加单位码头建设中大口径长距离土压平衡式顶管施工技术

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　　 摘要：结合工程建设实例，介绍大口径长距离土压平衡顶管掘进技术在港口施工中的应用。重点介绍在埋深大、顶进长及复杂软土地基的情况下，土压平衡式顶管掘进技术施工过程中需采取的施工方案和控制措施；分析与评价土压平衡顶管掘进技术的机理和实践应用，可为软土地基的设计和施工提供参考。
　　 关键词：大口径；长距离；土压平衡顶管掘进技术
　　 现代城市建筑物密集、地下管线众多，场地狭小使明挖施工困难，非开挖施工技术正越来越广泛地应用于工程建设。土压平衡顶管技术不需要开挖面层．对土体扰动小、精确度高、进尺快，在不影响上部已有设施使用的情况下，能穿越地面构筑物、地下管线、公路、铁路、河道，在我国也得到广泛应用和发展。
　　 1 土压平衡顶管施工工作原理和特点
　　 1．1 工作原理
　　 土压平衡顶管施工是一个全新的施工概念与施工理论。其必须同时满足：顶管掘进机在顶进过程中
　　与所在土层的地下水压力和土压力处于平衡状态：掘进机排土量与推进所占去的土的体积也处于平衡状态。
　　 1．2 施工特点
　　 1)适用的土质范围很广；
　　 2)能保持挖掘面的稳定，可使地面变形极小；
　　 3)施工时的覆土，最浅为0．8倍管外径，是其他任何形式的顶管施工所无法做到的；
　　 4)弃土运输、处理较方便和简单；
　　 5)作业环境好、操作方便、安全；
　　 6)在砂砾层和粘粒含量少的砂层中施工时，必须采用添加剂对土体进行改良。
　　 2 工程简介
　　 2．1 工程概况
　　 某码头工程顶管轴线与公路垂直，从南端主工作基坑将2条钢筋混凝土套管顶进穿越铁路、公路进入北侧副工作基坑。单根顶进长134．4 m，两管水平外净距3 m，顶进混凝土套管顶高程为一1．1 1 m，管外底高程一3．99 m，管顶覆土厚度7．25 m(公路)和l2．25 m(铁路高路基)。
　　 该顶管将穿越4股进港铁路线和1条公路。并穿越多条地埋管线，且还将穿过与地面垂直距离约8 m的铁塔架空高压电线。
　　 2．2 工程特点
　　 施工区域地下有预埋管线、电缆设备．空中有高压线，在施工工艺和安全控制方面给灌注桩和工作坑开挖增加了难度；副工作坑在油库院内，对防火安全有严格要求；同时，从以往施工资料得知，公路下有塑料排水板，铁路路基下有直径600 mm、梅花状布置、水泥含量l8％的水泥搅拌桩，这都给管涵顶进增加了困难。顶管作业施工时需加强与铁路部门的沟通、联系和配合，加强对线路的监测，确保铁路运营安全；主、副工作坑深井降水过程中，需加强对附近建筑物及管线的沉降监测。
　　 3 施工工艺及施工流程
　　 3．1 基坑开挖、钢支撑施工
　　 主工作坑尺寸为12 mXlO mXl1 m；副工作坑为11 mX8 mXl1 m。考虑工作坑开挖工程量较大，且工
　　期较紧，选用12 m长臂挖掘机根据设计钢支撑高程和开挖要求分层开挖。
　　 开挖前需对坑外进行降水至坑底高程以下4．0 m．坑内开挖随降水。机械开挖时，在基坑底面设计高程以上保留20～40 cm厚的土层，由人工清除。同时，基坑支撑设置按设计要求高程随挖随撑，并经常检查支撑的牢固度。开挖至设计高程后，在基坑干燥的情况下浇筑顶管工作井底板。工作坑支护需严格按设计规定高程先上后下逐层设置。并确保腰梁安放水平。支架安装的涨锚栓必须牢固。腰梁在支撑节点的垫板及肋板焊接需现场放样制作安装，确保尺寸准确。受力轴线不偏移。钢管支撑与腰梁焊接时必须预先打坡口并分两遍焊接。支撑构件上预焊吊点，用吊车安装。为确保支撑不受外力而脱落，在构件上焊吊环，在混凝土冠梁上设埋件吊点，用钢索系牢。
