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1、双排混凝土管长距离顶进施工 摘要：介绍广州市污水治理中双排混凝土顶管施工技术。根据管道在市区布置情况和有关地质条件以及工期的要求，本工程选用了多刀盘土压平衡式顶管机进行施工，加上有效的技术措施，解决了双排混凝土管长距离顶进施工难度大的问题，质量和工期得到了保证。关键词：长距离；混凝土管；顶进施工1 工程概况广州市污水治理工程后期 3 标段顶管施工工程位于市区南侧，其中穿越球场、市区道路一段采用双排混凝土顶管施工(其编号为 22 号工作井21 号接收井)，该段顶管全长 310m2，管节外径为 3540mm，内径为 3000mm，管节长度3000mm，顶管坡度+0.087%，管顶覆土厚度为4.8m
2、。顶管施工采用外径 3560mm 的土压平衡式多刀盘顶管机，最大后顶力为 1000t。管道沿线将穿越市话电缆井及动力电缆井各一座，管顶距市话电缆井及动力电缆井的底板距离分别为2.54m、2.07m。顶管衬砌结构均采用F型预制钢混凝土管节，相邻两管节间采用特制接头承插连接，衬砌接缝防水采用天然橡胶制成的锲型橡胶圈。2 地质条件本工程范围内的土层从上往下依次为：填土、褐黄色粘土、灰色粉质粘土、灰色淤泥质粘土。顶进断面全线上部处在灰色粉质粘土内，下部处在灰色淤泥质粘土内，见表 1。表 1 工程地质 层号 土层名称 层底标高 含水量 W 密度 kN/m3 孔隙比 e 凝聚力 c(kpa) 内摩擦角 1
3、 填土 2.892 褐黄色粘土 1.49 28.4 19.3 0.763 灰色粉质粘土 -2.21 44.3 17.1 1.31 8.55 8.04 灰色淤泥质粘土 -11.00 50.7 17.1 1.44 11.12 7.0注：地面标高+3.5m3 顶管机本工程选用的多刀盘土压平衡式顶管机特点是出土顺畅，操作容易，维修方便，尤其适用于软粘土层中的顶管施工。本机质量还不到它所排开土体质量的 0.4 倍，所以可以有效防止因机头过重而使方向失控，产生走低现象。本机采用四把切削刀盘对称布置，所以只要把左右两把刀盘按相反方向旋转，就可使刀盘间的转矩得以平衡，而不会如同大刀盘顶管机那样容易产生偏转。4
4、 进出洞施工顶管机进洞施工与出洞相比较为简单，当顶管机靠近洞门时，须控制好土压力，在切口距封门 2050cm 时停止顶进，并尽可能降低切口正面土压力，确保拆除封门时的安全，拆除封门后将顶管机迅速、连续顶进，直到进洞洞口止水圈发1挥作用为止，这就完成了进洞进程。 从工作井中出洞开始顶进是整个施工过程中的关键环节之一。由于顶管机正面主动土压力远大于机头及混凝土管节的周边摩阻力和与导轨间摩阻力的总和，因此极易产生管节后退，引起顶管机前方土体不规则坍塌，使顶管机再次推进时方向失控和向上爬高。为此，采取在洞口两侧各安装一只手拉葫芦，当主顶油缸回缩之前，先将最后一节管节拉住不让其后退，同时在出洞之初就预设
5、了一定的向下纠偏量，尽可能克服出洞时机头抛高的情况。5 长距离顶进施工5.1 顶进轴线控制长距离顶管施工的核心问题是对顶力的控制。计算管壁土压的公式：Pv=HD PL=(H+D/2)D tg2(45+/2)Pv-管道上竖向土压力PL-管道上侧向土压力-土体容重H-覆土层厚度 D-管道外径上述公式是基于土柱的受力模型，适用于不稳定土层或覆土层厚度小于卸力拱高度的情况下。从公式中可以清楚地看到单位长度上的顶进阻力与管径、覆土层厚度、土体容重、土层性质有关。但是在实际顶管施工中纠偏对顶力的影响非常明显，所以在施工中需进行全过程连续监测，随时掌握顶管机偏离设计轴线距离的数据，并结合前方机头操作台上数字
