摘要：本文通过介绍在复杂环境下全断面砂层中大直径格栅挤压顶管施工，着重对顶管周围环境调查、顶管机选型及构造、顶管施工过程中管土相互作用理论、顶力计算方法、顶管注浆减摩作用机理、顶进纠偏方法等进行深入分析，为以后类似大管径顶管施工提供参考和借鉴。
关键词：复杂环境；砂层；大直径；格栅挤压；顶管；注浆减摩；顶力计算；纠偏
1引言
顶管施工是继盾构施工之后发展起来的一种地下管道施工方法，顶管施工随着城市建设的发展已经越来越普及，我国在大直径顶管方面常规为DN3500mm，但是超过DN3500mm大直径顶管技术发展速度却比较缓慢。本文介绍在复杂环境下全断面砂层中DN4000mm大直径格栅挤压顶管施工技术，为同类施工提供参考。
2工程概况
三桥新街B段综合管廊下穿太平河顶管为平行直线顶管，分南北两根管道，顶程67.91m，轴线坡比为2‰，管间净距2.8m，河底宽8m范围管顶覆土5m，其余范围覆土深度11.5m。顶管管位垂直于轴线方向宽度12.08m，南侧8.58m宽度范围位于三桥新街南侧19m宽既有绿化带内，北侧3.5m范围位于快车道路面结构以下。
管道采用钢筋混凝土圆管，强度等级C50，内径D=4000mm，壁厚t=320mm，每节管长2.5m，单节管重27.1吨，合W=109kN/m，采用“F”型套环的承插式接口。
本工程管道穿越地层为中砂层，土的容重γ=19.8kN/m3，内摩擦角Ф=30o，土的内聚力C=0kpa，管与土的粘着力C′=10Kpa，地下水位埋深20m。太平河上宽15m，河底宽8m，枯水期水位0.5m，雨季水位2m，河底铺砌为30cm厚浆砌片石。
3复杂环境调查及重难点分析
⑴本工程管顶覆土深度11.5m，下穿太平河段管顶覆土仅5m，且全为砂层，属于浅覆土砂层顶管，根据顶管工艺的不同，会出现冒顶、塌方、渗水，甚至导致流砂、涌水等风险。
⑵管位穿越位置北侧侵入快车道3.5m，而且顶管外壁距离既有公路桥桩基设计净距为1.3m，如何防止既有路面沉降及降低对相邻桩体的影响是本工程重难点。
⑶管位上方距离工作井9m处，存在1根DN1500mm污水管道与管位轴线正交，污水管道管底与顶管顶净距2.5m，防止污水管道沉降及渗水是本工程的重难点。
⑷南北两根管道之间净距2.8m，属于近距离平行管道顶进，防止土体扰动加剧[1]，减少地面沉降也是本工程的重难点。
4顶管施工工艺及主要工序施工方法
顶管法施工是借助于主顶油缸及中继间等的顶推力，把掘进机从工作井内穿过土层一直推到接受井内吊起。于此同时，也就把紧随掘进机后的管道埋设在工作井与接收井之间，这是一种非开挖的铺设地下管道的现代化施工方法。图4为顶管施工示意图。
图4 顶管施工示意图
4.1顶管施工工艺流程
顶管施工的工艺可按图4.1所示流程作业。
图4.1 顶管施工工艺流程图
4.2主要工序施工方法
4.2.1顶进前准备工作
（1）导轨：导轨支架采用钢材制作，牢固固定在工作井底板上，在管道顶进的过程中不可产生位移，并经常检查校核。导轨安装时，必须根据管位高程测量放样导轨高程，两导轨应顺直、平行、等高，导轨对管道的支承角宜为60°，导轨的高度应保证管中心对准穿墙管中心，导轨的纵坡与管道设计轴线坡度一致。
（2）反力墙及后座：由于本工程工艺要求，工作井采用双格矩形型式，井壁厚度80cm，即为反力墙。后座安装在主站千斤顶与反力墙之间，采用钢制装配式后座，直接承受所有主站千斤顶的轴向反力，并均匀传递到反力墙及墙后土体[2]。
