泥水平衡顶管机穿越填土施工技术应用

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[摘要]结合南宁市轨道交通5号线降桥站～金桥客运站区间管线迁改工程中采用泥水平衡式顶管机长距离穿越填土地层过程中遇孤石障碍物的工程实例，对施工过程中的顶管机设备选型、泥浆制备、控制参数以及孤石障碍物处理等工法进行研究分析，取得了良好的施工效果，该施工技术可供类似工程参考。

[关键词]泥水平衡；顶管；长距离；填土；孤石；障碍物；施工技术

1工程概况

南宁市轨道交通5号线降桥站～金桥客运站区间管线改迁工程中W13～W15段截污管道需穿越现状道路及河道边坡，埋深较深，采用机械顶管施工方式。该段长度为109m，采用钢筋混凝土钢承口顶推管施工，管道埋深4.49～9.18m，管道穿越地层大部分为素填土地层，该地层以黏性土为主，夹少量碎砾石、砂土及植物根茎等，局部含有机质及粉土，土质不均匀。

2设备参数泥水平衡顶管施工

对所施工顶管周围土体扰动小，易控制地面沉降，可实现连续出土作业，顶进速度较快，适合长距离顶管施工。根据本工程地质情况及下穿现状道路施工安全的考虑，选用管径∅800mm的NPD型泥水平衡顶管机。主要参数如表1所示，构造如图1所示。

3泥水平衡顶管施工

3.1作业井施工

作业井分为工作井（始发井）及接收井。本工程顶管施工从W13往W15方向顶进，根据顶管始发、接收的作业空间及管节长度考虑，W13设置7.0×3.6m机械顶管工作井，W15设置5.0×3.6m机械顶管接收井，工作井及接收井均采用逆作法分层开挖浇筑，每层开挖深度为1m。工作井结构材料为C30混凝土、抗渗等级P6；接收井结构材料为C35混凝土、抗渗等级P6。

3.2后座墙施工

主顶站千斤顶与反力墙直接需设置后座，确定后座尺寸前，需先对管道的总顶力进行估算。根据CECS 246-2019《给水排水工程顶管技术规程》管道总顶力可按下式估算。 F0=pD1Lfk+NF （1）式中 F0——总顶力标准值，kN； D1——管道的外径，m； L——管道设计顶进长度，m； fk—— 管道外壁与土的平均摩阻力，kN/m2; NF——顶管机的迎面阻力，kN。估算出管道总顶力后，根据管道总顶力来确定后座的材料及尺寸，本工程实际采用高度2.0m，宽度3.6m的C35素混凝土后座。

3.3管材选择

常用的顶管管材主要有钢筋混凝土管、钢管、玻璃钢夹砂管。本工程管道为污水管道，管内水压力较小，3种管材都能满足要求。但钢管衬里及外防腐要求严格，必要时需作阴极保护，且与钢筋混凝土管相比造价相对略高；而玻璃钢夹砂管具有优良的物理性能，但生产工艺复杂，单价较高；管材选择还需考虑受力问题，管节允许顶力应大于总顶力。根据以上因素，本工程实际采用钢筋混凝土管Ⅲ级管，管径800mm，管壁厚度为100mm，管节长度2000mm（带注浆孔），顶管结束采用高压注浆机喷注混凝土回灌，填充管道与土壤之间的空隙，并固结周边土层。

3.4泥浆制备

众所周知，顶管的距离越长，管壁与周围土体的接触面积越大，导致摩阻力越大。在无法改变接触面积和土体压力的情况下，我们只能通过降低摩擦系数来减小顶管摩阻力。在目前施工中，最常见的就是采用膨润土触变泥浆来降低摩擦系数。根据CECS 246-2019《给水排水工程顶管技术规程》膨润土触变泥浆技术参数应满足表2。触变泥浆可用于粘性土、粉质土和渗透系数不大于10-5m/d的砂性土，本工程地质满足触变泥浆的使用条件，实际施工过程中，应反复进行试验比对，确定最优配合比。本工程施工配合比为：膨润土∶水=1∶10.5=200kg∶2100kg。

3.5施工参数控制

1）顶力控制顶管顶力是一个逐渐增大的过程，一开始进洞时顶管只受到迎面阻力；进洞后，顶管除了受到迎面阻力外，还收到管道外壁与土的摩阻力。根据公式(1)可知，在单一地层条件下，顶管的总顶力是线性增长的。我们可以根据式(1)分别计算出迎面阻力F1（顶进长度为0m时）与总顶力F2（顶进长度为设计长度时），按照理论我们顶力应该控制在F1～F2，考虑触变泥浆的润滑作用，顶力应略小于F2，控制在F1～0.75F2。实践过程中，影响顶力的因素很多，施工单位技术水平高低、施工操作方法等都会对定力有影响，因此顶力估算公式是存在一定的误差的，所以实际控制应根据现场实际情况来进行适当的调整。本工程实际施工过程中顶管机顶推力控制在3500kN以内。2）泥水压力泥水平衡式顶管机是通过调节出泥舱的泥水压力来稳定开挖面的，所以泥水压力的控制是泥水平衡式顶管机的重点。我们可以根据土力学主动土压力计算公式计算出顶管机刀盘处的主动土压力，根据土压力来初步设定泥水压力，考虑到土的孔隙率引起泥水压力的损失，实际泥水压力应略大于土压力，并根据地面监测情况及时进行调整。

3.6遇孤石障碍物处理方法

本工程顶管施工顶进至84m后遇孤石障碍物，导致顶管机无法继续顶进，此时顶管机已穿过现状道路处于人行道下方黏土地层中，埋深约9m。经过地质补勘显示所遇障碍物为许多直径不大的片石，现场采用放坡+钢板桩支护开挖剩余25m长顶管段，然后用长臂挖机移除顶管机前孤石障碍物，并对开挖顶管段内的土进行换填压实，换填压实完毕后顶管机继续顶进至W15接收井完成顶管作业，此方法规避了基坑内人工作业的风险，不仅排除孤石障碍物的工效高，而且避免了顶管停机时间过长而无法顶进的风险。如图2所示，钢板桩型号WRU13型，长度为12m，截面为槽型，钢板桩连接为套型锁口。钢板桩施打利用起重机与振动锤配合。钢板桩围堰由钢板桩和内撑组成，内撑系统有横撑和对撑组成，横撑采用400mm×100mm的槽型钢，对撑采用300mm×200mm的H型钢，每隔6m一道。横撑与钢板桩焊接，对撑与横撑焊接，增加钢板桩围堰的稳定性，钢板桩内间距2.5m。

4结语

在本工程施工过程中，根据以上施工措施及参数，顺利地完成了顶管施工，且工程质量良好，希望对其它类似工程可以起到参考和借鉴的作用。

作者:周雄威 曹亚奇 罗桂军 李文龙 欧阳天一 单位:中建五局土木工程有限公司