吳發(fā)展

（中鐵隧道集團二處有限公司 河北 三河 065201）

0 引言

頂管法是借助千斤頂將掘進機從工作井推進到接收井的施工方法，依靠管道掘進機頭部的鉆掘系統(tǒng)切削土屑，出土系統(tǒng)將切削的土屑排出，邊頂進，邊切削，邊排土，將管道逐節(jié)向前鋪設的一種地下管道非開挖施工技術。頂管施工占地面積少，其地下施工對地面活動影響較小，它不需要開挖地面層，故節(jié)約征地拆遷費，尤其是在城市繁華地段，有很高的經(jīng)濟和社會效益。施工時產(chǎn)生的噪音很小，不擾民。在現(xiàn)有道路下鋪設管線時，不影響地面交通，頂管法在市政工程中得到了較好的應用［1］。袁魯峰等人［2］將泥水平衡機械頂管施工方法應用在市政截污工程中，取得較好的施工效果。榮亮等人［3］以下穿城市道路的超大斷面矩形頂管工程為背景，對土壓平衡頂管狀態(tài)控制和糾偏進行了詳細介紹。談力昕等人［4］通過拱北隧道頂管頂進力實測分析，以國內(nèi)外2 種計算公式，探討了曲線頂管頂進力計算與實際頂進力的差異，頂進力與泥漿潤滑程度有密切關系，頂進力估算參數(shù)依賴地區(qū)經(jīng)驗結合現(xiàn)場試驗確定。觸變泥漿在頂管施工中起減阻、填補和支撐作用。袁為玲等人［5］通過試驗研究原材料含量對觸變泥漿的影響，施工現(xiàn)場應根據(jù)膨潤土性能、地層參數(shù)等試驗出適合本工程的觸變泥漿配合比。張鵬等人［6］、蘇榮軍等人［7］研究了頂管施工引起的地表沉降，對地表及相鄰建筑物的沉降進行控制至關重要。狄曉紅［8］探索矩形頂管在砂卵層中的適用性，研究頂管機的切削系統(tǒng)和排渣系統(tǒng)。本文依托城市北環(huán)電纜隧道介紹中航支線頂管施工技術。

1 工程概況

電網(wǎng)北環(huán)110 kV 架空線改造入地電纜隧道工程線路全長約24.8 km，中航支線長552.021 m，起訖里程ZH1K0+000～ZH1K0+552.021，采用頂管法施工，將位于中心公園的SJ4 豎井作為工作井，電網(wǎng)大樓旁邊的SJ4-1 豎井作為接收井，頂管隧道設24.03‰上坡由SJ4 豎井向SJ4-1 豎井方向頂進；頂管在工作井的埋深為25.195 m，在接收井的埋深為16.4 m。頂管管節(jié)為預制C50P10 鋼筋混凝土（見圖1），管節(jié)內(nèi)徑3 500 mm，外徑4 140 mm，管壁厚320 mm，節(jié)長2 500 mm，管接口為F 形接口，鋼尾套長145 mm。每節(jié)管節(jié)預埋4 個DN25 鋼管注漿孔，管節(jié)最大容許頂力為 15 000 kN［9］。

頂管隧道下穿中心公園、華富路、振興路、中航路，工作井端至ZH1K0+100 隧道圍巖穩(wěn)定，巖體主要為完整的微風化花崗巖。ZH1K0+100～SZ1K0+200 圍巖變化頻繁，依次經(jīng)歷的花崗巖分別為中風化、強風化、微風化、中風化狀態(tài)，ZH1K0+200～ZH1K0+530 圍巖依次為殘積礫質(zhì)粘性土、全風化和強風化花崗巖，接收井端花崗巖主要為中風化。地下水按賦存方式主要分為第四系松散層和全風化帶中的孔隙水、強-微風化基巖裂隙水類型?？紫端饕邮艽髿饨邓暗乇硭a給。裂隙水主要受地下水徑流側向補給，且未形成穩(wěn)定連續(xù)的水位面，地下水穩(wěn)定水面埋深為2.15～2.83 m。