后座与导轨轴线方向垂直，允许不垂直度为5mm/m。采用钢制装配式后座，厚度250mm，构造为两层40mm厚钢板中间夹钢板网格，网格尺寸25×500cm，网格钢板厚度20mm，后座和工作井井壁之间填充C35素混凝土，厚度400mm。后座大样图如图4.2-1所示。
图4.2-1 后座大样图
（3）止水装置安装：由于管线穿越底层深度范围内无地下水，本工程采用简易出洞止水装置，由橡胶止水法兰板、钢压板组成。如图4.2-2所示。
图4.2-2 出洞止水装置
（4）管节生产及进场验收：本工程采用的DN4000mm顶管用管节属于非标准管节，需根据设计要求委托具有一定实力的厂家预制。严格控制管节预制质量，确保管节结构尺寸及强度达到设计标准。管节吊、运过程中，避免碰撞等，造成管节损坏。进场后，对管节结构尺寸、接口、附件及出厂检验合格证等进行验收，检验不合格的管节严禁使用。
4.2.2顶力估算
（1）顶管施工顶力估算
顶管施工过程中的阻力由两部分组成，包括顶管机的迎面阻力NF和管外壁与土体之间的摩阻力PF。
图4.2-3 顶力计算示意图
本工程顶力估算采用《给排水工程顶管施工技术规程》（以下简称“规程”）中的理论公式[3]：
式中：d—管道内径（mm），为4000mm；a—垫圈缩进量（mm），为40mm；经计算得：Ap=4088280mm2；Fdc=79939408.7N，合79939.4kN＞F0=38279.1kN，因此顶管管节允许顶力满足要求。
根据估算顶力38279.1kN，并考虑一定富余量及千斤顶功效，配置主油缸采用12台500T千斤顶，最大设计顶推力为60000kN，满足总估算顶力需要。千斤顶布置如图4.2-4所示。
图4.2-4千斤顶布置图
（4）中继间计算
适当考虑保险系数，即便估算顶力满足要求，也需要加设中继间[5]，按经验，当主油缸千斤顶的实际推力达到50%，即30000kN时必须安装中继间，当达到60%，即36000kN时必须启用中继间。第一个中继间安放的长度L1按下式计算：
L1=（0.5×F-NF）/（fk×π×D1）
经计算得：L1≈92m，因此不需要安设中继间。但是，考虑本工程施工环境复杂，安全风险大，保守起见，在顶进第七节管后增加一个中继间，中继间设计总推力F=13216kN，由每台推力为1000kN的中继间油缸20台组合而成，中继间油缸的行程为300mm。
4.2.3顶管机出洞
本工程管线穿越地层为纯砂层，在砂性地层中要做好加固施工是有难度的，对加固体的质量检验也难做到位。本工程设计加固措施采用直径60cm@40cm双重管高压旋喷桩满堂加固，加固范围为距离工作井外壁3.5m范围内布置6排，每排宽度与洞口侧工作井宽度一致。加固深度范围为顶管上下各300cm、200cm。加固后土体强度不得小于5Mpa。
本工程采用格栅挤压式顶管机，此种顶管机的缺点是没有土压或泥水平衡机械顶管机刀盘自带削切功能，进洞时，洞口加固旋喷桩需要提前破除，因此，在洞口处插入20根16m长拉森IV型钢板桩挡板作为洞口土体临时支护措施，顶管机进洞并靠近钢板桩挡板时，拔出钢板桩，转换为依靠顶管机格栅平衡前方的土压力，防止塌方。
4.2.4顶进过程控制
顶进过程中的主要工作偏差测量及轴线控制、出土、顶进纠偏等工作。
（1）偏差测量及轴线控制
顶管机在顶进过程中为三维状态，顶管机可能会发生方向偏差和自转偏差，方向偏差又分为水平方向偏差与轴线高程偏差，因此，顶管机在顶进中的方向与轴线控制主要有三个方面：
a.平面方位角偏差的控制，即：顶管机在水平方向与设计轴线产生α1角度的偏差；
