张 平

(杭州富阳永安工程监理有限公司，浙江 杭州 311400)

1 引言

随着城市快速发展，地下空间利用程度不断提升，由于城市建筑较为密集，采用开挖手段新建管线将会对原有建筑的使用产生较大的影响[1-2]。因此，在城市管线施工中，顶管施工已经成为常规手段。由于顶管施工穿越线路长，地质等不可预料性较强，设计及施工难度较高[3-4]。泥浆质量是保证顶管施工工程质量和施工进度的一个重要因素，尤其是采用泥水平衡顶进方式，在工程施工过程中需要结合地质情况，采用合适的泥浆特征。结合杭州富阳牵丝排涝站顶管工程，对施工机具选取以及顶力进行分析计算。

设计穿杭富沿江公路采用DN1800焊接螺旋钢管顶管施工，设计顶管长度77.1 m，在杭富沿江公路北侧排水渠处设置顶进井，顶进井结构为10000 mm×8400 mm钢筋砼井，牵丝排涝站采用沉井施工为接收井，接收井结构为26000 mm×17500 mm钢筋砼井。

2 顶管机的选型

根据地勘报告，场地内土层主要为素填土、粉质粘土、圆砾，结合设计管道管径、管材，综合考虑采用NSPD系列D1800泥水平衡式顶管掘进机。

使用该设备主要是利用泥水压力保证顶管管道的稳定，刀盘切削的岩土体也以泥水循环的形式运输至地面。目前，该设备主要由顶管机、泥水输送、泥水处理以及顶进管道四个部分组成。

2.1 泥水平衡顶管机

(1)顶管机主机工作原理如下：在正常作业前，顶管机的刀盘与壳体外圈紧密接触，刀排与刀盘接触，同时，泥水仓处于紧密状态，以减缓泥水泄露，保证泥水压力，同时也有利减小泥水压力的变化，减少对开挖面的扰动，当泥水仓内压力稳定后，启动中心轴泵站，带动中心轴和道家向前运用，此时，刀架与刀盘分离，两者间距约70 mm，可用于进土。之后，启动刀盘电机，带动刀盘及刀架转动。以3.5 rpm转动速率切削土体，顶管机示意图见图1。

图1 顶管机主机示意图

2.2 泥水处理

根据工程经验，泥水处理采用一次沉淀的方法即可，在沉井40 m外区域设置一处沉淀池，沉淀池长、宽、深不应小于20 m×20 m×1 m。沉淀处理后的泥浆可输送至调整槽，重新调整粘度、密度后方可重新使用。清水可利用临近江水水源，利用潜水泵抽取江水至清水槽中。粘度控制在25 s左右，密度在1.2 g/cm3左右，可根据实际顶进施工情况进行调整，泥水处理系统见图2。

图2 泥水平衡式设备的配置示意图

2.3 泥水输送

泥水输送主要由送泥管、排泥管、送泥泵、排泥泵组成。其中送泥管、排泥管管径均为4寸。将处理槽处理后的泥浆由调整槽利用PH泵送至井下，顶管排出的泥浆由接力泵送至地面沉淀池。泥水输送系统见图3。

图3 泥水输送系统流程图

启动泥浆输送系统时，操作顺序如下：开启VP阀门→启动PI泵→开启V3、V5阀门→启动P2泵→启动P3泵→启动PE泵。操作完成后，待泥浆压力与切口压力基本相同时，方可进行“顶进工作”。开启顶进工作操作步骤如下：开启V1、V2阀→关闭V3阀。当满足泥水平衡要求时，调整泥水压和排泥流量保证顶进过程中的泥水平衡。若切口水压偏差过大，超过允许值时，需切换为“旁路状态”。需查明切口水压偏差原因，调整切口水压，满足要求后，方可重新进入“顶进工作”。顶进完成后，切换至“停止状态”。

2.4 泥水平衡顶管主要施工参数的设定与调整

顶进施工过程中参数众多，需要结合参数与施工情况及时调整，以保证工程顺利进行。

(1)切口水压设定

在顶进施工过程中，管道开挖断面被刀头切削，护壁泥膜也将被刀头切削，同时，泥水压力也将作用于土体。切口水压需要结合设计值、实时的土砂量和干砂量等参数综合确定。

(2)顶进速度

顶进速度应注意以下几点：①主顶启动时，检查千斤顶状况，开始、结束顶进速度不宜过快。每节顶进应逐步提速，启动时速度不应过大。②一节顶进过程中，顶进速度值、切口水压应稳定，送、排泥管应畅通。③顶进速度须满足润滑泥浆注浆量的要求，保证泥浆系统处于良好工作状态。正常条件下，速度应设定为3 cm/min～10 cm/min；如正面遇到障碍物，速度应低于1 cm/min。

