泥水平衡式顶管在水利工程施工的应用

　　在南水北调大兴支线施工第七标段穿越永定河左堤，为减少施工对于永定河左堤的影响，采用泥水平衡式顶管施工。通过计算得知，工程包含DN3200混凝土套管内穿ND2400钢管277m、DN2400球墨铸铁直顶管616m，DN2400球墨管直顶段采用NPD2400泥水平衡顶管机，DN3200钢筋混凝土管段采用TPN3200泥水平衡顶管。顶进土层主要为粉砂层局部为粉质黏土，根据土层特性，制定严密的技术措施防止工作面超挖，避免引起周边地层扰动造成周边土体产生过大沉降，保证顶进过程的顺利进行。施工完成后，泥水平衡式顶管中的通病管道轴线偏差过大、顶力突然增大、钢筋混凝土管接口渗漏、钢筋混凝土管节裂缝、球铁管接口漏水和地面沉降得到有效的防治，为今后同类工程施工提供相应参考。

　　关键词：南水北调；泥水平衡；顶管施工

　　1工程概况

　　大兴支线工程位于北京市大兴区及河北固安县，分别与南干渠及廊涿干渠连通。大兴支线连通管采用1-DN2400球墨铸铁管，全长约461km（其中北京段长约33.4km），设计输水流量6.1m3/s；新机场水厂连接线采用2-DN1800涂塑复合钢管，全长约14km，设计输水流量4.9m3/s。其桩号32+426.00—33+319.12，长度893m，顶管工作井2座、接收井2座，该段的6#—5#段（272.25m）顶管采用DN3200钢筋混凝土管内穿DN2400钢管、7#—6#（299.25m）段与8#—7#（300m）段顶管材质为DN2400球墨铸铁管。工程区位于北京市大兴区西南、永定河冲洪积中下部平原区，场区主要地貌类型有永定河河床、河漫滩及阶地，局部有湖泽堆积等。场地地形开阔平坦，地面高程为29～35m，总体趋势表现为西北略向东南缓慢倾斜。根据工程地质剖面图，地质结构划分为砂土砂多层结构及砂性土单一结构2大段。连通管线埋置深度为7～8m，辛庄段埋置深度约为4m，开挖土体主要为层填土、层粉砂及其亚层粉质黏土、黏质粉土、砂质粉土。地基槽临时开挖坡度建议值为1∶1.0～1∶1.25。工程环境为交通路线及居民院落，应加强对开挖边坡的实时观测或监测。局部地段渠底分布有20～30cm的淤积物，施工开挖应适当注意对环境的影响。地下环境复杂，开挖施工应注意安全，避免破坏地下设施。连通管线基础建基面主要为层粉砂，稍密—中密，地基承载力fka=120kPa。穿越处永定河河道内无水，工程场区连续分布2层地下水，穿永定河段地下水位埋置深度11～14m，含水层厚度达到2m，高程约19m。第二层地下水埋藏类型为承压水，含水层岩组为⑤细砂，地下水位埋置深度一般为16～20m，埋置高程为12～13m。岩土勘察报告显示，勘察期间在勘察深度范围内地下水位埋深较深，地下水水位对施工影响较小。

　　2顶管施工

　　2.1顶管机选择

　　为确保工程量和施工安全，根据以往施工穿越砂层顶管的经验，DN2400球墨管直顶段采用NPD2400泥水平衡顶管机，DN3200钢筋混凝土管段采用TPN3200型泥水平衡顶管，其主要技术参数详见表1。2.1.1顶管机机型及顶进施工方案选择的依据本工程属于大口径长距离钢管顶管，顶管机机型的选择是工程成功最重要的因素，针对工程的特点和难点，必须综合考虑以下因素，以获得安全、经济和可靠的施工方法：综合考虑工程地质和水文地质条件，选择适用于本工程施工的机型；满足本工程施工长度、线形控制的顶进要求，确保顶管成功是关键。2.1.2顶管施工机械选型根据工程地勘资料分析，针对本工程特点采用经改进、适合本工程的大刀盘、大扭矩、可变刀盘转速的泥水平衡顶管掘进机。本顶管机的优点是：①顶管机、主千斤顶、泥水循环系统和泥水分离装置成套化。②能适用各种土壤条件，如黏质土、砂土、砂砾混合卵石土和软岩上。③使用安装在轨道上的主顶油缸。④由一人在地面遥控操纵即可。⑤可在控制台上进行电视监测及方向控制，精度高。带有光靶方向控制系统，有经验的操作人员可以将方向误差控制在10mm之内。⑥不间断使用主千斤顶便可单独顶进一节管道。⑦可有效地保持挖掘面的稳定，对所顶管道周围的土体扰动较小，因此引起的地面塌陷或路面沉降也比较小。⑧作业环境比较好，也比较安全，由于它采用泥水管道输送弃土，不存在吊土、搬运土方等容易发生的危险作业。