b.轴线高程偏差的控制，即：顶管机在顶进中竖直方向与设计轴线产生α2角度的偏差；
c.自转偏转的控制，即：顶管机沿其轴线向一侧发生偏转角度α3。这种偏差不影响轴线位置，但过大时，可能会出现使顶管机无法正常操作的问题。
图4.2-5 顶管顶进中轴线偏差的形式
（a）平面方位角的偏差；（b）高程偏差；（c）自转偏转偏差
管道偏差测量每顶进500mm不宜少于1次，在纠偏阶段不宜少于2次。
管道顶进过程中，管道的水平轴线偏差≤50mm，轴线高程偏差－50～＋40mm，相邻管间错口≤20mm。
本工程顶管机采用双段式结构形式，由切削段、顶压段、中间密封装置三个部分组成。
图4.2-6 双段式顶管机的结构
控制千斤顶固定安装在顶管机的顶压段上。顶压段与切削段之间的密封，通过橡胶胀圈来实现，橡胶胀圈通过顶压段前端的两道钢环固定，这两道钢环的作用除了固定橡胶胀圈外，另一重要作用是承担将横向力从切削段传递到顶压段上去的任务，从而保护了橡胶胀圈，使之免遭损伤和毁坏。由于两个钢环靠得很近，这样顶管机切削段便有了足够的活动余地，在轴线控制过程中取得倾斜位置。双段式顶管机对控制动作的反应快，而且有效。
按照经验控制千斤顶总顶推力的总和需要超过最高前壁阻力与顶管机外壁阻力的1.5倍，顶管机前壁阻力8670.3kN，顶管机外壁阻力466.2kN。因此，控制千斤顶设计总顶推力为13704.8kN。
控制千斤顶的配置方式采用四点配置，属于超静定系统，即：两条互相垂直的主轴均与水平线呈45°角相交，如图4.2-7所示。配置8台200T千斤顶，控制总顶推力16000kN，每2台为一组，每组的2台千斤顶必须并联，以取得完全相等的压强。
图4.2-7 主轴与垂直线或水平线成45°交角的四点支承式千斤顶的作用
该配置系统在实现正俯仰、正侧转等控制，都能以有效、简便而且准确的方式，每次通过左右相邻或上下相邻两组千斤顶的同时顶出来完成。例如：顶进过程中，出现顶进轨迹向右偏离设计轴线，此时要实现向左纠偏，需要同时顶出b、f两组千斤顶，使顶管机切削段沿着a-e轴旋转，即实现正左转。在出现机会较少的俯仰与侧转复合方向控制运动中，则需有一组千斤顶在另一组千斤顶顶出的同时完成缩入动作，例如：顶进过程中，出现顶进轨迹向右下偏离设计轴线，此时要实现向左上纠偏，需要在顶出b组千斤顶的同时，a组千斤顶回缩，使顶管机切削段沿着e-f轴旋转，即实现左上斜转。如图4.2-7所示。
4.2.5出土
顶管施工出土分两个部分，一是顶管机预先切开土层，以使后续管路在尽可能小的外壁摩阻力下向前推顶。二是顶进过程中，进入顶管内的土通过专用扒渣机及传送带装置，将土送入运土车，运至工作井内，通过龙门吊吊出工作井。
4.2.6降低顶进阻力
顶进阻力由工作面前壁阻力和管外壁阻力组成。
（1）工作面前壁阻力
由顶管机圆周（切削刃）阻力和支撑工作面前壁以防止坍入管内的顶力组成。对于顶管施工，一般将两种阻力综合考虑，即：工作面前壁的总阻力。这种阻力取决于土层的密度及顶管机前端隔板的设置方式。根据土层密度不同，总阻力可取值于顶管机前端隔板面积每平米大约30到60吨之间，平均值一般为50吨/m2。
在工作面前壁上，不可能大幅度地降低切入阻力。顶管机前端格板必须经常均匀地切入前方的土层中，从格板上清除积土时，只能依靠工作面上的操作工人运用熟练的技巧来掌握适当的分寸。工人一方面必须从格板上清除相当数量的积土，以免无谓地升高推顶力，但另一方面，又绝不可以过多地除土，以免造成土层松散，特别是不能在切削刃附近造成土层松散，否则会出现工作面坍塌以致引起上部土层大量沉陷的危险。对于纯砂层顶进过程中，控制塌方尤为重要。
