馮向珍

【摘要】頂管施工可以避免傳統(tǒng)開挖施工所出現(xiàn)的影響交通、污染環(huán)境等不利因素，且具有快速、高效等特點，已經(jīng)應用于越來越多的管道施工工程中。新鄉(xiāng)市南水北調中線配套工程穿越濟東高速采用泥水平衡頂管施工法施工，先創(chuàng)性的將該施工工藝應用于碎石樁基礎中，取得了良好效果。

【關鍵詞】泥水平衡頂管施工技術；碎石樁基礎；南水北調中線配套

1、工程概況

新鄉(xiāng)市南水北調中線配套為輸水管道工程，其30號口門輸水管線向獲嘉縣供水，輸水管線長22.94km，主管采用DN1200的PCP管。該工程在樁號17+511.765～17+621.765處穿越濟東高速公路，高速公路交叉里程為K98+784，穿越總長度110.0m。為保證不影響濟東高速公路交通暢通，避免對道路進行破壞、減少環(huán)境污染，穿越工程采用頂進施工保護套管型式，即圓形混凝土套管+鋼管的穿越方式，頂管進出口與閥門井連接。頂管用套管為DN1800的圓形混凝土管，內設DN1200的鋼管；其中穿越高速公路限界部分總長55米，其他頂管穿越位置均為農田地。

穿越工程所在處地質情況為少粘性地震液化土地基，高速公路施工中采用碎石樁對地基進行處理，碎石樁嵌入液化土層深度約1m，采用粒徑20～50mm潔凈的碎石，成樁直徑0.5m，間距1.8m，梅花形布置。

泥水平衡頂管施工技術在穿越濟東高速碎石樁基礎中的應用，先創(chuàng)性的將該技術成功用于復雜地質條件下，技術安全可靠，取得了不錯了工程效果。

2、穿越處工程條件

2.1、 地質情況

30號供水管線穿越濟東高速公路中心樁號為17+570，地貌屬沖洪積平原，地形平坦。根據(jù)地層時代、巖性及空間分布特征，將建筑物場區(qū)地層劃分為4個工程地質單元，分別為：砂壤土（alQ42）、細砂（alQ42）、輕壤土（alQ42）、黃土狀重粉質壤土（al+plQ3）；其中液化土層為砂壤土（Q4），其下層的Q3輕粉質壤土不液化，最大液化土層深度10m，液化等級嚴重。

土巖體的物理力學性指標建議值表見表1。

2.2、 濟東高速地基處理方案

濟東高速公路施工中采用碎石樁對地基進行處理，碎石樁嵌入液化土層深度約1m，采用粒徑20～50mm潔凈的碎石，成樁直徑0.5m，間距1.8m，梅花形布置，其處理施工圖如圖1圖2：

2.3、 問題的提出

針對輸水管道穿越濟東高速部位面臨的少粘性地震液化土地基、碎石樁基礎、交通不能中斷等問題，尋求一種安全、快捷、高效的優(yōu)化施工的新方法意義重大。

圖1 碎石樁擠實平面圖

圖2、 碎石樁擠實橫斷面圖

頂管施工技術是一種管道鋪裝技術，無需開挖面層，有具大推力的液壓千斤頂可用在有遙控裝置的頂管掘進機的后方，使掘進機及緊隨其后的管道穿越土層，達到預先設計的位置上，被挖掘物質通過泥漿循環(huán)系統(tǒng)用泵排出，到達地表。該方法能穿越地面構筑物和地下管線及公路、鐵路、河道，節(jié)省大量投資和時間，對城區(qū)的交通、噪音、粉塵的危害和影響大大降低，是真正的無污染、高效率的施工技術。由于采用泥水加壓，能使開挖面保持穩(wěn)定，對所頂管子周圍的土體擾動比較小，施工引起的地面沉降也比較小。

目前國內開展的泥水平衡頂管施工，主要適用于各種粘土、N值小于50的砂土或者礫徑小于20mm、礫石含量不大于30%的砂礫石，不大適用于滲透系數(shù)大和卵石含量多的砂卵石底層，在碎石樁基礎中開展的案例更是少見，可以借鑒的成功工程實例不多。

3、 研究內容

3.1、 施工工藝特點

泥水平衡頂管技術施工原理是將置于工作井中的頂管掘進機通過主頂油缸向前推進至止水圈后，由電動機提供能量轉動掘進機頭刀盤來切削土層、粉碎石塊，并使之進入泥水倉與泥漿混合，然后由泥漿系統(tǒng)的排泥管泵送至地面；與此同時，機頭連同管道在持續(xù)頂進力的作用下，最終穿過土層到達接收井。在挖掘過程中，采用泥水平衡裝置來維持水土平衡，使頂進管道始終處于主動與被動土壓之間，可以達到消除地面的沉降和隆起的效果。

本工程選用的是頂管機選用D2630帶破碎功能的泥水平衡頂管機，泥水頂管刀盤設置耐磨的堆焊焊條焊縫，其破碎礫石大小為管徑的40%以下，強度可達200MPa。切削下來的泥土及碎石在泥土倉內形成塑性體，以平衡土壓力，而在泥水倉內建立高于地下水壓力10～20KPa的泥水、泥漿，以平衡地下水壓力。

圖3、現(xiàn)場主頂設備安裝圖

圖4、 泥水平衡頂管施工流程圖

3.2、 頂推力計算

根據(jù)本工程地質勘察報告和水文地質資料選取適當參數(shù)，根據(jù)規(guī)范及有關資料進行計算。

后座反力計算

忽略鋼制后座的影響，假定主頂千斤頂施加的頂進力是通過后座墻均勻地作用在工作坑后的土體上，為確保后座在頂進過程中的安全，后座的反力或土抗力R應為總頂進力的1.2～1.6。