　　2.2顶力计算

　　泥水平衡式顶管顶力估算公式（参考DB11/T594.2-2014）为：F=πD1LfK+NF（1）式中：F为顶力（kN）；D1为管道外径（m）；L为管道设计顶进总长度（m）；ƒk为管道外壁与土的单位平均摩阻力（kN/m3）；NF为顶管机的迎面阻力（kN）。2）式中：Dg为顶管机外径（m）；γs为土的重度（kN/m3）；Hs为覆盖层厚度（m）。中继间计算公式为：（3）式中：n为中继间数量（取整）；f0为中继间设计允许顶力（t）；其余变量含义同上。2.2.16#—5#计算式（1）—（3）中，D1取值3.78m，L取值272.25m，ƒk取值8kN/m3，Dg取值3.86m，γs取值22kN/m3，Hs取值14.23m（最高点），f0取值1600t。经计算，可以得到：总顶力F0=3.14×3.78×272.25×8+3.14/4×3.862×22×14.23≈29583.94（kN）≈2959（t），n=[3.14×3.78×8×(272.25+50)]/0.7×16000-1=1.74。6#—5#顶进段顶管需要总推力为2959t，大于DN3200三级钢筋混凝土管可以承受的最大顶力（2060t），顶进中需要安装中继间。主顶负责提供1600t的顶进推力，采用8台300t的油缸顶进；其余顶力由中继间提供，中继间设计推力为1600t，由32个50t的千斤顶组成。本段顶管需要布置2个中继间，本次顶进的混凝土管允许的最大顶力按照1600t计算，当顶力达到中继间设计推力的60%时，即需设置中继间，即16000×0.6=9600（kN）。根据式（1），可得9600=3362+3.14×3.78×8×L，由上推出L=65.7（m），因此第一个中继间布置在65.7m处。根据式（1），可得19200=3362+3.14×3.78×8×L，由上推出L=166.8（m），因此第二个中继间布置在166.8m处。2.2.27#—6#计算式（1）—（3）中，D1取值2.706m，L取值299.25m，ƒk取值8kN/m3，Dg取值2.75m，γs取值22kN/m3，Hs取值10.43m（最高点），f0取值1500（t）。经计算，可以得到：总顶力F0=3.14×2.706×299.25×8+3.14/4×2.752×22×10.43≈21754.62（kN）≈2176（t），n=[3.14×2.706×8×(299.25+50)]/0.7×15000-1=1.1。7#—6#顶进段顶管需要总推力为2176t，顶进中需要安装中继间。主顶负责提供1500t的顶进推力，采用8台300t的油缸顶进；其余顶力由中继间提供，中继间设计推力为1500t，由30个50（t）的千斤顶组成。本段顶管需要布置1个中继间，本次顶进允许的最大顶力按照1500t计算，当顶力达到中继间设计推力的60%时，需设置中继间，即15000×0.6=9000（kN）。根据式（1），可得9000=1362.21+3.14×2.706×8×L，由上推出L=112（m），因此中继间布置在112m处。2.2.38#—7#计算式（1）—（3）中，D1取值2.706m，L取值300m，ƒk取值8kN/m3，Dg取值2.75m，γs取值22kN/m3，Hs取值9.18m（最高点），f0取值1500t。经计算，可以得到：总顶力F0=3.14×2.706×300×8+3.14/4×2.752×22×9.18≈21591.36（kN）≈2159（t），n=[3.14×2.706×8×(300+50)]/0.7×15000-1=1.1。8#—7#顶进段顶管需要总推力为2159t，顶进中需要安装中继间。主顶负责提供1500t的顶进推力，采用8台300t的油缸顶进；其余顶力由中继间提供，中继间设计推力为1500t，由30个50t的千斤顶组成。本段顶管需要布置1个中继间，本次顶进允许的最大顶力按照1500t计算，当顶力达到中继间设计推力的60%时，需设置中继间，即15000×0.6=9000（kN）。根据式（1），可得9000=1198.95+3.14×2.706×8×L，由上推出L=115（m），因此中继间布置在115m处。

