摘要：庆阳市巴家咀水库新增调蓄工程（五台山水库）引输水隧洞工程位于陇东黄土高原东部，主要地貌类型有黄土粱、峁、川台阶地和沟谷，构造相对稳定。引水隧洞顶管段穿越地层为离石黄土以及午城黄土，呈硬塑状态，局部可塑状态，管壁与土层间摩阻力较大，并且受地下水位等等影响工程施工因素，选择机械式泥水平衡顶管掘进机进行顶管顶进。
关键词：泥水平衡顶管；施工技术；黄土质层；应用
1、概述
庆阳市巴家咀水库新增调蓄工程（五台山水库）引输水隧洞顶管施工自2016年5月15日开工至2016年9月13完成，总工期122天，顶管施工全长806m，顶管管径DN1800mm。
1.1水文气象
该工程深居内陆，属北温带半湿润半干旱区，大陆性季风气候，四季分明。平均气温8.3℃，最冷月平均气温-5.6℃，最热月气温20.9℃，温差较大。多年平均相对湿度63％，平均降水量为561.5mm，年内分配极不均匀，其中7～9月占全年的56.3%，多年平均蒸发量为1503.5mm。
1.2工程地质
顶管段穿越地层为离石黄土以及午城黄土，顶管管径较大（DN1800mm），穿越土层呈硬塑状态，局部可塑状态，管壁与土层间摩阻力较大。
2、顶管施工工艺
2.1顶管施工工艺流程
顶管施工工艺流程：施工准备→顶进设备安装→掘进机井内就位→掘进机穿墙→管道顶进→钢管拼接→钢管顶进结束。
2.2顶管掘进机选型
根据工程施工条件及特点，选择机械式泥水平衡顶管掘进机进行顶管顶进。该掘进机的土压平衡原理在于刀盘伸缩的液压系统。由于刀盘的伸缩时由油缸控制的，因此，只要控制刀盘油缸后腔的压力，就可以控制刀盘前面的平衡压力。该掘进机的另一种平衡功能，即由控制排泥管的泥水流量来间接控制开挖面的地下水压力，它把泥水压力控制在比掘进机所处土层的地下水压力高出20Kpa，从而避免了开挖面的地下水干扰影响。由于该掘进机有机械平衡土压力和泥水压力平衡地下水压的双重平衡功能，因此，它施工过后的地面沉降较小。
2.3顶进坑尺寸及型式
1、顶进坑长度
L=L1+L2+L3+K=11m
式中：L1—钢管单根长度（m），取6m；
L2—主油缸长度（m），取1.2m；
L3—未顶出管道最小长度（m），取0.5m；
K—后座、混凝土后背墙防护、导轨等之和，再加上安装富余量，取3.3m；
2、顶进坑宽度
B=D1+2b+2C=5.6m
式中：B顶进坑底部开挖宽度（m）；
D1—管外径（m），本工程管径1.8m，故取1.9m；
b—管两侧操作空间（m），一般为单侧1.2～1.6m，取1.55m；
C—撑板厚度（m），取0.3m厚混凝土护壁；
3、顶进坑的深度
H=H1+D+K=4.8m
式中：H1—顶管覆土厚度（m），取2.23m；
D—顶进孔径（m），取2.10m；
K—底板厚度（m），再加上顶进孔与底板之间的距离，取0.35m；
由以上计算公式，结合工程现场实际情况，确定穿越段顶进坑设于引水隧洞进口处，顶进坑尺寸选择为：长9.5m，宽5m，深4.5m。
4、顶进坑的型式
顶进坑采用开挖、浇筑混凝土护壁及后背墙，为了安放导轨，坑底上还需要铺设枕木，在套管底铺设导轨并固定在枕木上。
2.4后背墙的处理
1、管子在顶进过程中收到的全部阻力，都通过千斤顶传递给后背墙。因此，后背墙必须有足够的稳定性，可将沉井井壁作为后背墙，在施工前对后墙稳定进行验算。
2、在验算后背墙时R＞T，安全系数应在1.2倍以上。当R≤T时，需做后背墙加固措施，可采用灌注桩加固墙后土体等措施。在背墙除要求稳固外还必须垂直管中心线，平面受力必须均匀。
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2.5顶力计算
管道的总顶力按下式估算：
F=π×D1×L×fk+NF=20815KN
式中：D1—管道外径（m），取1.84m；
L—管道顶进长度（m），794m；
fk—管道外壁与土平均摩阻力（KN/m2），取为为4KN/m2；
NF—顶管机迎面阻力（KN）；根据《顶管施工技术及验收规范》NF取2756KN；
2.6中继间布置
1、结合管道许用顶力，考虑中继间总推力为6000kN，中继间初步估算个数为：4个。
2、根据《顶管施工技术及验收规范》，当千斤顶达到中继间总推力的60%时应安放第一个中继间考虑，顶管推进最大顶力为3600kN，那么顶距L1=（3600-2756）／（3.14×1，84×4）=36.5m。故，顶进36m钢管后需设第一个中继间进行接力项进。
