武汉市江夏区黄家湖大道电力隧道工程顶管施工关键技术研究

两种顶管施工技术比较摘要：随着我国经济持续稳定地增长，城市化进程的进一步加快，我国的地下管线的需求量也在逐年增加。加之人们对环境保护意识的增强顶管技术将在我国地下管线的施工中起到越来越重要的地位和作用。本文就江夏区黄家湖大道电力隧道工程顶管施工中两种顶进技术的应用，分析两种顶进技术的特点及各自适应条件，对比优缺点，同时总结了顶管顶进施工过程中的经验和教训，为后续施工奠定了坚实的基础。关键词：两种顶管技术比较；适应条件；优缺点Abstract:Withthesustainedandsteadyeconomicgrowthandthefurtheraccelerationofurbanization,thedemandforundergroundpipelineinChinaisalsoincreasingyearbyyear.Inaddition,people'sawarenessofenvironmentalprotectionenhancementpipejackingtechnologywillplayanincreasinglyimportantroleinundergroundpipelineconstructioninChina.Basedontheapplicationoftwokindsofjackingtechnologyintheconstructionofpowertunnelprojectofhuangjiahuavenueinjiangxiadistrict,thispaperanalyzesthecharacteristicsofthetwojackingtechnologiesandtheircorrespondingconditions,comparestheiradvantagesanddisadvantages,andsummarizestheexperienceandlessonsintheprocessofjackingandjacking,layingasolidfoundationforthesubsequentconstruction.Keyword:Comparisonoftwopipejackingtechniques，Toadapttotheconditions，Theadvantagesanddisadvantages.引言目前顶管技术最小顶进管的口径只有75mm，最大的已达到5m(德国)，大口径顶管有取代小型盾构的趋势。我国目前电力行业最大口径顶管内径为3.5m。本工程与其他工程相比，特点在于需要穿越河道和市政道路，施工风险大。管材口径大，顶距较长，顶进难度大。在顶管施工中较为少见。本工程创新性的分段采用斗铲式顶管与土压平衡顶管相结合的方式，在经济节约的前提下同时兼顾进度与安全。在类似工程中具有很强的借鉴意义。1、工程简介1.1工程概述江夏区黄家湖大道电力隧道工程，本标段电力隧道分为两种型式，其中明挖隧道段长度2306.9米，顶管段长度882.9米。按照设计顶管段有4座沉井（3座始发井，1座接收井），3段顶管，最长段444米（工程平面图见附件），采用的顶管管材为DN3500钢筋混凝土管。按照地质条件，综合考虑工程实际，本工程顶管使用挤压式顶管机和土压平衡式顶管机两种顶进方式。1.2本工程工程量序号项目单位数量备注1沉井座42顶管22#-23#米444324#-23#米364.3424.1#-24#米74.61.3地质情况根据业主提供的地质勘察报告，施工区域地质情况多为粉质黏土和含碎石粉质黏土，部分位置存在强风化泥岩。2、机头选型2.1顶管机类型2.1.1斗铲式顶管机一种敞口式机械挖掘顶管机，其内部装备有挖掘机械，可以实现工作面的分段式挖掘。破碎下来的土石可以通过传送带或者螺旋输送装置输送至后续的运输设备(如传送带，手推车或轨道式的运输矿车等)。机头照片机头断面图2.1.2土压平衡式顶管机也称为土压式顶管机或者EPB-顶管机，是一种封闭式的顶管机。在顶进过程中，顶管掘进机一方面与其所处土层的土压力和地下水压力处于平衡状态；另一方面，其排土量与掘进机切削刀盘破碎下来的土的体积处于一种平衡状态。破碎的土通过螺旋输送装置输送至后续的运输设备。2.2机头特性对比机头类型适应地层适用环境优点缺点斗铲式顶管机地下水位以下的砂性土和粘性土，但粘性土渗水系数过大或存在流沙地质慎用允许管道周围地层和地面有中等变形，精心施工条件下变形量可小于10cm。顶管机的操作和导向直接由现场操作人员完成，操作人员可随时观察工作面的情况，便于及时调整顶进状态；只要在地下水较少的情况下，该种顶管设备还可用于一般的岩石顶进，地质适应范围广；成本较低，顶进效率高。由于是人工进行控制，顶进精度较低；若遇到开挖面渗水过大或土质流动性较大，会出现掌子面失稳坍塌，地面塌陷等问题。土压平衡式顶管机软塑和流塑性黏土，软塑和流塑的粘性土夹薄层粉砂。粉质黏土含碎石较多时慎用允许管道周围地层和地面有较小变形，精心施工条件下变形量可小于5cm。由于每次顶进均可由电脑控制完成，顶进精度较高；地面变形很小，对上部构筑物破坏小；由于舱内土压与掌子面压力相等，开挖面稳定，不会出现垮塌的风险。受制于刀盘切削速率，顶进效率一般；每种刀具有其固定的作用，适应性低，若地层中存在岩石，需安装专门刀具，成本很高；结构复杂，维护成本高。3、工艺流程及操作要点3.1施工工艺流程两种施工方式，施工放样、复核工作井、接收井施工止水洞口、后背及基坑导轨安装搭建平台、吊架顶进设备安装基坑内进排水系统安装施工放样、复核工作井、接收井施工止水洞口、后背及基坑导轨安装搭建平台、吊架顶进设备安装基坑内进排水系统安装顶管机井上组装、试转下井就位安装开洞、顶进吊放首节管与机头连接初始顶进正常顶进机头进入接收井吊机头、拆设备检查井施工施工测量泥土池、控制间联动运行管道顶进前检查1.设备全部试运转；2.设备在轨道坡度高程；3.洞口密封情况；4.制定开封堵措施。土压控制测量与纠偏检测与监控确定施工参数安装中继间3.2顶管顶力、后座反力计算3.2.1顶管顶力计算本工程基于以下三个原因考虑使用触变泥浆减阻：1.减少顶管管道的轴向应力；2.泥浆做护套避免外管壁的磨损；3.纠偏时因有泥浆空隙，减小管道的带土顶进。4.推力的理论计算