式中：-總推力之反力，kN；

-系數(shù)，取a=1.5～2.5；

B-后座墻的寬度，m；

-土的容重，kN/m3；

-后座墻的高度，m；

-被動土壓系數(shù)（見頂管施工技術及驗收規(guī)范中表7.1.8），取1.42；

-土的內聚力，kPa；

-地面到后座墻頂部土體的高度，m。

2）頂力計算：頂管的頂力就是頂管過程管道受的阻力，包括工具頭正面泥水壓力、管壁摩擦阻力。

①管材受力分析（混凝土管DN1800）

頂管傳力面允許的最大頂力按下式計算：

式中：- 鋼管管道允許頂力設計值（KN）；

-管材受壓強度折減系數(shù)，可取1.00；

-管材脆性系數(shù)，可取1.00；

-管材頂管穩(wěn)定系數(shù)，可取0.36：當頂進長度<300m時，穿越土層又均勻時，可取0.45；

-頂力分項系數(shù)，可取1.3；

-管道的最小有效傳力面積（mm2）；

-鋼材受壓強度設計值（N/mm2）。

②頂管段總推力

式中： F-總推力（kN）；

F0-初始推力（kN）；

f0-每米管子與土層之間的綜合摩擦阻力（kN/m）。

式中： -管外徑，取1.648m；

-挖掘面前土壓力（取=150kPa）；

-地下水壓力（kPa）；

△P-附加壓力（一般取20kPa）。

=

式中：-水的密度（kg/m3）；

-地下水位到挖掘機中心深度。

式中： -綜合摩擦阻力（kPa），采用觸變泥漿注漿值；

-管外周長（m）；

-每米管子的重力（kN/m）；

-管子重力在土中的摩擦系數(shù)，取0.2。

3.3 施工工藝流程

泥水平衡頂管施工方案工序多，要求高，因此在施工過程中，應做好施工計劃，嚴格按照施工順序、施工流程進行。其施工順序如下：

測量引點→工作井施工→測量放樣→井下導軌機架、液壓系統(tǒng)、止水圈等設備安裝→地面輔助設施安裝→頂管掘進機吊裝就位→激光經(jīng)緯儀安裝→掘進機出工作坑→正常頂進→頂管機進接收坑，如圖4所示。

3.4、 施工細部注意事項

管線穿越濟東高速公路要求以“邊通車，邊施工”的方式進行頂管工程建設，對施工技術、施工質量要求更高，因此在施工中應嚴格按照有關施工技術要求執(zhí)行。

1）工作井方法：根據(jù)對擬建場地的土層特征、地下水位及施工條件的綜合分析，本工程的工作井采用排水下沉和干封底的施工方法。

2）降水方法：根據(jù)本工程的沉井施工特點分析，采用管井降排水結合井內泥漿泵明排水的降水方法。采用該方法降水不但施工方便、降水效果好，而且能有效防止粉細砂土層可能發(fā)生的流砂或管涌等不良現(xiàn)象發(fā)生，以此保證工作井施工的安全和順利進行。

3）頂管軸線控制措施：頂管要按設計要求的軸線、坡度進行。主要是掘進機頭部測量與糾偏的相互配合。糾偏原則為勤測勤糾和小角度糾偏。

4）地面及建筑物沉降控制措施：地表監(jiān)控采用地表觀測的方法，沿頂進軸線的管線保護和重要區(qū)段進行沉降跟蹤觀測，經(jīng)數(shù)據(jù)處理分析后作為及時調整掘進機參數(shù)的依據(jù)，減小地面沉降量。

5）管道的頂進在不良地層情況中，采取如下措施：

①少出土、多頂進，保持地層的穩(wěn)定。

②在頂進過程中，應該隨時注意工具頭前端的土壓情況，保證使工具頭前端土體不發(fā)生坍塌。

③在地質情況復雜的地層需要加注泥漿，以增加土體和易性和平衡土體的壓力。

4、 施工優(yōu)點

鑒于泥水平衡頂管施工法在新鄉(xiāng)市南水北調配套工程輸水管線穿越濟東高速中的成功應用，對其先進性和特點歸納入下：

1）頂進過程中的全自動化控制。機械式土壓平衡系統(tǒng)同排泥系統(tǒng)結合在一起，能有效地平衡土壓和地下水的壓力，同時機械自動地把挖掘出來的碎石、泥渣等通過管道輸送出去，有效地解決了地下水、地下構筑物等復雜地質條件對施工的影響，使得施工更安全、施工工藝更先進。

2）可有效地保持挖掘面的穩(wěn)定，對所頂管子周圍的土體擾動比較小，不影響社會交通；

3）泥水平衡頂管機操作較大，施工速度快，較復雜的地質條件也能夠實施，顯著提高了生產(chǎn)效率；

4）在地下水位比較高的情況下，頂進施工不必進行降水作業(yè)，徹底解決了降水難度較大及滲漏造成降水無效的難題。

5 、結語

綜上所述，基于泥水平衡頂管施工方法，結合穿越濟東高速工程交通保通要求，穿越部位碎石樁基礎、高地下水位的特殊地質情況，針對工程施工難點進行了深入細致的研究，提高了泥水平衡頂管施工方法應用范圍和施工質量，具有創(chuàng)新性，對于類似工程，可以參照采用。該施工方法在碎石樁基礎中的成功應用，一方面體現(xiàn)了該方法的優(yōu)越性和可實施性，另一方面對國內類似工程具有普遍的指導意義，彰顯了巨大的社會和經(jīng)濟效益。

參考文獻：

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