土，r取17.5KN/m3

　　P=K0×γ×H0=0.50×1.75×6.945=6.08 T/m3

　　F1=л/4×D2×P=3.14/4×3.542×6.08=59.81 T

　　F2=лD×f×L

　　式中：f——管外表面综合摩阻力，此处取0.5 T/㎡ D-管外径3.54m

　　L——顶距596m

　　F2-1=лD×f =3.14×3.54×0.5=5.6T， F2=F2-1×L=5.6×596=3337.6T

　　总推力：F=F1+F2=59.81+3337.6=3397.41（T）

　　（2）中继间布置

　　本工程Φ3000顶管工作坑最大允许顶力为8000KN。拟用于本工程DH-3000泥水平衡机按规定主顶油缸选用200T（2000KN）油缸6只，最大顶力为12000KN。

　　A、顶管第一道中继环布置：

　　L=（P-F1）/F2-1

　　P——中继环设计顶力（kN）

　　F1——机头迎面阻力（kN）

　　F2-1——每米管壁摩阻力（kN/m）

　　经计算：L= 133.8 m，为出洞控制考虑第一个取20m

　　B、顶管第二道以后中继环布置：

　　L=P/F2-1=147m，取120m

　　因此本段需设置中继间，根据顶管总顶力，本段顶管需设置中继间5套（分别位于20m、130m、240m、350m、460m处各设置一套）。而在实际顶进过程中，视顶力情况而增加或减少中继间数量。

　　（2）土压力设定

　　1）被动土压力Pp

　　当土为粘性土时，

　　＝249.4kpa

　　式中：γ——土的容重17.5kN/m3

　　z——地面至顶管机中心高度z＝6.945m

　　φ——土的内摩擦角，查表得16.1º

　　C——土的内聚力，查表得13Kpa

　　2）主动土压力Pa

　　当土为粘性土时，

　　＝49.2kpa

　　式中：γ——土的容重17.5Kn/m3

　　z——地面至顶管机中心高度z＝6.945m

　　φ——土的内摩擦角，取16.1º

　　C——土的内聚力（kpa），取13Kpa

　　3）静止土压力P0

　　P0=K0γh＝0.5×17.5×6.945＝60.77kpa

　　式中：K0——静止土压系数，一般取0.5

　　γ——土的容重17.5Kn/ m3

　　h——地面至顶管机中心高度h＝6.945m

　　4）控制土压力P

　　P=Pa+Pw±△P

　　Pa——主动土压力（kpa）

　　Pw——顶管机所处土层水压力（kpa），粘性土中不考虑

　　△P——土仓施加的预加压力（kpa），一般取20kpa

　　由于本次顶管处于粘性土中，P=Pa±△P＝49.2±20 kpa

　　3.3 顶管出洞施工

　　洞口密封不严会导致地下水和泥砂就会流到工作井内，造成洞口上方地表塌陷，殃及周围建筑物、道路及地下管线的安全。会造成触变泥浆流失，影响泥浆套的形成，进而影响顶管的质量和速度。

　　本工程采用42.5级普通硅酸盐水泥，水泥掺入比25%，机头出洞时，将机头预抬3mm。

　　前二节管节（内壁预埋钢环）与机头拼装时，采用焊接连接（可伸缩调整），使管节与机头连成一个整体，以防止机头出洞时磕头。在洞口外侧，要设置钢封门，钢封门采用20#槽钢，密排布置，在洞内测先制作钢筋混凝土墙，再砌砖墙，顶进开门时，用风镐破除钢筋混凝土墙和砖墙。

　　为保证顶管泥浆套形成，在洞口预埋4根注浆管，注入触変泥浆可帮助泥浆套形成。同时当顶管出洞发生渗漏，可通过预埋注浆管向外压双液浆或聚氨酯进行止水。在确保顶管机运行正常的情况下开始凿除洞门。凿除洞门采用风镐凿除钻孔桩的钢筋砼。洞门凿除要连续施工，尽量缩短作业时间，以减少正面土体流失量，要及时清理干净落在洞圈底部的混凝土碎块。

　　3.4注浆工艺

　　触变泥浆配比见下表

　　表2、泥浆配合比

　　每米管道注浆量：注浆量=理论建筑空隙×500%

　　V=［3.56m×3.14×0.08/4］×500%=1.11 m3

　　注浆为机头同步注浆和管道补浆二部分。采用通同一根总管和同一种浆液配方。

　　触变泥浆由地面液压注浆泵通过2”管路压送到各注浆孔。在机头处应安装隔膜式压力表，以检验浆液是否到达指定位置，在所有注浆孔内要设置球阀，软管和接头的耐压力50Mpa,支管通径为G1。

　　在工作井洞口止水装置前的建筑空隙处设置4个注浆孔，当管道外壁进入洞内，未与土体磨擦之前就先浸满浆液。触变泥浆随管外壁向土体渗入。

　　在整个管道中每间隔3个管子设1个补浆液断面共4个注浆孔，补浆应按顺序依次进行，每班不小于2次循环，定量压注。

　　注浆压力：注浆压力公式Pa=2rh，式中r为土体的容重，h为管道的覆土深度。第一次压浆量为管道外周空隙的1.5～2倍，每个压浆断面设置4个压浆孔，按圆周90°分布。

　　注浆顺序为：地面拌浆---储浆罐---恒压罐储存---启动压浆泵---打开送浆阀送浆（顶进开始）---管节阀门关闭（顶进结束）---总管阀门关闭---井内快速接头拆开---接长总管，以上过程重复进行下图所示。

　　3.5 进洞施工

　　在施工过程中，精确测量，确保该区间顶管能顺利顶至平定路1#顶管接收井预留洞口(洞口加固采用Φ800高压旋喷桩，加固范围为7.2m*2.5m*11m)。

　　在顶管机头进洞前，先对进水井洞口进行了探察，在对混凝土结构凿除前，先凿出5个直径5cm的孔，贯穿混凝土并进入加固区域，然后静置6～8个小时，若没有流砂或水从观测孔中流出，方可准备整个洞口的凿除。

4、地面保护措施

　　顶管掘进时将对其上方地层造成损失，地层损失范围近似于梯形（即管道正上方向两侧辐散近似45°角的范围内），该范围的土体均会产生损耗，从而造成地面沉降。详见下示意图

　　综上所述，顶管穿越或经过构筑物、管线时，必然会使顶管影响范围内的土体产生沉降，为保证构筑物、管线安全，我项目部将对顶管将穿越的构筑物、管线采取相应的保护措施，并加强对沿线构筑物及管线的监测，及时分析数据，根据监测数据适当的进行跟踪注浆处理，顶管结束后再对穿越段进行注浆加固，以稳固土体。

　　5、结束语

　　在市政工程中，穿越道路、河流等情况下，顶管技术因为其可有效的规避环境的影响从而运用较为普遍。在大管径顶管施工过程中，对其施工安全、质量的控制显的尤为重要。需要严格按照规范操作，实行过程控制，确保每一项细节的落实到位。