F＝F1+F2

其中F一总推力

Fl一迎面阻力

F2一顶进阻力F1＝π／4.2*D2*P(D一管外径4.2m

P一控制土压力)P＝K*γ*H。式中K一被动土压力系数，根据本工程地质取0.6

γ一土的湿重量，取1.9T／m3

P＝0.6*1.9*12＝13.7T／M2

F1＝3.14/4.2*15.21*13.7＝278.7T

F2＝πD*f*L

式中：f一管外表面综合摩阻力，此处取0.25T／m2

D—管外径4.2M

L一顶距455m（本工程中最长段）

F2＝3.14*4.2*0.25*455=1500.13T因此，总推力F＝278.7+1500.13＝1778.83T根据以上计算，总推力需1778.83T，主顶油缸选用10台200T(2000KN)两级油缸，每只油缸最大顶力不超过200T，允许推力即为200*10=2000T。3.2.2后座反力计算本工程后座墙采用整体式现浇后座墙，后座墙外表面采用3cm厚匀质钢板，与井壁之间浇筑C50混凝土，使之成为整体，确保后座墙稳固。根据现场实际施工尺寸，计算后座反力如下：按照《顶管施工技术及验收规范》要求，后座反力可按照下式计算：=1.9*0.9*（19.8*5*5*3.69/2+2*39*5*√3.69+19.8*6.5*5*3.69）=5449.4kN式中：R—总推力之反力，kN；—系数，取1.5～2.5；B—后座墙的宽度，m；—土的容重，kN/m³；H—后座墙的高度，m；—被动土压系数，砂砾土取3.69；c—土的内聚力，kPa,根据地勘报告取39；R＞1.6F满足要求3.2.3中继站的设置两种类型。本工程采用中继站外部中继站内部3.3顶管安装准备工作轨道安装轨道安装顶进后背安装测量台安装洞口止水圈安装机电设备安装设备调试3.4顶管顶进3.4.1初始顶进顶进准备工作完成后，开始初始顶进。初始顶进在顶管工作中起着很重要的作用，一要穿过工作井洞口，在这过程中保证洞口结构不被破坏，同时泥浆不进入顶坑；二要保证高程、中心偏差最小，为正常顶进打下良好的基础。初始顶进长度为机头和第一节管节。顶管机进洞口是关键工序，由于顶管机重量大，在软弱地层中顶进，为防止顶管机在出洞时产生“叩头”现象，采用延伸导轨，并将前4节钢筋砼管与机头做成钢性联接，连接位置在每节管的四个对称点:初始顶进速度控制顶进用油泵站电机变频器进行速度控制，机头入洞阶段由于在加固区土体较硬，根据刀盘扭矩进行速度控制，速度大致控制在20～30mm/min，机头外壳需进行防转钢板焊接，防止因刀盘扭矩突然增大导致机头旋转，此阶段重点是找正管子中心、高程，偏差控制在±5mm之内，所以速度不要太快。机头吊装机头进洞3.4.2顶管机正常顶进①顶进主要参数泥土在整个顶管过程中起着关键作用，泥土的压力影响挖掘面的稳定性，塑性指标影响到切削下土体能否正常送到机内。土体改良剂配比要在优选货源的前提下优化配比，并能根据土质变化及时变化。初定参数：土压平衡式顶管泥土仓压力450KPa刀盘扭矩750KN/m顶进速度20mm/min斗铲式顶管挖土速度3m³/h顶进速度20mm/min机头顶进速度设定20mm/min,待顶管掘进机完全进入土体内即可正常顶进。正常顶进参数设置;土压平衡式顶管：泥土仓压力850KPa刀盘扭矩1050KN/m顶进速度35mm/min注浆压力0.18MPa刀盘注水压力0.12MPa刀盘注水量1.5方/m斗铲式顶管：挖土速度5m³/h顶进速度50mm/min最大顶进吨位1900t每次顶进前20米均为数据探索阶段，地面设置沉降控制观察点，结合顶进速度观察控制点，再调节预设的顶进速度、出泥速度、注浆压力、注水量和纠偏量等数据。