1、浅谈土压平衡顶管施工技术在市政工程中的应用 摘要 非开挖技术是市政工程建设常用到的新型技术，施工周期短、综合成本低等优点有很大的优越性，本文就某工程实例，分析了土压平衡顶管施工技术在市政工程中的应用。 关键词土压平衡 机械顶管 施工技术 1 前言 顶管施工技术是一种较好的既能保护环境、又能保证地面建筑及地下构筑物无干扰破坏的非开挖技术，广泛地应用于管道敷设工程中。与传统的施工方法相比，具有不影响交通、不破坏环境、施工周期短、综合成本低、安全性好等优点具有较大的优越性，近年来得到了很快的发展，并显现出无限的生命力。 改革开放以来，随着社会经济的高速发展，我国的城市化进程不断加快，城市人口数量不断
2、增大，市政公用管道建设不断升级，每年都有大量新增管线与老旧管线的修复与更换，有许多管道需要铺设在己经建成的道路或者其它城市设施下面，如果采用传统 的开挖施工方法，不但耗资巨大，而且会对城市环境、居民生活、交通管理等带来许多不利的影响，因此非开挖施工技术越来越受到人们的重视，对非开挖技术进行科学研究与科学试验的意义重大。 2 工程概况 某工程为太阳宫热电厂天然气管道工程局部。拟建管线长度 5000米，管径 500毫米，大部分为开槽施工，管线埋深在 1.5米至 2.0米之间；局部地段为顶管施工，管道埋深在 6.0米之下，套管采用 DN2000、接口为钢承口 F型。主要工程量有顶管穿越匝道 112
3、米（ DN2200），顶进坑 1 座，接收坑 1座。本区有三层地 下水，第一层属台地潜水，静止水位埋深为 1.70 5.20米，水位标高为 33.02 38.41 米；第二层潜水类型，水体埋深为 6.308.90 米，水位标高为 30.21 33.02 米；第三层也属潜水类型，水面距地面距离为 17.30米，水面标高为 21.85米；局部地段存在上层滞水。第一层地下水水质对混凝土结构有弱腐蚀性，在干湿交替作用条件下，对钢筋混凝土结构中的钢筋有弱腐蚀性，对钢结构具中腐蚀性。 3 顶管施工 3.1 机械设备 本工程所投入的主要机械为土压平衡机械顶管机及其辅助机具设 备，主要施工机械设备用量，详见表
4、 3-1、表 3-2。 表 3-1 顶管施工主要机械设备表 表 3-2 顶管施工所需管材表 图 3-3 机械顶管工艺流程图 3.2 顶管施工方法和技术措施 3.2.1 顶管施工方法 土压平衡机械顶管施工工艺流程见图 3-3，根据此次施工所穿越的土质，确定采用土压平衡顶管方法施工。土压平衡顶管施工是市政管道铺设的一项新技术，它省却了全线降水（仅工作坑位置降水），地面沉降小，对地面构筑物的稳定性影响小，施工不影响地面交通，顶进速度快（平 均顶进速度10 米 /天），适应的土质广。 顶力计算 通常确定机械顶管总顶力，使用经验计算公式： P NGL 其中： G 单位长度管体自重（ KN/m） N 土质
5、系数，本工程土质取 2.5 P 总顶力 L 最长顶距 按顶距最长的顶进段，计算顶力：长度 L 112 米， DN2000 毫米的混凝土管每节长为 3米，管重为 10800 千克 /节。 则预测总顶力为： P = 2.511210800/39.8 = 9878（ KN） 约需 1008 吨的顶力推动。 中继间的选用：施工时使用 4台 200 吨顶镐，共计仅有 800 吨顶推力，在顶进中需使用中继间，根据施工经验中继间可加在第 12 节管后，中继间以后的管道因为仅有摩擦阻力，没有机头的迎面阻力，相对所需的推力较小，可以仅使用一个中继间。 3.2.2 机头入洞 先将洞口处的墙壁凿除，洞口处，人工向前
6、挖土 500 800 mm，再将机头徐徐推进洞口里，待刀盘全部进洞，调整止水圈位置，使其完全封闭地下水。然后开动顶管机刀盘，待土仓压 力升到 0.1 MPa 时，这时螺旋输送机的土压也上升到 0.07 MPa 左右。掘进机开始入土时，机头外露，只存在轨道对机头的摩擦力，机头易发生旋转，故在入土前两米顶进时，顶进速度控制在 5 毫米 /分钟以下，以防机头整体旋转，并观测机头倾角和旋转变化，及时修正和调整。倾角的变化用纠偏千斤顶调正，旋转角大于 30 度时，可使用刀盘反转调正，顶进 2米以后在机头不旋转的情况下可逐渐加大顶进速度。机头完全入土后，土仓压力控制在 50 80KPa，下第一节混凝土管做
