胡 志

(江西贛禹工程建設有限公司，江西 南昌 330038)

頂管施工技術是一種始于19世紀末的表土層地下工程的非開挖施工技術，具有很多其他開挖技術所不具備的優(yōu)點，能穿越地面建筑物、道路、河流以及位于地表以下的各種管線等，對地面的擾動小。頂管施工一般包括工作井、推進系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、定位糾偏系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)等，采用液壓千斤頂或具有頂進、牽引功能的設備，以頂管工作井作為承壓壁，將管子按設計高程、方位、坡度逐根頂入土層直至到達目的地[1- 5]。

王曉峰等[6]依托我國某城市地下綜合管廊項目，對頂管技術在市政工程建設中的關鍵技術、重要參數(shù)及應用前景展開了深入探討，并認為其在綜合管廊工程中具有寬闊的應用前景。丘慶輝[7]以我國某水利堤壩工程為例，通過探討在該工程中頂管技術的應用情況及關鍵工藝，認為頂管技術具有節(jié)約工期的特殊優(yōu)勢。黃必成[8]以莆田市東圳灌水區(qū)排水涵管工程為依托，根據(jù)東圳灌區(qū)涵管施工實際情況，分析了施工準備、工藝流程、總推力復核和控制難點等內(nèi)容，為頂管技術在灌區(qū)涵管施工中得以推廣使用提供一定科學依據(jù)。

頂管技術在各種工程領域，如水利工程，均得到了很好的應用[9- 15]，研究其在水利工程中的應用有助于解決施工中遇到的技術難題，以及帶來巨大的經(jīng)濟效益。本文以某水利工程為背景，介紹頂管施工技術的實際應用，對其他工程具有借鑒意義。

1 工程概況

某水利引水隧洞工程全長1015m，隧址區(qū)地形相對平緩，入口處巖體風化程度較高，以侏羅紀角礫巖為主，裂隙發(fā)育，巖體較為破碎；洞身段以黏性土和砂性土為主，黏土具有低液限、結(jié)構(gòu)較密實等特點，砂土較為松散。部分線路穿越區(qū)域有較多構(gòu)筑物，地下水較豐富，對于施工過程中地面沉降的要求較高。將線路分成三部分，設置兩座頂進井和兩座接收井，由兩座頂進井向接收井頂進，以頂進距離為357m的頂進段為例，此段頂管埋深在7.57～10.95m之間。

2 施工設計

綜合考慮隧址區(qū)所處位置土層的性質(zhì)、水文地質(zhì)條件、附近地上及地下建筑物和其他因素后選用頂管施工技術。頂管口徑為DN2200mm，采用泥水平衡式頂管機，這種頂管機具有平衡效果好、施工速度快、對土質(zhì)的適應性強等特點，操作人員不必進入管道，采用激光連續(xù)測量管道軸線和標高，能及時糾偏，很好地控制頂進質(zhì)量。頂管材料選用鋼筋混凝土，管材允許頂力經(jīng)測定為16000kN。

(1)工作井施工

工作井包括頂進井和接收井，其中頂進井又叫始發(fā)井，為頂管掘進的出發(fā)處，在頂進井中有用于頂進的千斤頂、頂鐵、導軌等設備，在頂進井的外面還應設置起吊運輸設備，用于起吊開挖出來的土等[5]。相比于頂進井，接收井結(jié)構(gòu)和布置的設備相對簡單，用于接收頂管機和工具管等。工作井選用矩形形狀，構(gòu)筑方式采取沉井的施工方式。工作井的尺寸由下式確定：

L=L1+L2+L3+L4+L5

(1)

B=D1+S

(2)

H1=h1+h2+h3

(3)

H2=h1+h3+h4+h5

(4)

式中，L—工作坑長度；B—工作坑寬度；L1—管節(jié)頂進后，尾端壓在導軌上的最短距離；L2—管節(jié)長度；L3—輸土工作長度；L4—后座墻厚度；L5—頂鎬機長度；D1—管道外徑；S—操作寬度；H1—頂進井深度；H2—接收井深度；h1—地面到管底外緣深度；h2—管底外緣至導軌底高度；h3—坑基礎厚度；h4—管壁厚度；h5—頂管機進入井內(nèi)支撐墊板厚度。

最終確定頂進井長度為7.5m、寬度為5m、深度為10m，接收井長度、寬度均為5m，深度為8m。沉井施工前應該做好充分的施工準備，地點的選取要合理，避免選擇一些不利于施工的地點，在沉井周圍布置降水點以防止施工過程中出現(xiàn)塌方。沉井開挖時從中間向四周均勻開挖，每層開挖半米左右，開挖出來的土應及時清理。沉井的施工順序和施工示意圖如圖1—2所示。

