1、砂性地质条件下顶管施工技术要点的探讨摘要： 本文针对南水北调保沧干渠工程（保定段）在砂性地质条件下大口径顶管穿越 107 国道的施工技术要点进行了阐述，根据工程特点实施了专门的施工方案，对以后类似工程施工具有一定的参考价值。 关键词：砂性地质；土压平衡；顶进施工；泥浆置换 中图分类号： TU74 文献标识码： A 前言顶管施工是一种地下管道施工方法，它不需要开挖面层，并且能够穿越公路、铁路、地下建筑物及地下管线等，切实解决了施工中遇到的实际困难，减少或避免了对交叉建筑物的破坏，节约投资也降低了施工风险。 一、工程简介： 本标段为管线工程，位于定州市内，穿越 3 个乡镇，14 个自然村。桩号从
2、14+600 至 29+830，管线全长 15.23km，为管径 2200mm 双管布置PCCP 管，工作内压 0.60.8MPa。保沧干渠顶管穿越 107 国道，穿越处与京广铁路间距约 30m， G107 两侧有架空光缆及地下光缆。穿越顶管采用双排 DN2600III 级钢筋砼管，管道壁厚为 260mm，两根套管间距14.88m，橡胶圈密封，顶进方法采用土压平衡顶管机进行顶进，内套DN2200 钢管输水管道。起止里程为 K20+623.47K20+683.47，长度 60m。顶管穿越的地层主要为砂性土，没有地下水。 二、主要设备及材料 顶管施工主要机械设备表 顶管施工所需管材表 三、施工流程
3、 四、 顶进施工及主要施工程序 4.1 施工方法和顶力计算 根据砂性土质条件，采用土压平衡机械顶管方法施工。该方法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） 。 顶力计算 使用经验计算公式： P NGL 其中： G 单位长度管体自重（KN/m） N 土质系数，本工程土质取 2.5 P 总顶力 L 最长顶距 按顶距最长（60m）计算顶力： DN2600mm 的混凝土管每节长为 2.5米，管重为 13800 千克/节。 则预测总顶力为： P = 2.56013800/39.
4、8 = 7400（KN） 约需 1000 吨的顶力推动。 4.2 工作坑尺寸 工作坑分为顶进坑与接收坑，其深度由设计管底高程决定。顶进坑需做 30 厘米厚的混凝土底板，管外底高程加上机坑轨道及底板厚度，就是顶进坑的坑底标高；接收坑标高与管外底标高相等。综合顶管机具的尺寸及作业要求，确定工作坑的净空尺寸：9.3 米（长）6.2 米（宽）7.6 米（深） 4.3 顶管工作坑做法 顶进坑底板采用钢筋混凝土浇筑，接收坑底板只需保留原状土即可。（1）管线调查：施工前对地下管线调查，实施对原有管线的保护方案，施工中不得损坏原有管线。 （2）探槽：先开挖相互垂直的二条探槽，分别平行于工作坑的两边，其长度大于
5、工作坑开挖范围 1 米，深度通常在 2 米左右。 （3）工作坑上口采用混凝土地圈梁、墙壁采用混凝土锚喷支护。 （4）土方开挖：上部采用挖掘机，下部土方在锚喷施作的同时人工挖土，使用吊车和土斗运土。 （5）地圈梁的施工：地圈梁尺寸为 600mm（宽）600mm（高） ，混凝土标号为 C25。 （6）锚杆：锚杆使用 50 超前小导管，长 4m，间距 1*1m 梅花布置，45斜插入原状土内壁。表面设双层 8 钢筋网 20*20cm，层间距20cm，喷射 30cmC25 混凝土。 （7）支撑：选用 30#工字钢做支撑，与钢格栅焊接在一起，每道支撑分步采用盘撑、角撑、直撑，角撑在四个方角内侧，长度为 1
6、.5 米。垂直的两道支撑间距不大于 2 米，最后一道支撑，距坑底 3.2 米。为便于吊装顶管掘进机，顶进坑的横支撑距后背墙不大于 2.8 米。 （8）墙壁锚喷：用钢筋与混凝土地圈梁下部的骨架连接，在地圈梁底部安放、焊接第一层钢格栅，钢格栅使用 22 的罗纹钢制作。作业时依次向下逐层施工，同层须分部位间隔挖土、安装钢格栅、钢筋网片，并锚喷混凝土。钢格栅的垂直间距：深度 5 米以上为 1 米，5 米以下为 0.5米；网片钢筋采用 6100100，双层；混凝土强度等级为 C25，材料为水泥、中粗砂、豆石（粒径在 0.51.0 cm） ，配合比为水泥：砂子：石子1：1.8 : 1.9，并加入速凝剂，速