7、反封闭。 3.2.3 正常顶进 1） 土 仓压力的设定： 按计算表数值设定，施工时设备自控可保证 10%的土仓压力：遇有砂层、砂砾石层、下穿道路、离构筑物较近时，土仓压力设定适当加大 30%左右，以提高安全系数。 2）触变泥浆减阻：顶管过程中，须同步注入减阻泥浆，它是减少顶进阻力、提高顶进速度的重要一环，减阻泥浆采用膨润土配制而成。膨润土一般要求胶质价在 80以上。膨润土进场后，先测定其胶质价，根据胶质价确定配合比，见表 3-5（重量比）： 表 3-5 膨润土泥浆重量配合比 膨润土泥浆的拌和时间一般为 20至 30分钟。泥浆制备后， 须静置 24小时方可使用，使其充分吸水，膨润成胶体，使用比重
8、计测其比重，掌握在1.15g/cm3 为宜。 在机头尾部设置有触变泥浆注浆孔，顶进施工的同步注入触变泥浆，以形成原始浆套；每节混凝土管均有三个注浆孔，顶进过程中，通过注浆孔持续补浆。注浆使用挤压式注浆泵，注浆口压力控制在 0.13 0.22 MPa。视储浆池内触变泥浆下降的速度及顶镐压力表读数调节注浆压力。 3）顶进测量： 初始顶进每 1米测量一次，并做记录。正常顶进时，每顶进 3米测量一次，遇有纠偏每 1米测量一次，测量时要注意照射到机头 激光靶上的激光点和管道中心轴线的一致性，若出现偏差通知机手及时调整。测量人员分别绘制出管道中心及高程曲线图，随时预测机头的前进趋势。 4）顶进纠偏：不断地
9、观察光靶上激光点的行走轨迹，如发生偏移大于 20毫米，预测机头又有向偏差大的方向发展的趋势时，要采取纠偏措施。纠偏时开动纠偏千斤顶。纠偏时每 1米测量一次，并做机头和机尾的数据比较，有回归趋势时，保持一段顶进距离后，要停止纠偏，防止左右摆动。纠偏的原则是勤纠、微纠，每次纠偏量不要过大，而且要注意发展趋势，当上下、左右均发生偏差时，先纠上下、后纠左右。 5）顶进速度：顶进速度控制在 30毫米 50 毫米 /分钟，人洞后的前 10米以及纠偏时用较低速度，以后视出土情况、刀盘扭矩情况适当加快顶进速度。 6）出土外运： 掘进机刀盘切削破碎土体，由螺旋输送机将泥土输入到管道内部，使用土车通过管道将泥土运
10、入顶进坑中，再使用吊车运到地面，倒入泥土暂存区，定期外运。 7）安装管节： 管节下坑前先进行外观检查，包括管端面是否平直、管壁表面是否光洁、管体上有无裂缝等等，检查合格的管子用吊车放到顶进坑内的导轨上，进行顶进。 8）下管时，机头在 停止顶进的状态下，刀盘转 3 5分钟，在停机和同时螺旋输送机出土的情况下，排土液压门关闭，并断电以保证土压仓土压达到平衡。下管工序完成后，再顶进时，应先开刀盘，再依次开螺旋输送机、推进系统。 9）机头出洞：机头推进到距接收坑约 2 米处，拆除接收坑洞口处的墙壁，从接收洞口中心部位打进一根钢钎寻找机头，洞口处的土体开裂并向外凸出，仔细测量机头上、下、左、右的四个方向
11、，与出洞口的大小、位置合适时，启动主顶油缸继续推进，至中心刀露出时，停止推进。安置机头接收托架，然后，慢慢将机头推入接收坑内。 10）使用吊车将机头吊运出坑。 3.2.4 泥浆置换 顶管完成后及时对管道外壁进行充填加固，把原注入的膨润土浆置换掉。使用的泥浆置换材料为水泥加粉煤灰浆，其配比为水：水泥：粉煤灰 =5： 1：3。通过管道内部的压浆孔压注，注浆次数不少于三次，两次间隔时间不大于 24 小时。每二节混凝土管编为一组，分为注浆孔与排浆孔。将注浆泵清洗干净，吸浆龙头放入灰浆池内，开启注浆泵，打开第一组注浆孔，当第一组排浆孔冒出灰浆后，关闭阀门，再打开第二组，以此类推，直到全线完成。再关闭所有
12、阀门，保压三十分钟，保压时注浆压 力为 1 MPa。泥浆置换完成后，应拆除主通道浆管和管内弧形浆管就地清洗，以免浆液凝固堵塞。 3.2.5 雷达检测和设施拆除 泥浆置换完成后，需进行雷达检测，对雷达检测出的空洞地方，须再补注水泥 +粉煤灰浆充填；套管顶进、换浆、检测全部完成后，拆除顶镐、后背铁等顶管设备。 4 总述 顶进管的施工外观质量达到一定的要求。目测顺直、无反坡、清洁、不积水，管节无裂缝；顶管工作完成后，管道内部清扫干净，被碰坏的部分修复完好。本工程在采用顶管施工后，减少了大量的土方开挖量，缩短了工期 。减小了对周围建筑物和周边居民的影响。取得了良好的经济效益和社会效益。 参考文献 1. 陈家骏 .非开挖技术在排水工程中的应用研究，上海同济大学， 2008. 2. 龚解华 .上海非开挖技术协会筹备工作报告 .2002. 3. 张伟，陈星庆 .美国的非开挖地下管线施工技术 .探矿工程， 1996 注：文章内所有公式及图表请以 PDF 形式查看。