6、式倾斜仪的读数来判断顶管机顶进线路的变化趋势，发现有偏离的趋势就及时采取纠偏措施，使得顶进轴线的控制较为理想，顶管高程、平面控制结果见下表 2，这就为将顶力限制在设计值的范围内提供了有力的保证。表 2 顶管高程、平面偏离轴线控制偏差北线高程 南线高程 北线平面 南线平面最大偏离值(cm) 6.1 -6.1 6.3 -4.0 4.3 -4.0 4.7 -4.6距离进洞位置(m) 112.5 176.3 26.0 118.0 45.1 102.0 250.0 119.05.2 注浆减摩注浆减摩是长距离顶管中非常重要的一项工艺，是关系到顶管成功与否的一项关键的技术。为确保减小管道外壁的摩阻力采取了以
7、下技术措施。 保证润滑泥浆的稳定性，根据土质的变化适当调整配方，以满足不同的需要。合理布置注浆孔。制定合理的压浆工艺，严格按压浆操作规程进行。压浆孔的位置设在管节雄头一侧靠近边缘处，这样在管节拼接后注浆孔就完全被前一节的钢环所遮盖，压出的浆液先会在钢套环与混凝土管节外壁之间形成浆套然后再被挤出。这样泥浆套就较容易形成，减摩的效果也就比较明显。5.3 中继间利用中继间进行接力顶进是中长距离顶管的一项重要技术措施。中继间的布置要求顶力及操作的要求，以提高顶进速度。当总推力达到设计推力的 60%时就安放第一只中继间，以后当达到设计推力的 80%时安放下一只中继间，而当主顶推力达到设计推力的 90%时
8、就必须启用中继间。以北侧顶管为例，实际施工时在 105m 处放置了第一只中继间，但由于泥浆减阻的效果显著，2顶进轴线控制较好，实际顶进阻力远小于理论计算值，所以中继间一直未使用，直到最后进洞过程中才第一次启用。致使顶进程序大大简化，顶进速度大大提高。6 双排顶管施工由于工期紧迫，因此在经过充分论证的前提下决定采用双排顶管前后同时顶进施工方法。相对于单条分别顶进施工，双排顶管主要有三个方面的问题有所不同：顶管工作井后靠土体的稳定性；双排顶管两顶管机纵向间距的确定；双排顶管引起的地层损失和沉降槽的预测。6.1 顶管工作井后靠土体的稳定性验算P=2F1+F2+Fp-FaP-顶管最大计算顶力F1-沉井
9、侧面摩阻力F2-沉井底面摩阻力Fp-沉井后靠井壁被动土压力 Fa-沉井顶向井壁总主动土压力F1=0 5PaHA 1F2=W(W-沉井底面总压力 )Fp-A0.5H2tg2(45+/2)+2cH tg(45+/2)+ghHtg(45 +/2Fa=A 0.5H2tg2(45 -/2)-2cH tg(45-/2)+hHtg(45 -/2)但由于顶力 P 的反复作用，沉井后靠土体反复产生压缩变形，孔隙水压力增大，有效应力降低，及沉井侧面与土体之间的孔隙未填实等原因，F1 不予考虑。因地下水位较高，沉井受到的浮力足以抵消井体自重，所以 F2 也不能计入，见图2。本工程选用的后靠土体的稳定性验算公式：P(
10、Fp-Fa)/S最终求得 P190000kN 为保证工作井后靠土体的稳定性，施工时需避免南北两条管顶力同时达到最大值，顶力之和控制在 1900t 以内。图 1 沉井受力示意图6.2 双排顶管两顶管机纵向间距的确定 双排顶管前后同时顶进的施工方法，关键是3要确定两管的纵向间距 L，这对于减少两管间的相互干扰和对中间部分土体的扰动至关重要。P=FP=P0 D/2+d tg(45 + /2 2P0-静止土压力D-顶管机外径 F=Pp D2/4P0D/2+d tg(45+/2) 2=PpD 2/4在上式中 F 按施工中控制压力的上限取值，计算所得的结果偏于安全。除顶管机挤土产生的影响外，尚需考虑到因顶
11、管机纠偏引起侧向土体的扰动。另外，由于机头无注浆孔，摩擦力引起的对侧向土体的扰动也必须考虑。双排顶管最小纵向间距：Lmin=(d+H)H 为前方顶管机头长度，因本工程施工中第一节混凝土管节与机头之间是刚性连接，所以 H 应为机头长度+第一节管节长度； 为由土层性质决定的系数，取 1.5，见图 3。图 2 双排顶管纵向间距示意图=8=17.1kN/m3c=8.55kPaH=6.6mPp=Htg2(45 +/2)+2c tg(45+/2) =168.64kPaP0=H+2c=95.76kPa求得 d=0.504mLmin=(d+H) =14.256mLmin 取 15m，在工程实际过程中 L 始终