7、凝剂为水泥重量的 35%。锚喷混凝土厚度为 30 厘米。为了保证安全，严禁同层贯通挖土，每层钢格栅需用竖向连接筋相互焊接，连接筋使用 12 罗纹钢，间距 1.5 米，若单面焊接，其搭接长度应大于 20 厘米。 （9）顶进坑底板：在挖深达到顶进坑底标高后施作底板，现浇 30厘米厚的 C40 混凝土，使用 20 双层罗纹钢，间距200200。底板预留 500500500mm 集水坑一个。 4.4 机械顶管后背 （1）机械顶管后背结构为：锚喷墙+混凝土+后背铁。 （2）在锚喷墙壁前垂直地面放置后背铁，后背铁与锚喷墙面之间的空隙以 C20 素混凝土浇灌填充。 （3）顶进坑后背要有足够的强度，在顶进过程
8、中能承受千斤顶的最大作用力； （4）后背墙表面要平顺，并且垂直于顶进管道的轴线，避免产生偏心受压。 4.5 导轨安装 导轨安装的准确与否直接影响管道的顶进质量，其安装要求如下： 两导轨要平行、等高，或略高于管道设计高程 2cm 左右，其坡度与管道坡度一致； 安装后导轨要牢固，不得在使用中产生位移，且需设专人经常进行检查； 将机械顶管导轨安放在工作坑底板上，导轨两侧牢固地焊接工字钢，工字钢另一端牢牢抵在侧墙上。 4.6 顶管机就位 用吊车将顶管机放入顶进坑内的导轨上，顶管机前端距井壁约 300毫米。就位后先检查顶管机的轴线是否与机坑轴线、导轨轴线以及主顶油缸的轴线保持一致，发现偏差立即调整。无误
9、后再进行顶管机电路、油路、注浆系统的安装调试。 4.7 机头入洞 洞口处采用人工向前挖土 500800 mm，再将机头徐徐推进洞口里，待刀盘全部进洞，然后调整刀盘，使其轴线、高程符合设计。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，只有轨道对机头的摩擦力，机头易发生旋转，故在入土前 2 米顶进时，顶进速度控制在5mm/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
10、大顶进速度。机头完全入土后，土仓压力控制在 5080KPa，安装第一节混凝土管做反封闭。 4.8 正常顶进 1） 土仓压力的设定：施工时设备自控可保证 10%的土仓压力，遇有砂层、下穿道路时，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，见下表（重量比）： 膨润土泥浆重量配合比 膨润土胶质价 膨润土 水 碱 6070 100 524 23 7080 100 524 1.52 8090
11、 100 614 23 90100 100 614 1.52 膨润土泥浆的拌和时间为 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 0.130.22 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
12、测量一次，测量时要注意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：观察光靶上激光点的行走轨迹，如发生偏移大于 20毫米，预测机头有向偏差大的方向发展的趋势时，用纠偏千斤顶纠偏。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
13、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，用小车将土运到顶进坑中，再使用吊车运到地面。 7）安装管节： 首先进行外观检查：管端面是否平直、管壁表面是否光洁、管体上有无裂缝等等，合格后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 35 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，在洞口中心部位打
14、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，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。 4.9 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。再关闭所有阀门，保压三十分钟，保压时注浆压力为 1 MPa。 4.10 雷达检测 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。 结束语 砂性地质条件下顶管施工，对如何防止工作坑边坡的坍塌、顶进过程中机头部位砂土因扰动发生塌陷，以及长距离顶进过程中如何确保管道轴线和高程符合设计要求，都提出了很高的要求。因此在顶进施工中，技术和操作人员都要及时了解情况，针对出现的问题采取切实可行的处理措施。