圖1 鋼筋混凝土預制管節(jié)Fig.1 Reinforced Concrete Prefabricated Pipe

2 頂管機選型

頂管掘進機根據(jù)施工方法分為敞開式和封閉式兩大類，敞開式頂管因安全性不高及精度差，已經(jīng)限制使用；封閉式為機械化程度較高的土壓平衡、泥水平衡和混合式頂管機。頂管機型選擇的原則是適應性、安全性和經(jīng)濟性。不僅考慮機具的地層適應性、施工效率，更重要的是保證施工人員的安全。地層條件是選擇頂管工法的主要依據(jù)，施工前取得比較詳盡的勘探資料，對頂管所涉土層的物理、力學性質(zhì)進行詳細的描述，頂管掘進應采用泥水平衡式或土壓平衡式［10］，中航支線地面為城市道路，接收井附近為電網(wǎng)大樓，由于周圍建筑物安全等級高、對施工地層變形控制要求高，土壓平衡頂管的螺旋輸送機易發(fā)生噴涌致掘進面失穩(wěn)，故選用泥水式頂管較宜［11］。泥水平衡機械頂管機通過泥水循環(huán)系統(tǒng)出渣，通過頂進參數(shù)有效控制沉降變形，其土質(zhì)適應性強、安全性高、地表沉降少、可有效平衡地下水、管理方便。根據(jù)地質(zhì)條件和管節(jié)內(nèi)徑，中航支線配置DN3500 泥水平衡巖石頂管機組織施工。

3 工作井端頭加固

頂管工作井始發(fā)端采用基坑圍護樁及止水帷幕加固。始發(fā)洞門采用C30、P10 混凝土，采用HRB335鋼筋進行加固處理，洞口預埋鋼環(huán)及與洞口連接的管節(jié)預埋鋼環(huán)的鋼環(huán)鋼板與法蘭鋼板的焊接焊縫連續(xù)不滲水。洞口預埋鋼環(huán)與洞口連接的管節(jié)預埋鋼環(huán)鋼材均為Q235 鋼，除與混凝土的接觸面外，鋼板需涂防銹漆。

4 現(xiàn)有頂進力計算公式

4.1 中國非開挖技術協(xié)會給出的頂管頂力計算公式［12］：

式中：P 為計算的總頂力（kN）；f 為頂進時，管道表面與其周圍土層之間的摩擦系數(shù)；γ 為管道所處土層的重力密度（kN/m3）；D1為管道的外徑（m）；H 為管道頂部以上覆蓋土層的厚度（m）；φ 為管道所處土層的內(nèi)摩擦角（°）；ω 為管道單位長度的自重（kN/m）；L 為管道的計算頂進長度（m）；Ps為頂進時頂管掘進機的迎面阻力（kN）。

4.2 廣東省基礎工程集團有限公司給出的頂進力計算式［10］：

式中：F 為頂進阻力（kN）；F1為頂管機前端正面阻力（kN）；F2為管道的側壁摩阻力（kN）；D 為管道的外徑（m）；P 為泥水平衡頂管機截面中部的地下水壓力（kN/m2）；fk為管道外壁與土的單位面積平均摩阻力（kN/m2）；L 為管道頂進施工長度（m）；。

4.3 頂進力計算應采用當?shù)貞贸墒斓慕?jīng)驗公式。當?shù)責o經(jīng)驗公式時，可用住房和城鄉(xiāng)建設部給出的計算式［13］：

式中：Fp為頂進阻力（kN）；D0為管道的外徑（m）；L 為管道設計頂進長度（m）；fk為管道外壁與土的單位面積平均摩阻力（kN/m2）；NF為頂管機的迎面阻力（kN）。

4.4 上海市頂進力計算公式［14］：

式中：F 為總頂進阻力（kN）；F1為管道的側壁摩阻力（kN）；F2為頂管機的迎面阻力（kN）；D 為管道外徑（m）；L′為管道頂進長度（m）；f 為管道外壁與土的平均摩阻力（kN/m2），宜取 2～7。