12、控制在 15m 以上。同时又对前方管道的侧向位移进行了跟踪监测，管道内每隔 6m 设一标志，利用经纬仪作同步观测，所得数据与顶管机顶进轨迹曲线相对照，未发现有超过顶管机侧向位移的情况。6.3 双排顶管引起的地层损失和沉降槽的预测双排平行同步顶管引起的地层损失，近期常采用有限元法，可以考虑多种地层，机头尾部空隙、灌浆等施工因素。在施工中为了便于应用，选择了 Peck 公式经验预测法，Peck 假定顶管施工引起的地面沉降是在不排水情况下发生的，所以沉降槽体积应该等于地层损失的体积，并且地面沉降曲线的横向分布是正态分布曲线。Sx=v1/(2.5I)exp(-X 2/2I2) Smax=V1/(2.5
13、I)Sx-距中心为 x 的地面沉降量V1-地层损失量，等于单位长度的沉降槽体积Smax-管道中心处最大沉降量I-沉降槽宽度系数I=H/2.5 tg(45-/2) H-覆土厚度R-顶管半径4其反弯点在 X=I 处，该点出现最大沉降坡度，在 X=3I 及 X=0 处，出现最小曲率半径。双排顶管沉降曲线 Peck 公式的地层损失理论有关论述，考虑到沉降在数值上远小于覆土厚度、顶管直径和沉降槽宽度，所以采用叠加法来估算双顶管的最大沉降，也基本可以满足等面积代换的原则。图 3 沉降槽示意图R1-顶管外径R2-管节外径V1=(R12-R2 )3.14=0.224m3I=H/2.5 tg(45-/2) =3
14、.03单管最大沉降：Smax=V1/(2.5 I) =2.96cm因双排顶管间距为 8.1m，所以取4.05m、8.10m 两处进行沉降量计算4.05m 处：S=1.21cm8.10m 处：S=0.08cm双管最大沉降分别出现在两根顶管的正上方Smax=3.04cm7 穿越电缆井的保护南侧顶管出洞后顶进约 50m，开始穿越动力和市话两座电缆井，见图 5。图 4 电缆井示意图施工前先在顶管机顶进轴线上每隔 3m 布置一 沉降监测点，同时在电缆井受影响的范围内布设5四排横向沉降监测点，间距为 2m。穿越电缆井时施工注意事项：(1)控制顶进速度不宜过快，一般在 15mm/min左右；(2)确保连续施
15、工，尽量避免顶管机在电缆井底部长时间停留，严格控制出土量，防止欠挖和超挖，从而有效地控制地面沉降，减小对电缆井的不良影响；(3)限制纠偏量，减小对土体的扰动；(4)加强润滑泥浆的压注管理，掌握好浆液注入量和注浆顶进结束后通过管道的压浆孔注入水泥浆，置换固化浆液，减少后期沉降。对电缆井的实际监测结果见表 3。表 3 顶管机穿越电缆井监测结果时 间累计沉降(mm) 1.16 1.18 1.19 1.20 1.21 1.22 1.24 2.201 0.5 -10.6 -14.9 -16.2 -17.6 -18.1 -18.5 -22.62 +0.1 -5.4 -8.7 -10.4 -18.9 -19.3 -19.6 -25.43 -0.2 -3.0 -4.0 -5.1 -16.2 -16.8 -17.3 -23.84 +0.4 -11.3 13.8 -15.8 -16.7 -17.6 -18.1 -24.05 +0.3 -2.8 -7.1 -8.5 -17.1 -19.5 -20.0 -25.16 +0.1 -2.3 -5.1 -5.9 -15.0 -16.4 -18.1 -21.3A +0.2 -3.4 -5.2 -6.4 -16.2 -16.9 -17.3 -22.4点号B +0.1 -2.2 -4.3 -5.