　　3顶管施工

　　3.1泥水平衡式顶管

　　顶管机被主顶油缸向前推进，顶管机头进入止水圈，穿过土层到达接收井，电动机提供能量，转动切削刀盘，通过切削刀盘进入土层。挖掘的土质在转动的切削刀盘内被粉碎，然后进入泥水舱，在那里与泥浆混合，最后通过泥浆系统的排泥管由排泥泵输送至地面上。在挖掘过程中，采用复杂的泥水平衡装置来维持水土平衡，以至始终处于主动与被动土压之间，达到消除地面的沉降和隆起的效果。顶管机完全进入土层以后，电缆、泥浆管被拆除，吊下第一节顶进管，它被推到顶管机的尾套处，与顶管机连接管顶进以后，挖掘终止、液压慢慢收回，另一节管道又吊入井内，套在第一节管道后方，连接在一起，重新顶进，这个过程不断重复，直到所有管道被顶入土层完毕，完成一条永久性的地下管道。

　　3.2竖井支护设计与施工

　　3.2.1竖井支护设计为保证竖井结构稳定、开挖深度为1m时，在井口处设现浇钢筋混凝土锁口圈梁1道，圈梁宽100cm、高50cm，采用ϕ22主筋、ϕ12@250mm箍筋，浇筑混凝土强度等级为C25商品混凝土。为了保证下部钢格栅能与锁口圈梁连接成整体，锁口圈梁向下预留钢筋接头，方法是在槽底向下打孔，采用ϕ22钢筋@500mm，并在梁内锚固不小于800mm。3.2.2竖井支护施工（1）打孔布管。打设小导管前，按照设计要求放出小导管的位置。利用风钻作为动力，用专用顶头将小导管顶入，小导管安装后封堵导管外边的孔口。（2）注浆。将注浆管联接好后，在注浆前先进行压水试验测试管路是否畅通，然后开动注浆泵，通过闸阀使水泥浆与水玻璃浆液在注浆管内混合，再通过小导管压入地层，采用注浆量和注浆压力双控原则进行注浆时间的控制。（3）钻孔位置。在开挖轮廓线的位置钻眼，孔位误差不大于5cm，外插角偏差不大于2°。超过允许误差时，在距离偏大的孔间补管注浆。（4）检查钻孔、打孔质量时，画出草图，对照孔位编号，逐孔、逐根检查并认真填写记录。（5）注浆结束标准。采用定压注浆，注浆终压达到设定压力、稳定10min以上可以停止注浆。（6）注浆过程中，逐管填写记录，标明注浆压力、注浆量、发生情况及处理过程。（7）单孔注浆量不少于平均每孔注浆量的80%，不足处进行补管注浆。（8）固结效果检查。查阅注浆记录，检查注浆量、注浆压力是否达到预定要求；在注浆过程中用肉眼观察开挖面的攒浆情况；钻孔检查，观察钻进过程中有无突进现场作业面。（9）按设计标高开挖至锁口圈梁底标高后，停止开挖，进行锁口圈梁的绑筋、安设下部锚筋，钢筋绑扎完毕，验收合格后进入模板工程，本工程采用木模，并安设上部围护结构锚筋和护栏预留钢筋头。混凝土灌注时两侧应对称连续，两侧混凝土面高差不大于0.5m。采用人工振捣，做到均匀、到位，彻底确保混凝土密实。由测量人员在圈梁上放设中线和高程控制点并开始砌筑370砖墙，经复测无误后再继续向下挖土施工。

　　3.3测量与纠偏

　　（1）顶管测量。采用经纬仪和激光水准仪等仪器。开始顶第一节管子时每次顶进20cm，正常顶进时每次顶进1m。（2）中心线测量。首先在地面用经纬仪确定顶管方向桩，然后在工作井边的2个方向桩上挂小线，其上吊2个垂球到工作井底部，在工作井中用激光水准仪照射2个垂球，读前端的中心尺刻度。（3）高程测量。在工作井内引设水准点，停止顶进，将激光水准仪支设在顶铁上，测量前端管底高程。4结语实践证明，泥水平衡式顶管的通病包括管道轴线偏差过大、顶力突然增大、钢筋混凝土管接口渗漏、钢筋混凝土管裂缝、球铁管接口漏水和地面沉降已得到有效防治，穿左堤路段压力严格控制在设计要求范围内。通过加固措施，施工时段有效控制了地面沉降，减少了对河堤的影响，有效保证了施工安全。本工程施工经验，可在今后类似工程顶管施工中进行推广。

　　作者：刘惠鹏

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