适量与否要凭工人的经验来判断，原则是不能造成顶管机格板前部土层塌陷，因此，在这方面富有经验的掘土工人，是顶管施工中特别宝贵的技术力量。
本工程采用双段式格栅挤压顶管机，该顶管机的主要特点如下：
a.预先切开土层，使后续管路在尽可能小的外壁摩阻力下向前推顶，从而最大限度地减少地面沉降。
b.支撑掘进作业空间，挡住挤压过来的土层，直到最后由后续的管子来承受全部荷载和压力为止。
c.挡护工作面前壁，防止土层坍落。
d.控制顶进管路按预定路线运动，保持偏差不超过容许范围。
（2）管外壁摩阻力
对于管外壁摩阻力，在很大程度上可以通过各种手段来施加影响。一般的做法如下：
a.管子表面光洁平滑，管子生产时严格控制圆度误差。
b.在管子表面热熔蜡，减小管土之间的摩擦力。
c.管子生产时，严格控制关节长度误差，减少管节累计误差，进而消除轴线误差。
d.通过顶管机及管子设置的注浆孔，注入支承-润滑介质，起到减少摩擦力的作用。
通常情况下，顶管机外径比顶进管道直径大2～3cm，这样土层可能不直接压在管体上，可以降低摩擦力，理论上只要土层足够坚硬，这种方法就会取到预期的效果。如果向管子和土层之间形成的空隙内压入支承介质，降低摩擦力的效果更可以大大提高。
上述降低管外壁摩阻力的措施，最有效、最关键的是注浆减阻措施。根据摩擦定律，顶管施工涉及的摩擦可区分为粘附摩擦（又称静摩擦）、滑动摩擦。摩擦定律公式为T=N·μ，摩擦系数μ是一个材料常数，与滑动面和滑动物体的表面性质有关，不以接触面积F的大小为转移。摩擦系数μ在静摩擦的情况下，一般大于滑动摩擦时的数值，因此，在顶进中断时间长的情况下，重新顶进时，会出现顶突然增大的现象。
在正常顶进的过程中，管土之间产生滑动摩擦，滑动摩擦又可分为干摩擦和液体摩擦。干摩擦是滑动体和滑动面直接接触，液体摩擦是滑动体和滑动面被润滑介质隔开。注浆减阻工艺技术应用的就是液体摩擦的原理。理想的液体摩擦需要对管顶的覆土压力和管道的自重及润滑介质三者之间形成力学平衡，管道“漂浮”在介质中，对于条件合适的顶管工程，是可以达到这种状态的。针对本工程管顶浅覆土、管道自重较大等因素，注浆减阻的理想效果为膨润土浆液填充与管周的上半部分，管底与土之间存在干摩擦是切合实际的情况。如图4.2-9所示。
图4.2-9 液体摩擦（左）、干摩擦（右）原理图
尤其是针对本工程管线穿越的地层为无粘性的纯砂层，在顶管机后部开始注入膨润土浆液，在管子周围形成较为完整的泥浆润滑套，在后续管节及中继间等处连续补压膨润土。关键的是顶管机压浆要与顶进同步，以迅速在管道外围空隙形成粘度高、稳定性好的膨润土泥浆套。
触变泥浆性能应满足表4.2-2所示的技术参数要求。
表4.2-2 触变泥浆技术参数
混凝土管注浆孔纵向间距每2节（即5m）一组。每组压浆孔在同一横截面上设5个，管底不设注浆孔。
4.2.7顶管机进洞
为保证顶管机顺利进入接收井，在格栅机头顶进至接收井旋喷桩进洞加固区位置时，使用一台带破碎锤小挖机从接收井内对接收井洞口设计旋喷桩进行破除。同时，在格栅机头前端人工采用风镐对进洞加固区旋喷桩进行破除，边破除边向前顶进。顶管机头过了进洞加固区后格栅机头应迅速、连续顶进管节，尽量缩短进洞时间。格栅机头整体进洞后，使用200T汽车吊将机头吊出接收井。
5质量通病防治措施
5.1出洞磕头
⑴顶管出洞时，启动靠近管底1/4部分的四个主顶油缸，将顶力合力中心降低，使顶管机的受力方向向上倾斜；⑵延伸导轨，使基坑导轨支点前移；⑶将前部管子同机头连接成整体；⑷洞口土体进行加固。