　　 3．2 涵身顶进施工
　　 综合考虑各种因素，采用大刀盘土压力平衡顶管机，机头直径2．4 m，长4．8 m。该机刀盘呈辐条式，没有面板，在顶进过程中由前端的刀盘及搅拌棒进行切削搅拌。使土仓内的土具有较好的塑性、流动性和止水性，且与其所处土层的地下水压力和土压力处于平衡状态。土仓内的土由螺旋出土机排出土的排土量与掘进机推进所占体积处于平衡状态，地面不会产生沉降，也不会隆起。
　　 3．2．1 顶进设备安装
　　 1)在工作坑内引设控制点，并建立相应的地面控制点；精确测放轴线，采用激光经纬仪控制轴线偏
　　差；2)采用表面平直光滑无毛刺的钢制轨道，轨高15 cm，根据管道的设计高程安装轨道，其中心线与管道中心线在同一垂直平面内，并与底板基础牢固连接；3)为避免龙门口前土体塌落，在迎门止水帷幕桩外加打一排钢板桩，以确保预掏时洞内迎门土体不会涌人，保证上部电缆沟不产生塌陷变形；4)以轨道和管道中心线高程为参考，稳置主顶油缸底架，底架中心线与所顶管道中心线在同一垂直平面内．精度在允许偏差范围内，底架及主顶油缸要稳固；5)采用4 mX3 mX40 cm、有足够刚度和强度的后背铁，受力面平直，安装紧靠工作井后背灌注桩，与工作井底板充分接触并与管道中心线垂直；6)主顶油缸油路采用并联，每台油缸具有独立进油、回油控制系统；7)供电系统由变压器、总控箱、分配箱、开关箱、用电设备和输电线路组成，系统布置符合规范要求。
　　 3．2．2 设备调试
　　 1)调试所有电控系统的连接及控制开关．检验线路连接是否正确、开关灵敏；2)调试主顶油缸及油
　　泵站，检查油管连接、油泵站运转、油路控制闸阀、顶镐出镐缩镐等是否正常，并将油管排气；3)校验测量系统，检验支架稳定性和安全性，对仪器进行摆人调试；4)调试机头的各项开关，检验电压表、电流表、盘转向控制、纠偏系统、土压表、齿轮油箱、螺旋出土机转向等是否运转正常；5)检查主工作坑附近泥浆罐放置是否方便注浆管连接。
　　 3．2．3 顶进
　　 本工程顶进施工分为初始顶进和正常顶进2个阶段。掘进机从顶进开始到第1节管子接上，并与掘
　　进机连接好之前的顶进为初始顶进。在此之后的顶进为正常顶进。顶进阶段报警系统必须开启，予以监视。
　　 1)初始顶进：初始顶进阶段需缓慢进行，且不可以纠偏。要始终观察掘进机与基坑导轨的接触，如果
　　不正常或有大的变化，必须停止顶进，分析原因后，再决定是否继续顶进。
　　 启动刀盘、顶镐徐徐顶进，速度小于30 mm／min，有异常情况立即停止顶进。
　　 当土压表指示超过所处土层的压力上限时，打开出土机排土。土车满后立即关掉出土机，出土时切
　　削刀盘不停转。
　　 在设备顶进正常后，安装混凝土管节及施工混凝土管节防水层，管节采用25 t轮胎起重机吊装，平板车运输。
　　 2)正常顶进：开顶前先打开螺旋输送排土，运行30 s后再开启切土刀盘，观察刀盘扭矩和正面土压力均在设定范围内时才能顶进。停止顶进时，先关闭顶进系统，然后关闭刀盘驱动系统，再关停出土系统。
　　 顶进过程中，任何压力表达到控制土压力上、下限时，均视为土压达到上、下限。对任何土层、任何时候压力上限都不得大于200 kPa。能自立的硬土．土压力下限可为零。在较硬的土顶进时，每次出土后的土压力均应在最低值或零附近，此时只能降低顶进速度；在较软弱土层中顶进时，不可盲目加速，操作者需注意观察各电流表及电压表的工作状态是否正常，应通过改变推进速度和出土速度使土压力始终控制在上、下限之内。
