□文/胡朝暉 趙 棟

長距離頂管土壓平衡控制

□文/胡朝暉 趙 棟

在土壓式頂管施工過程中，如何保持頂管掘進機與后背主頂油缸的動態(tài)平衡一直是困擾施工人員的技術(shù)難題。文章依托薊運河過河頂管工程，從土壓力計算、頂管參數(shù)設(shè)定以及頂管設(shè)備聯(lián)動控制3個方面論述了在長距離頂管施工過程中如何實現(xiàn)土壓平衡。

長距離；頂管；土壓平衡

1 工程概況

薊運河過河頂管工程全長437 m，頂管管徑為2 000 mm，穿越薊運河河床部分頂管距離為342 m，覆土厚度6 m，河水深度6 m。由于薊運河河底地質(zhì)情況復(fù)雜，頂管穿越過程必須控制好土壓平衡，保持頂管掘進機姿態(tài)平穩(wěn)勻速推進，減小因頂管施工對河床擾動造成的隆起或沉陷。

根據(jù)土壓平衡的基本原理，結(jié)合施工采用的DK式土壓平衡頂管掘進機開口率為100%的特點，進行了土壓力的計算，根據(jù)土壓力設(shè)定值進行了相應(yīng)的頂管參數(shù)設(shè)定以及為實現(xiàn)土壓平衡而施行的一些列控制措施。

2 實施方案

2.1 合理設(shè)定土壓力值

從理論上講，掘進機在頂進過程中，土倉的壓力p如果小于掘進機所處土層的主動土壓力pA時，地面就會產(chǎn)生沉降；反之，如果PA大于掘進機所處土層的被動土壓力pp時，地面就會隆起。因此，只要把土壓力控制在pA＜p＜pp，就能達到土壓平衡。

靜止土壓力是介于主動土壓力和被動土壓力之間的一個特殊的情況，在穿越兩側(cè)堤岸部分的靜止土壓力強度p0可由式（1）計算

式中：K0——靜止土壓系數(shù)，在砂性土中，K0一般可在0.25～0.33之間取值，在粘性土中，K0則一般可在0.33～0.70之間取值，本次頂管穿越土層為淤泥質(zhì)粘土，取值為0.5；

γ——土體天然重度，根據(jù)巖土工程勘察報告，γ=18.1 kN/m3；

h——掘進面的深度，自沉井頂部至頂管中線的高差，h=13.885 m。

經(jīng)計算，p0=125.65 kPa。在穿越河底部分，掘進面的靜止土壓力由2部分組成，即河底以上為水壓力，河底以下為土壓力，則p0=γ水h水+K0γ土h土=10×6+0.5×18.1×6=114.3（kPa）。

從實際操作來看，一般常把控制土壓力設(shè)置在靜止土壓力（p0±20）kPa，本次頂管將土壓力設(shè)定為100～120 kPa。

2.2 合理設(shè)定頂管參數(shù)

頂管掘進機刀盤扭矩為定值，對應(yīng)于同一土質(zhì)，刀盤轉(zhuǎn)速為定值，即單位時間內(nèi)切削下來的土體積為一定值，為保證土倉內(nèi)壓力為一相對固定數(shù)值，要求螺旋輸送機排土速度和頂管機進尺速度保持動態(tài)平衡。

頂管出土采用帶有牽引裝置的小車，經(jīng)過現(xiàn)場頂進試驗，平均每10 min螺旋輸送機可以裝滿一車泥土，而每頂進一節(jié)管道（2.5 m長）總計可以裝滿8車，則頂管掘進機的進尺速度（亦即主頂油缸的伸長速度）為v=L/t=2.5/80=0.031（m/min），即每分鐘 31 mm。

對應(yīng)于直徑2 000 mm管道，開挖面面積S=πD2/4=3.14×2.42/4=4.52（m2），則單位時間排土量為 4.52×0.031，即排土體積為0.14 m3/min。

頂速的控制通過油泵站調(diào)整液壓油的供油和回油速度，進而控制主頂油缸的伸長和收縮的速度。為與土壓力相匹配，在頂管過程中，當(dāng)土壓力＞120 kPa時，為防止河底隆起，需要降低頂管速度同時加快排土；當(dāng)土壓力＜100 kPa時，為防止河底塌陷，需要提高頂進速度同時減少排土。

頂管掘進機進出沉井預(yù)留洞口時，為保證頂管機能夠按照預(yù)定高程準(zhǔn)確進入前方土體，頂進速度不宜過快，一般控制在10 mm/min左右。

2.3 頂管設(shè)備聯(lián)動控制措施

螺旋輸送機的出土速度可以通過操縱按鈕進行控制，掘進機頂進速度由后背主頂油缸的伸長速度決定，而油缸的伸縮由油泵站操作人員進行控制，因此，為保證出土量和掘進機進尺的平衡，必須要求頂管機內(nèi)部和油泵站操作人員步調(diào)一致，同步操作。

由于運土車容積及后背主頂油缸的沖程有限，因此在運土車吊裝卸土及管材吊裝過程中，不可避免的要暫時停止頂進，隨著頂管距離的增長，運土車從管內(nèi)運輸并吊運至沉井外的時間會逐漸延長，則頂管暫停的時間也會越來越長。為盡可能減少頂管暫停時間并充分利用油缸沖程，可以采取增加運土車數(shù)量和加墊頂鐵的方法。

為保證土倉壓力相對恒定，則要求上下工作人員采用對講機進行及時溝通，保證動作的協(xié)調(diào)一致。在頂管周期內(nèi)，頂管掘進機刀盤切削土體，螺旋輸送機旋轉(zhuǎn)向小車輸土，同時后背主頂油缸則勻速伸長，在吊運出土和吊裝下管過程中，刀盤停止切削，螺旋輸送機關(guān)閉，后背主頂油缸處于空擋和收縮工況，如此循環(huán)往復(fù)，在動與靜中達到一種動態(tài)平衡。

3 結(jié)語

通過合理設(shè)定土壓力和頂管參數(shù)并在施工過程對頂管設(shè)備進行聯(lián)動控制，在長達437 m的頂管過程中，頂管掘進機姿態(tài)平穩(wěn)，經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)測，土壓力變化幅度和薊運河河底沉降量均介于可控范圍，真正意義上實現(xiàn)了土壓平衡。

［1］GB 50268—2008，給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范［S］.

［2］余彬全，陳傳燦.頂管施工技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，1998.

□趙 棟/天津城建濱海路橋有限公司。

TU992.05

C

1008-3197（2012）03-55-02

2012-02-17

胡朝暉/男，1968年出生，高級工程師，天津城建濱海路橋有限公司，從事道路橋梁工程施工管理工作。