5.2轴线失控
⑴顶进过程中应特别重视测量工作，避免管道出现大的偏差；⑵在纠偏时必须坚持“早纠、少纠，看趋势纠偏和先纠高程再纠中线”的原则，通过增加高程、中线的测量频率，绘制管线高程、中线变化趋势图等手段来指导纠偏，并应平稳过渡纠偏；⑶交接班时，作业人员必须履行交接手续，防止信息不畅造成误纠。
5.3接口漏浆
⑴加强管材生产、运输环节控制，混凝土管节表面应光洁、平整，无砂眼、气泡，结构及接口尺寸符合规定；⑵检查橡胶止水圈材料、规格、型号与外观质量，应致密、均匀，无裂缝、孔隙及凹痕；⑶橡胶止水圈安装时不能有反转、挤出现象，缓慢顶进油缸，使密封圈顺利进入钢承口。
5.4管节破裂
⑴生产过程中，严格控制管节预制质量，达到龄期后，及时进行强度检验，确保管节强度达到设计标准；⑵管节吊、运过程中，避免出现碰撞等；⑶顶进过程中，采取措施降低顶管机前壁阻力及管周摩擦力；⑷严格轴线控制，及时、有效地进行测量纠偏；⑸顶进过程中，发现顶力过大或出现管壁外皮脱落现象，应立即停止顶进，查清原因，排除故障后，方可继续顶进。
5.5顶力过大
⑴施工准备时，详细研究地质报告，必要时，进行地质钻孔取样，查清地质情况；⑵详细调查周围构（建）筑物、地下管线等；⑶严格控制触变泥浆的材料、配置，及时检查压浆管路系统，防止出现偏压，造成顶力骤增；顶管机头后部注浆与顶进同步，后续管节及时进行补浆；⑷顶力一旦过大，立即停止顶进，切不可盲目顶进造成管道破裂，必须查清原因，及时处理障碍；⑸设有中继间的，及时启用中继间，逐段顶进，降低顶力。
5.6沉降过大或管顶塌方
⑴针对松散砂性地层，顶进过程中严禁掏挖顶管机前壁土体，必须靠顶力将切削刃口直接顶入土层，通过土壤自然休止角来稳定前方土体；⑵顶进过程中，顶进长度和出土量应严格匹配，防治出现出土量超过相应顶进长度设计出土量；⑶顶管施工完成后，采用一定比例的水泥浆液从注浆孔注入管外壁与原润滑泥浆进行压浆置换，以使管道外侧土体稳定，具有一定的强度，防止因注浆造成地面沉降；⑷必要时，通过地质雷达扫描，对顶管过程中产生的空洞进行填充压浆，防止工后沉降。
6结束语
顶管施工在国内发展至今已有60多年，已经成为一种地下非开挖施工的重要技术，尤其是在修建输水管道、地下人行通道、穿越铁路公路和河流等地下工程时，取得了良好的效果，收获了丰富的经济、社会效益。
目前国内大管径顶管施工技术成熟度尚未完善，三桥新街B段综合管廊下穿太平河顶管施工过程中，通过科学合理的施工组织，精心优化方案，最终顺利顶通。通过实践，总结了在复杂环境下全断面砂层中大直径格栅挤压式顶管施工技术要点，为今后类似顶管施工提供参考和借鉴。
参考文献：
[1]魏纲，魏新江，徐日庆.顶管工程技术.化学工业出版社，2011.1，北京
[2]Dipl.-Ing. Max Scherle [德国]，顶管工程.中国建筑工业出版社，1977著，1983.3译，北京
[3]CECS 246：2008给水排水工程顶管技术规程.中国计划出版社，2008，北京
[4]王承德.顶管管道允许顶力的重要性及其计算.特种结构，2009第5期
[5]葛春辉.顶管工程设计与施工.中国建筑工业出版社，2011.9，北京
论文作者:单宏义
论文发表刊物:《防护工程》2018年第6期
论文发表时间:2018/7/18
标签：顶管论文; 轴线论文; 千斤顶论文; 阻力论文; 土层论文; 偏差论文; 管道论文; 《防护工程》2018年第6期论文;