泥水平衡式顶管在水利工程施工中的应用

刘惠鹏

（华北水利水电工程集团有限公司，天津 300170）

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461 km（其中北京段长约33.4 km），设计输水流量6.1 m3/s；新机场水厂连接线采用2-DN1800涂塑复合钢管，全长约14 km，设计输水流量4.9 m3/s。其桩号32+426.00—33+319.12，长度893 m，顶管工作井2座、接收井2座，该段的6#—5#段（272.25 m）顶管采用DN3200钢筋混凝土管内穿DN2400 钢管、7#—6#（299.25 m）段与8#—7#（300 m）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29～35 m，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7～8 m，辛庄段埋置深度约为4 m，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20～30 cm 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=120 kPa。

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11～14 m，含水层厚度达到2 m，高程约19 m。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16～20 m，埋置高程为12～13 m。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。

表1 主要技术参数

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10 mm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/T 594.2-2014）为：

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）。

NF计算公式为：

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：

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。

2.2.1 6#—5#计算

式（1）—（3）中，D1取值3.78 m，L 取值272.25 m，ƒk取值8 kN/m3，Dg取值3.86 m，γs取值22 kN/m3，Hs取值14.23 m（最高点），f0取值1 600 t。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≈29 583.94（kN）≈2 959（t），n=[3.14×3.78×8×(272.25+ 50)]/0.7×16 000 - 1=1.74。

6#—5#顶进段顶管需要总推力为2 959 t，大于DN3200 三级钢筋混凝土管可以承受的最大顶力（2 060 t），顶进中需要安装中继间。主顶负责提供1 600 t的顶进推力，采用8台300 t的油缸顶进；其余顶力由中继间提供，中继间设计推力为1 600 t，由32个50 t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1 600 t 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16 000×0.6=9 600（kN）。根据式（1），可得9 600=3 362+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65.7 m处。根据式（1），可得19 200=3 362+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166.8 m处。

2.2.2 7#—6#计算

式（1）—（3）中，D1取值2.706 m，L 取值299.25 m，ƒk取值8 kN/m3，Dg取值2.75 m，γs取值22 kN/m3，Hs取值10.43 m（最高点），f0取值1 500（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≈21 754.62（kN）≈2 176（t），n=[3.14×2.706×8×(299.25+50)]/0.7×15 000-1=1.1。

7#—6#顶进段顶管需要总推力为2 176 t，顶进中需要安装中继间。主顶负责提供1 500 t的顶进推力，采用8台300 t的油缸顶进；其余顶力由中继间提供，中继间设计推力为1 500 t，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1 500 t计算，当顶力达到中继间设计推力的60%时，需设置中继间，即15 000×0.6=9 000（kN）。根据式（1），可得9 000=1 362.21+3.14×2.706×8×L，由上推出L=112（m），因此中继间布置在112 m处。

2.2.3 8#—7#计算

式（1）—（3）中，D1取值2.706 m，L 取值300 m，ƒk取值8 kN/m3，Dg取值2.75 m，γs取值22 kN/m3，Hs取值9.18 m（最高点），f0取值1 500 t。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≈21 591.36（kN）≈2 159（t），n=[3.14×2.706×8×(300+50)]/0.7×15 000-1=1.1。

8#—7#顶进段顶管需要总推力为2 159 t，顶进中需要安装中继间。主顶负责提供1 500 t的顶进推力，采用8台300 t的油缸顶进；其余顶力由中继间提供，中继间设计推力为1 500 t，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1 500 t计算，当顶力达到中继间设计推力的60%时，需设置中继间，即15 000×0.6=9 000（kN）。根据式（1），可得9 000=1 198.95+3.14×2.706×8×L，由上推出L=115（m），因此中继间布置在115 m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1 m 时，在井口处设现浇钢筋混凝土锁口圈梁1道，圈梁宽100 cm、高50 cm，采用ϕ22 主筋、ϕ12@250 mm 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@500 mm，并在梁内锚固不小于800 mm。

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5 cm，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10 min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0.5 m。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20 cm，正常顶进时每次顶进1 m。

（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。