3、其他中继间根据规范，每当达到中继间总推力70%～80%时，就须安放一个中继间。其他中继间安放距离L2=181.7m~207.7m。故后续安放中继间3个。
2.7千斤项选择
顶管法的计算公式较为复杂，可按经验公式进行估算：
T=Kq×P
式中：T-为总项力（t）；
Kq-为项管段内土质系数；当粘土、砂粘土、天然含水量的砂质土挖洞时能形成拱的Kq值为1.5～2；当土质为含水量很低的沙质土、砂砾土，回填土等不能形成拱的Kq值取3。
P-为被顶管的全部自重（t）。
2.8顶铁安装
预备多种型号的顶铁，以利于施工减少顶管杌空运转。顶铁要平稳放在顶铁运行轨道上，轨道选用槽钢。顶铁位置设在管下面，作用点在1/4～1/5D处。
2.9弃土运输
顶管时，泥水平衡式顶管的出土采用全自动的泥水输送方式，被挖掘的土通过在机舱内搅拌和泥水形成泥浆，然后由泥浆泵抽出，高速排土。在顶进坑上部设置一个20×20×3m（长×宽×高）的沉淀池。沉淀的渣土外运至指定的渣场。
2.10泥浆减阻
钢管顶进时，可利用触变泥浆减阻。泥浆配合比为1：6：0.07（膨润土：水：纯碱），另加适量的CMC，用浆量每节管约用2.5~3m3。补浆环布置从头部开始布置两组，既40m、80m各1组，补浆量以后座顶力而确定。补浆孔位在管壁左上、左下、右上、右下按90°错开。
2.11测量与纠偏
1、为了确保机头穿墙及进入接收坑的施工精度，在施工前必须对端口一定范围内的土体进行加固处理。初始顶进过程中要严格控制顶进体积与出土体积的比例，同时加强测量工作，如果发现偏向要及时纠正。机头穿墙时以及顶进距离较近时可采用高速后座顶力位置法进行纠偏。当顶管发生扭转时，可采用不均匀压重法进行调整。纠偏油泵的油压控制在3.5MPa之内，应测量纠偏，纠偏速率控制在4mm/m之内。
2、导向测量使用仪器为WILD_D12000测距仪，WILD-T2经纬仪，NA2，N3自动安平水准仪和2m钢质水准尺。施工中水平方向测量采用S3水准仪，垂直方向采用J2经纬仪。工具管穿墙时进行跟踪测量，及时调整工具管顶进方向。在顶进过程中每顶一块顶铁（90cm一块），测量一次，纠偏时每顶50cm测量一次。
2.12管内通信
管内与管外通信采用对讲机联系。
2.13管道防腐
管道外防腐采用环氧富锌底漆、环氧云铁中层漆、氯化橡胶面漆结构。内防腐采用环氧黑陶瓷涂料，涂层总厚度为≧0.40 mm。
3、资源配置
3.1主要设备
主要设备有：MEP型泥水平衡顶管掘进机1台、25T汽车吊车2台、1.2m3液压反铲1台、25t自卸汽车1辆泥浆罐车1台、31.5MPa千斤顶8台、66L/min油泵1台、直流电焊机1台、二氧化碳保护焊接机1台、逆变式弧焊机3台等。
3.2主要人员
主要人员有：管工10人、焊工8人、电工2人、防腐工8人、普工15人、吊车司机4人、测量员2人、安全技术管理人员2人
4、质量要求
1、自行加工的承压容器和工作压力在1MPa以上的管件，应作强度耐压试验，自行加工的无压容器作渗漏试验。
2、管子接头应根据管壁厚度选择适当的坡口型式和尺寸，一般壁厚不大于4mm时，选用I型坡口，对口间隙1～2mm，壁厚大于4mm的，应采用70°角的V型坡口，对口间隙及钝边均为0～2mm。管子对口错牙应不超过壁厚的20％，但最大不超过2mm。
3、焊缝表面应有加强高，其值为1～2mm；遮盖面宽度，I型坡口为5～6mm；V型坡口要盖过每边坡口约2mm。
4、焊缝表面应无裂纹、夹渣和气孔等缺陷。咬边深度应小于0.5mm；长度不超过缝长的10％，且小于100mm。
5、焊接完成以后必须对焊缝进行防腐处理。
6、焊接的工艺要求及焊缝内部质量应符合GB50236-96《现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范》的规定。
7、管道焊接采用电弧焊，管壁内外焊接两次。
5、结束语
庆阳市巴家咀水库新增调蓄工程（五台山水库）引输水隧洞顶管施工按照顶管顶进时管壁与土的平均阻力值及钢管自身重量计算，同类长度顶管施工一般设4个左右顶进工作坑，单工作坑顶管顶进节省了工作坑土方开挖量、顶进坑混凝土量、顶进坑钢筋量，同时也节省施工工期。通过运用QC方法，加强对顶管施工过程中的轴线、施工工艺等控制，提高了整体施工质量及施工技术水平。
论文作者:常学元,李祖珍
论文发表刊物:《基层建设》2019年第5期
论文发表时间:2019/4/28
标签：顶管论文; 泥水论文; 管道论文; 管壁论文; 后背论文; 隧洞论文; 测量论文; 《基层建设》2019年第5期论文;