圖1 沉井施工流程圖

圖2 沉井下沉示意圖

將工作井后方的墻壁作為后座墻，而不必單獨澆筑鋼筋混凝土墻，在后座墻與千斤頂之間還設置了厚度為350mm的鋼后靠，頂進過程中的作用反力通過鋼后靠均勻傳遞到后座墻，最后傳遞到后方土體中。因此，要綜合考慮后座墻和后方土體所能承受的最大壓力，將其與頂管所能承受的最大頂力的最小值作為臨界頂力，防止頂進過程中超出臨界值。此外在井壁施工前在沉井周圍預留注漿孔，通過注漿的方式對井壁四周的土體進行加固處理，防止在頂進過程中后座墻發(fā)生位移或者隆起。沉井分段下沉，下沉過程中用經(jīng)緯儀等監(jiān)測偏差，若產(chǎn)生偏差應及時糾正，當下沉到距離設計標高2m時應加強監(jiān)測，距離1m時采用人工緩慢挖掘直至下沉至設計標高，防止超沉。

(2)頂管施工設計

在施工前應根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)情況及相關規(guī)范計算頂管的使用荷載和施工荷載，其中使用荷載包括垂直土壓力、水平土壓力、側(cè)向抗力以及管道自重等，施工荷載包括頂進中的摩阻力F1和迎面阻力F2。由于頂進距離較長，為減少頂進過程中的摩阻力從而更好地頂進，采用膨潤土作為潤滑材料，將其通過注漿孔注入土層中。注漿孔的布置為每隔4節(jié)設置一處注漿斷面。注漿之后的施工荷載可按式(5)、式(6)計算。

F1=f1πDl

(5)

(6)

式中，f1—單位摩阻力，軟土中一般可取8～12kN/m2；D—管道外徑；l—全部頂進長度；Dj—頂管掘進機外徑；Pt—機頭底部DT/3處的被動土壓力。

計算得出的摩阻力和迎面阻力分別為12500kN和15266kN，頂進井的允許頂力為35000kN。在頂進過程中，頂力不能超過管材的允許推力和后座墻的允許推力。頂管施工的流程圖如圖3所示。

圖3 頂管施工流程圖

頂管采用泥漿平衡土壓力和水壓力以保證開挖面的穩(wěn)定性，因此，要根據(jù)開挖面地質(zhì)情況適當調(diào)節(jié)泥漿的稠度。刀盤前方的水壓力和土壓力之和應該與泥漿壓力達到相對平衡，以避免工作面塌陷或者地表隆起。對于泥水的性質(zhì)要有充分的了解，加強對其各個方面的管理，泥漿的流速要控制在臨界流速以上，以防止泥漿在管道中沉淀下來而造成管道的堵塞，泥漿的臨界流速可由式(7)確定。

(7)

式中，VL—水平管內(nèi)固體顆粒的臨界流速，m/s；FL—由固體粒徑與濃度決定的系數(shù)，對于砂土，F(xiàn)L=1.33～1.36；g—重力加速度，m/s2；d—管內(nèi)徑，m；Gs—顆粒的相對密度；δ—液體的相對密度。

頂進過程中應加強對頂管的監(jiān)測，每隔30cm對頂管進行測量，如頂管發(fā)生偏移應及時進行糾偏；由于頂進過程中頂推力和刀盤前方的水土壓力相互平衡，若控制不當容易發(fā)生地面塌陷或隆起，因此還應該加強地面沉降的測量及變形情況，同時觀測后座墻的變形和位移情況，確保頂進過程安全順利。

3 技術優(yōu)勢探討

前文主要描述了泥水平衡式頂管技術在水利工程的應用及關鍵點的施工工藝，經(jīng)過在該水利工程中的有效實踐，得出頂管技術在水利工程特別是地形條件比較復雜的水利工程項目中，主要具有如下優(yōu)勢：

(1)能夠有效克服地形地勢，擺脫山區(qū)地貌局限性。我國大部分水利工程的施工地點均位于地勢不平的山區(qū)，采用傳統(tǒng)水渠開挖方法不僅施工難度大，且會浪費大量的財力與人力，導致工程成本提高。

(2)工期短。采用原臨近地區(qū)水利工程開挖法建設的水利工程工期較長，而采用頂管施工則能夠快速完成水利工程建設，大大縮短工程建設周期，為工程整體的其他緊急項目帶來了極大的便利。

(3)頂管技術可以減少水利工程對周圍環(huán)境的影響，特別是對地面交通的影響，避免了地面交通疏導工作，節(jié)約了工程成本。

4 結(jié)論

本文介紹了泥水平衡式頂管機在某水利工程引水隧洞中的應用，著重于工作井施工、頂進施工及工程技術優(yōu)勢三個方面。工程實踐表明泥水平衡式頂管機適應性強、頂進速度快，能在工程地質(zhì)條件復雜的地方施工，在水利工程施工中取得了很好的效果；且采用頂管施工能減少對周圍環(huán)境的影響，節(jié)約工程成本。但要注意在頂管施工中應加強施工時的監(jiān)測，及時進行頂進糾偏，同時控制頂進速率，防止地面沉降或塌陷；施工中產(chǎn)生的泥漿也要進行專門處理，盡量循環(huán)利用，減少對環(huán)境產(chǎn)生的破壞。