泥水平衡頂管控制土壓力R1近似計算公式為：

式中：γ 為頂管上覆土層的容重（kN/m2）；H 為上覆土層的厚度（m）；D′為頂管機外徑（m）；φ 為土的內(nèi)摩擦角（°）；c 為土的黏聚力（kN/m2）。

上述頂進力計算的思路基本是頂進力=頂管機迎面阻力+管道外壁與土的摩擦阻力。

5 頂進力的計算

施工頂進力應考慮管節(jié)材質(zhì)、頂進工作井后背墻的允許最大荷載、頂進設備能力等因素。施工頂進力應大于頂進阻力，不超過管材或工作井后背墻的允許頂力。由于項目地處廣東，應采用當?shù)貞贸墒斓慕?jīng)驗公式，首選文獻［10］給出的頂進力計算式：F=F1+F2，F(xiàn)1=πD2（P+20）/4，F(xiàn)2=πfkDL。

式中：k0為靜止土壓力系數(shù)，一般取0.55；γ為土的濕重度，取19kN/m3；H0為地面至頂管機中心的厚度，取端頭墻處的最大值24m；fk取5kN/m2；L取485m。

式⑽代入數(shù)值，得 P=0.55×19×24=250.8 kN/m2。則代入⑵～⑷得：F1=3.14×4.142×（250.8+20）/4=3 643.5 kN，F(xiàn)2=3.14×5×4.14×485=31 524 kN，F(xiàn)=3 643.5 kN+31 524 kN=35 167.5 kN。

6 中繼間施工

有關規(guī)范要求：一次頂進距離超過100 m 時，應采用中繼間技術［13］，施工最大頂力超過允許頂力時，應增設中繼間等措施［12］。

本工程DN3500 泥水平衡巖石頂管機主頂系統(tǒng)采用12 個 2 000 kN 頂鎬組合（見圖2），最大推力24 000 kN。本工程計算頂進力為35 167.5 kN，使用的鋼筋混凝土管節(jié)最大容許頂力為15 000 kN，管節(jié)最大容許頂力小于頂管頂進所需最大頂力，故需在頂管后設置中繼間。中繼間的合理布置可滿足頂力要求，起到接力頂進的作用，可在頂管機后方40～50 m 處設置第1 個中繼間，主要克服前方管節(jié)與機頭的摩阻力、掌子面對切削刀盤的反力，其他中繼間根據(jù)頂力需要設置，中繼管段的推力不超過中繼間力的70%。

圖2 頂進管節(jié)Fig.2 Jacking Pipe

中繼間外徑與管節(jié)相同，結合本工程情況，中繼間外徑為4.14 m，長度2.5 m。中繼間采用25 mm 厚鋼板卷制焊接而成，中繼間需有足夠的剛度、良好的密封性和連接性，內(nèi)設25 mm 厚鋼板作為徑向肋板，防止中繼間頂進時的變形。中繼間內(nèi)均勻布置10 組1 000 kN 頂鎬推進（見圖3），每循環(huán)推進0.5 m。距頂管機頭最近的中繼間先頂，其余中繼間保持不動，所有中繼間順次頂進后，主頂完成最后的頂進作業(yè)。

圖3 中繼間均勻布置的頂鎬Fig.3 Top Pick with Uniform Arrangement between Relays

7 注漿減阻

頂管工程中，廣泛使用膨潤土泥漿減小頂進時管外壁承受的摩阻力［15］。膨潤土是以鉀、鈣、鈉蒙脫石為主要成分的粘性礦物，其具有膨脹性和觸變性。膨潤土加水攪拌成懸浮液泥漿，靜置為膠凝體，經(jīng)攪拌或泵送，轉變?yōu)橛姓承院土鲃有缘哪z狀液體，再次靜置，則又成為膠凝體。膨潤土的這種觸變性有助于減小頂進管道在地層中的阻力，在管道外圍形成一個較完整的泥漿套，頂進時起到減阻和支撐地層的作用。