在此阶段制定一个精准的顶进参数依据。②顶进操作程序土压平衡式顶管：启动输送带管和注浆泵机头顶进：工作井顶进千斤顶设定顶进速度，同时调整螺旋出土机频率，使土仓压力保持在正常工作范围内，刀盘扭矩保证在正常的设定范围，压力计测量压力。一车泥出满后停止顶进和机头运转，往外出泥。斗铲式顶管：启动油泵，开始顶进，每次顶进长度5-10cm左右，待机头前段渣土进入机头后，停止顶进，使用挖机将渣土扒至传输带，输送到泥土车，泥土车装满后停止传输带，泥土车使用有轨电瓶车运输到井口，用吊车将泥土车调到弃土场倾泻，如此循环顶进。正常掘进渣土吊运③操作注意事项：机头刀盘扭矩数据发生异常时需判断原因，是否是土质变化或是遇到其他特殊障碍物。泥土仓压力突然变化时，判断是否出泥不畅通。顶力突然增大时查看顶速是否与出土量匹配，或是观察注浆情况和土质是否有变化。管道内或者机械异响时要及时查明原因排除故障。遇到上述任何异常情况必须停机查明原因，排除故常后方可顶进。顶进过程中随时观察机头前段土质变化及有无渗水情况，土质变化较大时应及时停止顶进，上报业主，采取保护措施。顶进掌子面如发现有渗水情况，应及时停止顶进，人员撤离、关闭电源，待渗水情况查明并排除透水风险之后，再进行顶进作业。3.5顶进测量控制为了保证顶进轴线控制在设计轴线允许偏差范围内，在顶进过程中要加强检测。轴线测量的控制系统设在工作井内液压主顶装置中间。施工中需经常对控制台进行复测，以保证测量精度，控制台基础应用混凝土浇筑在沉井底板上。按独立坐标系放样后用测量控制台使它精确地移动至顶管轴线上，用它正确指挥顶管的施工方向。顶管轴线测量定向。在后座千斤顶站中间的钢质仪器平台上，用激光全站仪直接读出误差值，供操作人员参考进行纠偏。由于泵房内基线较短，控制顶管总长度误差也较大。为此，在顶进方向设置3个后视点，随时进行校核，以防止顶进过程中基坑受力造成的基准点位移，基坑基准点每顶进五十米复合一次，所以对测量人员要求较高，不论是仪器对中还是后视对点都要求精细，必须精心操作。3.5.1管道纠偏顶管要按设计要求的轴线、坡度进行。主要是掘进机头部测量与纠偏的相互配合。纠偏是完成管道线型的主要手段。纠偏原则如下：①勤测勤纠：即只要机头发生微小偏差纠操作员将机头现在纠偏角度、各方向上千斤顶的油压值、轴线的偏差输入电脑。电脑将显示出纠偏方法、数据，再按此进行纠偏。②小角度纠偏：每次纠偏角度要小，微机每次指出的纠偏角度变化值一般都不大于0.5。当累计纠偏角度过大时应及时反应，决定如何纠偏，此时应特别慎重。③纠偏操作中不能大起大落，如果在某处已经出现了较大的偏差，这时也要保持管道轴线以适当的曲率半径逐步地返回到轴线上来，避免相邻两段间形成的夹角过大。顶管施工质量控制项目允许偏差钢筋砼管最大偏角0.3°管线轴线偏差L≤100m30mmL>100m100mm标高偏差L≤100m+30～-40L>100m+80～-80相邻管节错口≤15mm无碎裂近接口抗渗试验应达0.5MPa内腰箍不渗漏，橡胶止水圈不脱出测量控制系统3.6触变泥浆减阻顶力的控制关键是最大限度地降低顶进阻力，而降低顶力阻力最有效方法是注浆。我们设想在管外壁与土层形成一条完整的环状的泥浆润滑套，改变原来的干摩擦状态。