土压平衡式顶管施工技术实例分析

土压平衡式顶管施工技术实例分析

摘要：近年来，随着科学技术的快速发展，顶管施工作为一种现代化管道敷设技术，笔者就多年的工作经验结合工程实例，从顶管的施工工艺原理、施工布置及管道顶进技术分析了土压平衡式顶管的施工技术。

关键词：土压平衡式顶管；施工工艺；布置；管道顶进技术

由于城市建设的发展，对施工周围的环境保护提出了较高的要求，随着施工经验的积累、科学技术的进步与机电制造水平的提高，使顶管机的形式向着机械旋转切削式、泥水平衡式、土压平衡式以及能适应软硬土层的先进机型发展。土压平衡式顶管顶进工法是利用土压平衡顶管机完成断面的隧道施工，其结构断面的合理性可减少土地征用量和掘进面积，降低工程造价。下文就多年的工作经验结合工程实例，阐述顶管的施工工艺原理、施工布置及管道顶进技术。

一、工程概述

某线路全长约为27.10 km。全线采用顶管施工工艺,顶管井约有57座。管道中心间距7.2 m,钢管壁厚34 mm,设计最大流速2.68m/s,水力坡度1.39‰。另外,管道沿线部分顶管井内有隔断阀门、连通阀门、单向补压塔以及排气、排水、测流测压等附属设施。该工程工程QYZ-C8标段内工作井有3座,接收井有2座,每座接收井均设有排气排水井1座。工作井和接收井平面尺寸见表1。

表1工作井和接收井平面尺寸

主要施工方案:井体采用地下连续墙围护；坑底及顶管进出洞口采用水泥土搅拌桩加固；水泥土搅拌桩与地连墙之间采用压密注浆处理；工作井之间DN 3600钢管采用顶进工艺进行施工。本文主要介绍DN 3600钢管顶进施工技术。

二、顶管施工技术

本标段顶进施工长度: J33工作井～J35工作井顶进距离为810.66 m, J33工作井～J31-1接收井顶进距离为355.22m、J35工作井～J32-2接收井顶进距离为437.70m,J30-1接收井～J31-1接收井顶进距离为939.75m, J31-2接收井～J32-2接收井顶进距离为899.80 m, 属长距离、超长距离顶管,管道穿越地下公用管线、建(构)筑物、河道,地质条件差。本工程施工难度较大,对顶管设备、施工工艺与技术要求较高,因此,要有可靠的技术保障措施。

1顶进设备的比较选型

长距离顶管施工常用的顶管机主要有2种:土压平衡式和泥水平衡式。

(1)土压平衡式顶管机是用土舱内具有塑性、流动性和止水性土产生一定的压力来平衡地下水压力和土压力的,用螺旋输送机排土。其优点是适应土质范围广、劳动强度低、安全性能好, 排出的土不需处理;缺点是在长距离顶进时它的顶进速度受排土方式的制约而效率低下。如果把弃土碾磨混合成泥浆输送则设备复杂。

(2)泥水平衡式顶管机是利用泥水舱内有一定比重和压力的泥水来平衡地下水压力和土压力,同时用泥水来输送弃土的顶管机, 有的还有破碎功能。其优点是顶进速度快, 适应土质范围较广, 劳动强度低、工作效率高、安全性能好, 最适合于有水源的地方进行长距离顶管;缺点是在不允许有泥浆排放的地方施工时必须对泥浆进行固化处理或采取泥浆外运,施工成本高。

根据以上分析,结合工程特点, 该项目采用大刀盘土压平衡式顶管机较为适宜,但还需增强刀盘耐磨和遇障处理功能。针对此情况,施工单位专门为本工程设计、定制了2台3600土压平衡式顶管机。

为了解决土压平衡顶管机在长距离顶进时它的顶进速度受排土方式的制约而效率低下, 把螺旋机排出的土, 再排到土箱, 在土箱内装高压水枪把原土冲击成泥浆, 再通过大功率排泥泵输土, 以提高排土效率,使之可以连续顶进。

3600土压平衡顶管机的主要技术参数:(1)顶管机外径:3 700mm；(2)刀盘外径: 3700mm；(3)刀盘驱动电机: 30kW×5台；(4)刀盘转矩:912kN•m；(5)刀盘转速:1.64r/min；(6)螺旋机: 螺筒560 mm、驱动电机22kW、VVVF变频调速器调速。

2土压平衡顶管施工工艺

2.1工艺流程(见图1)

图1 工艺流程

2.2施工工艺原理

大刀盘土压平衡顶管机的工作原理是:由掘进机正面的刀盘搅拌、切削土体,刀盘上的几排钨钢刀可以有效地切削正面土体,土体被切削以后,通过刀盘上的开口进入刀盘后的密封舱,密封舱内的土压力由两只土压传感器进行检测,通过土压平衡控制器来调节螺旋机转速,从而达到控制密封舱内土压力的目的。该顶管掘进机采用土压平衡机理,即将正面压力控制在土体的主动土压力与被动土压力之间,维持开挖面的稳定。若小于主动土压力,会导致地表沉陷,大于被动土压力,会引起地面隆起。

2.3施工布置

2.3.1井上施工布置

重点考虑内容:供电系统；存管及下管；触变泥浆设备；泥水分离设备；设备控制室；生产用水；施工道路；场地排水。

(1)在工作井轴线与顶进方向垂直,设跨度17m,轨长30m天车轨道。轨道间设钢管存放地。

(2)在工作井右侧设触变泥浆搅拌、储存、输送设备。泥浆拌和每天只需2 h,应封闭,无粉尘外溢。

(3)在工作井右侧,设三级泥水沉淀池,沉淀的渣土,采用机械挖出并运至晒土场晒干后装车外运。工作井上布置见图2。

图2顶管施工布置图3工作井内平面布置

2.3.2井内布置

工作井内机具:主推进千斤顶;主推千斤顶泵站;中继间泵站;顶铁;电焊机;洞口密封环;排泥泵。管线与电缆:泥水管;排泥管;触变泥浆管;空气管;集水坑排水管;动力电缆;自控电缆;有线通讯电缆。工作井内平面布置见图3。

2.4管道顶进

标段顶管工程,采用DN3600×34 mm钢管,材质为Q 235钢材,需由钢板卷制加工而成。本工程管径较大,单节管子长度越长,现场焊接的数量越少,顶管施工工期可缩短,有利于管道焊接质量控制,但管长增加,单管重量相应加大,吊管、下管安全隐患多。另外,管材的运输也是要重点考虑,要满足连续顶管施工的供管要求。综上比较分析,本工程采用单节管长6.6 m。

2.4.1下管就位

管子先进行外观检查,合格管材通过起重行架垂直吊运下管,就位后测量管子中心及前后端的管底高程,确认安装合格后实施焊接、顶进。

2.4.2管道顶进前准备工作

联动检查,开始顶进前对机械设备进行全面检查,液压、电气、压浆、照明、通信、通风、各种阀门、压力表、测量工具、传感器等是否都进入状态,然后进行联动调试,确认无故障后方可准备开始。洞口止水圈与机头外壳的环形间隙要