(3)泥水质量控制

1)密度

密度是泥水的主要控制指标。泥水密度对工程施工影响较大，比重不宜过高或过低，否则将影响到泥水的输送能力和管道的稳定性。工程的泥水密度应在1.12 g/cm3～1.20 g/cm3之间为宜。

2)粘度

泥水粘度应在20 s～25 s，考虑到粘度调整需要时间，应在泥浆粘度为22 s时，逐渐添加CMC，添加量根据粘度下降趋势确定。

3)析水量

地面沉降量是检查泥浆配比合理性的一个因素。在沉降量得到控制后，需要密切关注泥水指标的变化，使得泥水指标稳定在一个范围内。

(4)逆洗时压力控制

在顶管顶进过程中经常遇到排泥管堵塞等现象。为解决这一问题，通常采用逆洗法进行处理。采用逆洗法过程中，土仓、排泥管处于堵塞状态，因此，在逆洗时需要提高排泥流量，但需要控制切口水压。在逆洗过程中，需要密切监控开挖面稳定性，避免出现垮塌。推进、逆洗和旁路状态切换时，切口水压偏差值小于±0.02 MPa。

(5)开挖面稳定的判断方法

开挖断面稳定性是顶管施工过程中最重要的项目，对工程的顺利顶进施工以及施工质量具有极大的影响。为保证开挖断面稳定，需严格控制每节的掘削土量，不宜过大，造成断面垮塌，影响工程进度和安全。

3 顶力计算

3.1 总顶进顶力估算

①迎面阻力PF：

PF=γkHπD2/4=19×0.5×8.58×3.14×2.162/4=298.53 kN

(1)

式中：PF机头迎面阻力，kN；γ土体容重，取值19 kN/m3；k静止土压力系数(取值0.5)；H地面至管中心高度(施工图计算为8.58 m)；D1机头外径，m。

1.2.4 饮食护理：手术清醒之后，给患者进食少量水，确认无腹胀情况可多次少量进水；确认胃肠道蠕动恢复后，给予流质饮食，遵循少量多餐的原则，避免增加肠道负担。排气之后，多食用高营养、高热量的食物；排便之后，恢复正常饮食，并多食用含有高维生素、高热量、高蛋白、高纤维的食物，防止患者出现便秘。

②顶管顶进时周边摩阻力P：

P=ks×π×D1×L=4×3.14×2.16×77.1=2091.69 kN

(2)

式中：P采取触变泥浆工艺时管壁的摩阻力，kN；ks采取注浆工艺的单位摩阻力，取4 kN/m2以内；D1为管道外径，m；L为一次顶进最长顶管长度，m(设计长度77.1 m)。

③总顶进顶力F：

F=PF+P=298.53+2091.69=2390.22 kN

(3)

根据《顶管施工法用钢筋混凝土排水管》(JC/T 640-2010)行业标准，管道顶进的安全系数一般取值为不小于管道总顶进顶力的2.5倍，根据规范数据6400 kN/2390.22=2.68>2.5，满足要求。

3.2 后背墙的核算(以顶进工作井为例)

后背墙在顶进顶力作用下会出现压缩变形，方向与顶力作用方向相同。当顶管机停止顶力作业后，顶力消失，此时后背墙压缩变形也随之消失。这要求，在顶进过程中，后背墙不应发生变形破坏，变形量不应超过压缩变形。同时，需要保证后背墙压缩变形应当均匀，否则将会造成顶进误差。靠背受力分析图见图4。

图4 靠背受力分析图

(4)

式中：R为总推力之反力，kN；α为系数，取α=1.5～2.5，此处取2.0；β为后座墙的宽度，取3.4 m；γ为土的容重，取19 kN/m3；H为后座墙的高度，取4 m；Kp为被动土压系数tan2(45°+θ/2)，此处取0.55；c为土的内聚力，取10 kPa；h为地面到后座墙顶部土体的高度，此处取8 m。

经计算，工作井后背允许抗力为3245.84 kN除以总顶进顶力2390.22 kN=1.36，满足要求。

4 结论

杭州富阳牵丝排涝站管线需穿越已有道路，为降低对公路通行的影响，综合考虑采用顶管施工。根据场地地质情况，以及管道管径、材料等参数，选取NSPD系列D1800泥水平衡式顶管掘进机进行施工，通过计算总顶进力为2390.22 kN，工作井后背允许抗力为3245.84 kN，满足规范要求。在工程施工过程前需要编制合理的施工组织方案，严格按照设计要求以施工方案要求进行施工，严格把控泥浆密度以及顶进速率，以保证工程顺利进行。