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【摘 要】顶管技术是一种非开挖式的管道施工技术，具有对周围环境影响小、施工速度快等特点，在大口径引水管道工程中起着至关重要的作用。本文主要针对大口径顶管技术在引水工程中的应用展开了探讨，结合工程实例，对施工关键参数计算作了系统的分析，并针对在施工中遇到的问题，提出了一系列的解决办法，仅供参考。
【关键词】大口径；顶管技术；管道；计算；措施引言
顶管施工是继盾构施工之后而发展起来的一种地下管道施工方法。它是利用推进机等工具，非开挖敷设地下管线的先进施工方法，相对于传统的管道铺设方法而言，具有很强的优势。大口径引水管道是现今城市中常会面临到的工程类型，顶管技术在其实际应用中有一定的复杂性，因此，为了确保管道施工的顺利开展，保障施工的安全与质量，需要加强对顶管施工的主要应用技术的分析和研究。文章将以某大口径引水管道工程为例，对该工程应用顶管施工技术进行深入的探讨。
1 工程概况
1.1 管道情况
某顶管施工，管顶的覆土深度为4.1～9.6m。根据过水截面要求采用4条DM2.8m的钢筋混凝土管，管道净距3.54m，管材接口采用F形，顶管段长185m，采用泥水平衡时，顶管机逐根顶进施工。
1.2 工程地质
本工程地质勘察报告显示，施工场地内覆盖土层主要分为人工填土层、冲积土层、残积土层；基岩为石炭系灰岩、炭质页岩；具体分层情况如下:
(1)人工填土层:人工填土，灰色、灰黑色、灰褐色、灰黄色等，为素填土，部分为杂填土，主要由粉质粘土、砂土、淤泥质土及碎石等回填而成，欠压实或稍压实，顶面高程4.60～7.60m，层厚2.0～3.0m，平均层厚3.0m。
(2)冲积土层:
层中砂、粗砂:灰色、灰白色、灰黄色，饱和，稍密状，大部分砂质较纯，局部含少量粘粒。顶面埋深2.0～4.50m，顶面高程2.0～5.20m，层厚4.50～12.70m，平均层厚6.85m。
层粉质粘土:灰黄色，可塑状，土质较软，粘性较差，局部含较多中细砂。顶面埋深8.50～11.8m，顶面高程-5.30～-1.90m，层厚0.70～4.60m，平均层厚2.08m。
层中砂、粗砂:灰黄色、灰白色，饱和，中密状，大部分砂质较纯，局部含少量粘粒。顶面埋深7.90～14.20m，顶面高程-7.70～-0.70m，层厚1.20～9.50m，平均层厚5.86m。
(3)残积土层:为粉质粘土，灰黑色、灰褐色、褐黄色，为炭质页岩或灰岩风化残积土，可塑状，局部软塑状，粘性较好。顶面埋深11.60～21.60m，顶面高程-15.1～-4.40m，层厚0.70～10.90m，平均层厚3.10m。
(4)石炭系基岩:场地内基岩为石炭系下统石磴子段炭质页岩或灰岩。
1.3 顶管机选型
由工程地质资料可知，顶管管道通过的地层主要处于中粗砂层。因此，工程中选用一种具有破碎能力的泥水平衡的顶管机，泥水平衡式工具头型号采用DN2800。其切削下来的泥土在泥土仓内形成塑性体，以平衡土压力，而在泥水仓内建立高于地下水压力10～20kPa的泥水、泥浆，以平衡地下水压力。
1.4 施工流程
根据施工现场环境和机械设备，本工程所采用的泥水平衡顶管顶进施工工艺流程，如图1所示。
2 施工关键参数计算
由于地质因素、土层改良方法、掘进参数等一系列因素的影响，顶管工作过程的力学参数计算是一个非常复杂的问题，在计算的方法上存在许多不确定因素。至今应用的顶管参数计算方法在很大程度上只是处于研究、探索阶段，甚至很大程度上是一些经验性的计算方法。本文根据该工程的地质勘察报告和水文地质资料选取适当参数，并结合顶管机生产厂家设计数据进行参数计算。
2.1 顶力计算
顶管计算的根本问题是要估计顶管的顶力。顶管的顶力就是顶管过程管道受的阻力，其包括工具头正面泥水压力、管壁摩擦阻力。计算顶力值计算公式为:
F＝F0+F1 (1)
F0为顶管初始顶力:
F0＝αpeBc2π/4 (2)
F1为顶管管壁摩擦阻力:
F1=RSL (3)
式中，α为综合系数；pe为土仓的压力，kMpa；Bc为管外径，m；R为综合摩擦阻力；S为管外周长，m；L为推进长度，m。
将工程数据代入公式(1)～(3)中计算可得，总计算顶力F值为1242.67t。因此，顶管顶进的后座采用8个200t的千斤顶，总推力有1600t，同时，加设1座中继环。中继环设计总推力为600t，拟在距离工具头80m处设置。
2.2 后座墙稳定计算
本工程工作井后座设计定力为1300t，大于1242.67t(设计最大推力)。因此，后座墙是稳定可行的。
3 施工中遇到的问题及解决办法
3.1 管道轴线控制
在大口径长距离顶管施工中，管道能否按设计轴线顶进是顶管施工成败的关键因素之一。管道失稳是由于管道周围土体提供的抵抗力矩小于偏心顶推力而产生的扭转力矩，造成管节偏离设计轴线。因此，在施工过程中，要有一套能精确控制管道顶进方向的导向装置。
