土压平衡顶管施工方法探究

土压平衡顶管施工方法探究

王常利

关键词：土压平衡；顶管施工；方法

1顶管施工技术的相关理论

1.1顶管施工的技术概念

顶管施工技术也可以叫做不开挖施工技术，顾名思义就是可以在一种不开挖或者开挖程度不大的情况下完成地下管道铺设工作、地下走线或者是一些维修工作。顶管施工技术被大量的应用在地下管道、电缆或者线路的铺设工作上，并且随着顶管施工技术的不断应用，人们对它的熟悉也在逐渐加强。下面我们列举一些常见的可以应用顶管施工技术的环境：在一些城市繁华地段，建筑物众多不乏包含一些历史保护建筑等。这种地理环境是无法直接开展大型的人力管道铺设工作的，我们可以选择使用顶管施工技术来完成管道铺设工作。

1.2顶管施工的技术原理

顶管施工技术主要是借用机械的力量，利用主定油缸以及管道之间的推理的作用下，将工具管或掘进机从工作坑内穿过土层一直推到接收坑内。如此一来在工作坑和接受坑之间就会直接形成一个通道，管道就可以直接在不影响周围环境的情况下无障碍通过了。由于主油缸的所产生的顶力毕竟非常有限，在工具管前进较远距离之后就会对泥土的摩擦力以及异物的阻力感到困难，所以往往在具体的顶管技术施工过程中采用分段施工的措施来解决这一力量短板。

2土压平衡顶管施工方法

2.1案例分析

本工程地下通道采用钢筋混凝土箱型结构，设计钢筋混凝土管节75节，管节内径6000mm×4000mm，单节重约42t，连接处设置异形钢管节2节，每节长7m，钢管节总重164t。通道线路与地面的振华路呈“正交”关系，振华路作为交通要道，若采用明挖法施工，交通疏解非常困难，且地下管线多、迁改周期较长，因此采用土压式顶管法施工。

2.2土压平衡式矩形顶管机介绍

本工程选用的多刀盘土压平衡顶管机，全长约6.403m，总重约205t，主要由切削搅拌系统、动力系统、纠偏及液压系统、壳体、螺旋输送机、测量显示系统、电气操作系统等组成。顶管机头采用6个切削式刀盘，其中3个2600刀盘前置，3个2800刀盘后置，各刀盘轴向位置布置有1寸土体改良剂注入孔，2个560孔径螺旋出土机，16个150t纠偏油缸，在顶管机中部靠上位置设置两个450mm×600mm人工清障进出口。推进系统主顶装置采用顶镐16只，行程2450mm，顶力2000kN/只。

2.3顶管施工关键工艺控制

2.3.1顶管进出洞

顶管进出洞口施工是顶管推进中的一项重要环节，其中涉及到洞口土体加固、止水装置安装、测量定位、顶管机就位、掘进参数确定等诸多因素。

1）洞口土体加固采用“门式加固法”，是对管道两侧和顶部一定宽度和长度范围内的土体进行加固，加固的方式有：注浆法、高压喷射搅拌法、冻结法。本工程始发、接收端土体加固采用600@450双管旋喷桩，始发端头加固长度3.2m，宽度为31.65m；接收端加固长度3.65m，宽度为33m。

2）洞门帘布橡胶板安装在预埋好的洞口钢环板上，预埋钢环采用8mm厚Q235钢板，并在延长洞门上预留注浆口等应急措施。

3）洞口测量及顶管机导轨定位采用全站仪、水准仪施工放样，确保通道的轴线、坡度、高程符合设计要求。顶管安装顺序为反力架安装→推进油缸安装→前盾安装→盾尾安装→刀盘安装→输送机安装→U型顶铁安装。

2.3.2顶管机姿态的控制

矩形顶管机方向控制难度大，为使通道按设计要求埋设，在顶进过程中，应随时掌握顶管机和已完通道的轴线空间位置数据，及时调整顶管机姿态，按照“先纠高低偏差，后纠左右平面偏差，最后纠正机头自转角”的原则进行。