这样就可以大大地减少顶进阻力。要达到这一目的，应做到以下几点：=1\*GB2⑴选择优质的触变泥浆材料膨润土取样测试，其主要指标为造浆率、失水量和动态塑性指数比，这些指标必须满足设计要求。=2\*GB2⑵在管子上预埋压浆孔，压浆孔的点要有利于浆液形成环状。=3\*GB2⑶浆液的配制、搅拌、膨胀时间，都必须按照规范执行。=4\*GB2⑷压浆方法要以与顶进同步注浆为主，补浆为辅。在顶进过程中，要经常检查各推进段的浆液形成情况。还可以通过各中继间和主顶装置的油压值推算出各段的注浆减阻效果，从而及时加以改进。=5\*GB2⑸注浆设备和管路要可靠，具有足够的压力和良好的密封性能。=6\*GB2⑹注浆工艺必须由专职人员进行操作，质检员定期检查。当机头全部进入后封闭后，开始由机头向管外壁注触变泥浆，使管外壁形成泥浆套。泥浆注浆注意事项：=1\*GB2⑴注浆孔设置顶管机尾部一共设置4道自动注浆孔，每道断面上布置3个注浆孔，孔相互交错，注浆管布置如下图：=2\*GB2⑵注浆方法注浆原则：先压后顶，随顶随压，及时补浆。注浆应由专人负责，一人在地面，一人在管道内。注浆以顶管工具管后自动注浆为主，注入浆液形成浆套。根据压力表显示只有在前几节管注足时，才向后面的管补浆，顶进距离超过100m后，要加高人工补浆的密度。本工程每1米注浆量计算如下：V＝πDWTL＝3.14×4.2×0.05×1＝0.6594m³0.6594*1.6=1.055m³按照地质条件。一般压浆量为计算的150％～200％，本工程在粘土顶进，按照160％进行注浆量控制。=3\*GB2⑶注浆控制注意观察浆池内浆面是否下降，若下降，则表示浆在往管内输送，另外观察注浆泵上的压力表和注浆管前端的压力表，压力是否正常，注浆管前端的正常压力应控制在主动土压力与被动土压力之间，出洞后可调试。根据本工程特点，连接管后方每2节管（每节2.5米长）布设1节注浆管，依次调整注浆孔的位置，确保每个方向都能注浆。3.7中途停工和无法顶进时的处理措施顶进作业一开始，中途就不能停顿。如果停止一段时间后再顶进，其起始顶力要大大超过停工前的顶力。这主要是由于停工时间过长，使管顶土层坍落的缘故。在地下水位以下顶进时，因停顶而使液化的土体将管周围包裹起来，顶力也会大大增加，如果顶力增加至管材或后座墙的设计强度，此时就不能再顶进，必须采取措施，分析原因，降低顶力后方可再顶进。如特殊情况下无法顶进时需采取以下处理措施:=1\*GB2⑴土压平衡式顶管工艺，每隔4小时需观察机头开挖面土压是否泄压，如压力不够，容易开挖面失稳，需对土仓进行泥土加压。=2\*GB2⑵斗铲式顶管工艺，观测顶进压力，若发生顶进压力过大时，需增加注浆量，加快土方开挖速度，以平衡土压。=3\*GB2⑶注浆浆液容易流失，要经常观察注浆压力，一旦流失要及时补浆，根据以往经验，每隔6个小时就需补浆一次。=4\*GB2⑷主顶千斤顶要经常拉动，每隔3小时左右就要对千斤顶进行伸缩几次，以确保管线在千斤的作用下会弹性伸缩，这样会防止泥土抱住管壁，减小启动顶力。=5\*GB2⑸及时安排组织人员解决故障，尽快恢复正常顶进。3.8管内通风需要通风时采用压入式通风，空压机安装在地面沉井工作平台上，用硬质通风管道把风送至沉井底部，并用同直径的软质橡胶通风管道，从管内把风送至端部机头处，管道较长时每100米增设一台鼓风机，共同辅助通风。3.9顶管出洞顶管出洞前，必须进行以下的控制，确保顶管顺利出洞。