本工程在顶进井后座位置设置测量基座，测量基座由地面引入地下，避免工作井的变形引起的误差，将激光经纬仪放置在其上调平后，使激光经纬仪发射的激光沿着顶进方向水平射出，打在顶管机的测量靶位上，通过视频传输至操作台上，从操作台的电视机上读出顶管机的偏差，实时记录偏差情况，正确引导顶管机纠偏。该系统可以根据纠偏需要通过调整纠偏千斤顶的伸缩量灵活调整顶管前进的方向。在顶进过程中要贯彻“勤测，勤纠，微纠”的原则，要及时掌握顶管机的走势，不能剧烈纠偏，纠偏角一般不得大于0.5°。
3.2 顶管进出洞口的措施
在顶管施工中，把顶管机从顶进井中经过洞口渐渐顶到土中的这一过程称之为出洞。顶管施工中进出洞工作十分重要，在施工中必须要考虑到它的安全性和可靠性。考虑到本工程管道埋设浅和地质情况等，采用以下进出洞措施:
(1)为了使顶管进出洞口不发生水土流失而导致地面塌陷事故，必须在进出洞口安装可靠的止水圈。洞口止水圈主要由预埋钢环、压板、橡胶圈和安装钢环组成。预埋钢环的内径同预留洞口一样大小，安装钢环是布置顶管工作井时焊在预埋钢环上的。在安装钢环上焊数根安装橡胶圈和压板用的螺栓，在安装钢环焊好后就进行橡胶圈和压板的安装。
(2)施工时，在洞口采用门式加固，即对所顶管道外径的两侧和顶部的一定宽度和长度的范围内进行加固，对穿墙管前方土体采用Φ0.6m、Φ0.45m搅拌桩加固，共4排，加固长度约27.6m，由此提高该部分土的强度，从而使工具管在出洞或进洞时土体不发生坍塌现象。
(3)顶管机机架就位时略上仰，以平衡重力影响，机头对准穿墙位置，管段稍稍向上仰3～5cm，这样更有利于机头穿墙和正常顶进。
(4)在机头出洞过程中顶进方向要尽力保持水平，机头尚未完全出洞不得纠偏，出洞后纠偏不得大起大落。
3.3 管道抗扭转措施
顶进过程中由于周围土质的变化，纠偏的影响及管内设备的不均匀性会造成推进时管道发生不同程度的扭转，直接影响到施工质量。因此主要采用以下措施:
(1)在管内设备及管道安装时，根据重量平衡原理，在安装设备及管材的另一侧配以相同重量的配重，使管道顶进时左右重量保持平衡。消除人为造成管道扭转的因素。
(2)顶进时在掘进机及每个中继环处设有管道扭转指示针。一旦发现微小的扭转即用单侧加压配重的方法进行纠扭。压铁单块重量为25kg。
(3)掘进机若发生扭转，则将左右两只抗扭转翼板向外推出。推出越长，抗扭力矩就越大，当掘进机平衡时则缩回翼板即可。
3.4 管壁外的泥浆减阻
在长距离顶管中，随着距离的增长，管道经过不同的土质时，推力上升的很快，一旦摩擦阻力过大导致管道所受顶力不均匀，顶力超过管所承受的极限时，管就有可能破坏。因此，管壁外的减阻是使工程顺利完成的必要措施。而降低顶进阻力最有效的方法是压注触变泥浆。本工程采用顶管掘进机尾部同步注浆和中继环后面管段补浆两种方式进行减阻，效果良好。
3.5 地面及建筑物沉降控制
地表监控采用地表和深层观测相结合的方法。沿顶进轴线的管线保护和重要区段进行24h跟踪监测。对地面的观测点每天进行1～2次沉降跟踪观测，经数据处理分析后作为及时调整掘进机参数的依据，减小地面沉降量。
顶进过程中地面沉降控制为:地面隆起的最大极限为+13mm；地面沉降的最大极限为-13mm。为防止沉降较大，可采取如下处理措施:
(1)施工前，在工程地质条件和环境情况进行周密细致的调查的基础上，制定切实可行的施工方案，并对距离管道近的建筑物和其它设施采取相应的加固保护措施。
(2)顶管顶进时，要严格遵守操作规程，及时进行测量，避免大角度纠偏。同时，严格控制管道接口的密封质量，防止渗漏。避免因渗漏引起的土层流失，并最终导致地面沉降。
(3)出土顶进时，注意保持等体积置换:即在管内挖掘土方的体积Q土完全等于顶入管子的体积Q管(Q土=Q管)，所以每次顶进都经过一定的计算，尽可能相等。
4 结语
综上所述，顶管技术适应了现代化管道施工的发展要求，在资源和成本的节约方面取得了较大的成效，能减少对环境污染和道路的堵塞，具有显著的经济效益和社会效益。在实际的大口径引水管道工程中，顶管技术的应用给其带来极大的便利，无论是在施工的工艺上还是施工的效率上都有很大的提升，工程施工的质量也得到了很好的保障。实践证明，顶管施工技术是一项经济的、可行的施工方式，可广泛推广与应用。
参考文献
[1] 姜晓亮.浅谈大口径供水管道的顶管施工技术应用[J].建筑工程技术与设计.2014
[2] 王兆铨,汤学兴,傅永平.大口径顶管技术在水利引水工程中的应用[J].非开挖技术.2014
[3] 陈思.浅谈大口径自来水管道施工中的顶管技术[J].黑龙江科技信息.2016
论文作者:陈秀峰
论文发表刊物:《低碳地产》2016年10月第20期
论文发表时间:2016/11/24
标签：顶管论文; 管道论文; 土层论文; 工程论文; 泥水论文; 大口径论文; 洞口论文; 《低碳地产》2016年10月第20期论文;