1）顶管施工前，测量所使用的仪器仪表送专业机构做全面检定，并在使用过程中经常检查。2）每次顶进后应测量管节左右平面位置、高程、转角，分析偏差，调整顶管纠偏油缸的动作。3）顶进中顶管高程出现偏差，不宜改变土仓压力、排土量，纠偏油缸调整量不应太大。应根据土质情况，分析记录的数据，及时调整千斤顶微量纠偏。4）顶进中顶管左右位置出现偏差，早预报、勤量测，做到勤纠、微纠。顶进速度应尽量放慢，使刀盘对正面土体全断面切削，控制排土量，稳定土仓压力并控制在设定范围内。5）顶进中机头出现微小转角，采取刀盘纠转装置、注浆纠转等方法，应及时纠转。

2.3.3开挖面稳定施工管理

顶管开挖面的稳定是防止地面沉降引起周边建筑物及管线影响的关键因素，根据土压平衡式顶管的基本原理，开挖面稳定的关键是顶管机前端已切削泥土压力与正面土层土压、水压力保持相等。开挖面稳定施工管理的重点在于在顶进过程中，不断分析和调整顶进速度、土压力、排土量等相关掘进参数，并结合地下地上监控量测数据，使顶管机土仓压力和开挖面土层土压、水压保持平衡。

1）顶进速度控制。顶管推进速度一方面是保证工程进度的保障，另一方面是保证开挖面稳定、螺旋机出土量均匀的主要手段。顶管机的初始顶进是为正常掘进参数累积调整阶段，初速控制在10mm/min以内，正常顶进速度控制在10mm/min~20mm/min。

顶进速度的控制通过调整机头刀盘切削转速、主顶千斤顶的顶进速度和螺旋输送机排土速度来实现。本工程砾质黏土硬度较高，刀盘扭矩较大，为减小土体的扰动，D2800刀盘的转速控制在1.35r/min，D2600刀盘的转速应控制在1.58r/min。

2）土压力控制。按Rankine公式计算的土压力，可作为土压力的最初设定值，随着顶进不断进行，土压力值应通过顶进速度、排土量、地面沉降监测数据作相应的动态调整。土压力宜控制在1.5bar~1.8bar左右，防止土仓压力不足造成洞顶水土流失，出现土体坍塌。

正常顶进过程中，土压力的增减控制和顶进速度、排土量密切相关。如果土压力值过高，应适当降低顶进速度或增加出土量；反之，要增加顶进速度或减少出土量。

2.3.4注浆减阻

注浆减阻技术是大断面顶管施工中一项重要的减少顶进阻力的措施。常用的减阻注浆润滑主材有膨润土、人工合成的高分子材料。为使管节周边形成“泥套”，减轻顶进阻力，泥浆要具备不失水、不沉淀、不固结，既要有一定的粘度，也要有良好的流动性。注浆管路通常布置在顶管机前盾和成品管节预留注浆孔中，注浆孔要求均匀地分布于管道周围。顶进结束后应及时进行减阻泥浆的置换，置换时严格控制注浆压力及注浆量，保证工程质量。

3结语：

本例顶管施工几乎涵盖了当前顶管工程中遇到的覆土浅、大断面、多管小间距、上穿近邻地铁隧道、周边环境保护要求高等复杂、特殊的施工条件。施工中通过合理部署施工工序、严控各项施工技术参数、严控纠偏量，精心组织开挖面土压平衡管理，优化渣土改良，重视注浆管理和监控量测信息管理，确保了本工程安全、顺利实施。从监测数据来看，贯通误差±30mm、沉降量18mm、隧道位移6mm以内，保证了工程质量。

参考文献

[1]胡莉萍.市政给排水施工中长距离顶管施工技术研究[J].建材与装饰，2015（47）：20-21.

[2]邓小涛，廖海华，王涛.气压平衡顶管法及其在油气管道穿越软土地段的应用[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2015，42（04）：34-36.