=1\*GB2⑴

对顶管整个系统的安装，单机调试进行全面检查，并进行设备联运调试。

=2\*GB2⑵

检查洞口橡胶止水圈的安装是否牢固，尺寸是否准确，是否能完全封堵机头与洞口空隙。

=3\*GB2⑶检查洞口前方的土体是否正采取了加固措施，洞口前方是否建立了沉降监测。机头出洞时，顶进操作应谨慎平稳匀速推进，首节管出洞口后应立即开始均匀压注触变泥浆。在管节出洞10～20m范围内，检查并督促施工员将切土、出泥、顶速、土压、轴线、标高等施工参数逐渐调整至正常状态。3.10顶管完后泥浆置换和洞口止水加固=1\*GB2⑴泥浆置换由于本工程管道穿越地层主要为粉质黏土及含碎石粉质黏土，为保证管道稳定，在管道顶进就位后，立即进行管道基础注浆加固，以防止管道下沉。利用管道内的注浆孔向管外注浆加固，置换顶管施工过程中的触变润滑浆，最大限度的填充管道周围的土层空隙。注浆顺序：每段注浆从第一孔开始，直注至下一孔出浆，依次注完。每段注浆后，静止6～8小时后进行第二次注浆。第二次注浆压力不变，直至压不进为止。=2\*GB2⑵洞口加固由于工作井与接收井预留洞口比管道外径尺寸要大,顶管施工完后需封堵洞口与管外壁的间隙,同时对洞口区域管道进行加固。管壁与洞口之间的缝隙采用优质油麻封堵，并浇筑30cm厚的砼挡水墙，在洞口区域地层进行分层注浆止水加固。施工中的创新与总结本工程顶管施工难度较大，施工前充分考虑、研究顶管所处地质，周边环境，施工要求，分段采取了两种顶进方式，充分发挥了各自优点。通过两种顶进方式相结合，做到了既节省成本，又快速、顺利、高质量的完成施工任务。⑴22#-23#段顶管埋深大，地质