頂進施工使管道與土體之間產(chǎn)生空隙，合理的注漿可填補該空隙，減小土層的運動，減小地面沉降。注漿壓力過大將擠壓周圍土體，形成地面隆起，注漿壓力小則不能充分填補空隙，造成地面沉降。隨著頂管推進，注漿效果明顯下降，需要對已施工管節(jié)補充注漿。管節(jié)上均布4 個注漿孔，在管節(jié)頂進時同步注漿。

⑴泥漿配比

膨潤土、水、純堿、CMC 分別為 200～250、350、3.5～4.5、1.5～3.5 kg/m3。

⑵壓漿管路及壓漿孔布置

泥漿攪拌機固定在始發(fā)井口，泥漿充分攪拌均勻后先注入儲漿桶，通過壓漿泵送至井下進漿主管。壓漿主管在需要壓漿的管節(jié)處連接到4 根支管，通過管節(jié)上預留的4 個注漿孔向管節(jié)外注入減阻泥漿，以有效降低混凝土管節(jié)與周圍地層間的摩擦阻力，壓漿原則是“先壓后頂、隨頂隨壓、及時補漿”。頂進過程中，部分漿液散失到土層中，為保證漿液的填充效果，間隔一段時間后必須進行補漿。

8 置換注漿

頂管結束后，采用1∶1 的水泥漿，將管道外的觸變漿液通過注漿孔置換出來，防止頂管地層沉降，達到穩(wěn)固頂管隧道結構的目的。注漿前對注漿管做壓水試驗，必要時進行疏通清理，保證注漿管暢通。注漿時必須控制注漿的壓力，連續(xù)作業(yè)。注漿順序為由通道中部向工作井、接收井兩端進行。

9 地面沉降監(jiān)控

為保證地面建筑物、道路交通的正常使用，事先充分預測頂管施工對地表變形的影響［12］，采取有效的技術措施進行監(jiān)測和保護。在市區(qū)施工，必須進行地面變形監(jiān)測和建筑物沉降觀測。在施工區(qū)域外設置監(jiān)控基準點，沿頂管機前進軸線方向布置觀測點，對交通道路、建筑物設監(jiān)控點，監(jiān)測數(shù)據(jù)分析資料及時反饋給頂管司機，據(jù)此決定是否調(diào)整掘進參數(shù)、糾偏。SJ4～SJ4-1 區(qū)間頂管施工時地表沉降監(jiān)測點和周邊建筑物監(jiān)測點一直在進行觀測，監(jiān)測頻率為施工單位每天1 次，第三方監(jiān)測單位每周3 次。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示（見表1），地表沉降監(jiān)測點受到施工的影響有一定的沉降和隆起，建筑物沉降監(jiān)測點則較為穩(wěn)定。

表1 頂管施工時地表沉降監(jiān)測成果表Tab.1 Surface Subsidence Monitoring Results Table during Pipe Jacking Construction

10 結束語

頂管機選型是施工關鍵，應根據(jù)實際地質(zhì)情況合理選型，必要時施工單位可以要求補勘，以獲取詳細的地質(zhì)資料，一旦選型失誤，將對后續(xù)施工帶來很大的不利影響，出現(xiàn)頂進困難甚至失敗。

中繼間主要克服前方管節(jié)與機頭的摩阻力、掌子面對切削刀盤的反力，中繼間的合理布置可滿足頂力要求，起到接力頂進的作用。中繼間需有足夠的剛度、良好的密封性和連接性，防止中繼間頂進時的變形。

在管節(jié)外壁與土層之間注入觸變泥漿，減小頂進阻力，填補管道外壁與土層間空隙，減小土體變形，支撐地層，選擇良好的注漿材料很關鍵，觸變泥漿應選擇經(jīng)鈉化處理的膨潤土泥漿。