　　 3)管节止转的方法和措施：顶管时，机头在盘及出土机的作用下会发生旋转。纠正机头旋转主要采
　　用加压重块的方法。先在机头两侧做好压重块架，并均衡放置重块．当机头右转时，将右侧重块搬向

　　左边；反之将左侧重块搬至右边。重块采用体积小、密度大，便于搬运的铅块。
　　 4)测量、纠偏方法：纠偏系统由4组纠偏油缸构成，纠偏控制由管道激光测量定位系统决定。施工中，激光经纬仪自始至终跟踪测量，纠偏系统随时根据激光点的位置进行纠偏。顶进第1节管时，每顶进0．2～0．3 m需测量1次中心线和高程；顶进正常时。每顶进0．5～1．0 m测量1次．发现偏差及时调整纠偏，先纠高程偏差后纠左右偏差，并做好纠偏记录。
　　 5)泥浆减阻的方法和技术措施：长距离顶管的成败在于减阻的好坏．采用触变泥浆减阻护壁的施
　　工措施，以达到减阻的效果。
　　 本工程顶管机外径2900 mm，比管节大20 mm．故在土层中顶进时管节外围会形成20 mm的空隙。
　　应及时有效地向该空隙注入触变泥浆填充在管节外围，形成较完整的泥浆套，既可有效减阻又能起到支撑土层的作用，并可加快顶进速度。
　　 ① 触变泥浆的配比
　　 选用质量好的钠基膨润土，配比为膨润土：水=1：8(重量比)，采用机械定量搅拌桶将水与膨润土搅拌均匀后打入注浆罐，静置12 h，使其充分吸水，膨润成胶体，其密度以1．15 g／cm 为宜。
　　 ② 注浆孔布置
　　 顶管机尾部均匀设置3个压浆孔，顶进时及时跟踪注浆，确保在顶管机后面及时形成完整的泥浆套。每2节管中安排1节有浆孔的混凝土管，管内3只压浆孔135o对中。通过高压注浆软管接通3个压浆孔和输浆总管，注浆孑L均安装独立控制闸门。
　　 ③同步跟踪注浆
　　 将地面配制好的触变泥浆泵压入输浆管，通过环形管注入顶管机及管节的压浆孔，形成泥浆套。当
　　管节顶进时。利用均匀布置的3个压浆孔与顶进同步跟踪注浆，以形成完整的泥浆套。
　　 ④补压浆
　　 施工中，由于部分浆液流失到土层中，因此需每隔一段时间进行补浆。
　　 ⑤压浆量与注浆压力
　　 压浆量原则上控制在管节外理论空隙体积的4倍左右，压力值不宜过高或过低，压浆站的压力初步
　　控制在20～50 kPa。
　　 ⑥ 中继间减阻接力顶进
　　 由于本工程一次顶进距离长。必须设置1个中继间，采取接力顶进的方法。当主顶油缸达到中继间总推力的90％时，就必须启用中继间。
　　 ⑦顶力
　　 在土质正常均匀的条件下，顶力为5 500 kN；在土质不均匀出现突变段的条件下。顶力最大时达到
　　7 500 kN。此时采用6台2 000 kN千斤顶同时渐进加力顶进。
　　 4 结语
　　 1)某港在采用土压平衡顶管掘进技术顶进施工2条长距离、大口径的涵管，自开工至结束总共35d，达到大口径、长距离、短时间、土体变形小、精度高、涵身水平及垂直偏差小的预期效果，为某港改进原有人工掏挖、清土顶进的施工工艺，引进先进顶管工艺和技术做了有益的尝试。
　　 2)顶管施工中和完成后．通过一段多时间的变形观测，涵管上部原有的铁路和进港公路及水电绿化等设施，未受到顶管施工的任何影响。
　　 3)该工艺的成功使用，不仅保证了该港原油码头输油管顺利穿过原有铁路、公路等设施，使该港的一些重大项目提前投产．而且还为该港原有码头库区设施改造中不破坏原有设施、不影响生产
　　使用、缩短工期、降低工程造价等提供了宝贵经验。
　　 参考文献：
　　 [1] 余彬泉，陈传灿．顶管施工技术[M】．北京：人民交通出版社．1998

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