大口径曲线顶管顶力突然增大原因及控制措施探究

摘要：顶管施工相对地面开挖有许多优点，但施工时顶力的突然变化会对机头控制造成很大影响。因此，如何预防和控制顶力突变成为顶管施工需要考虑的主要问题。本文通过对试验段顶进过程中顶力突变的原因分析，采取应对措施，为后续段顶管施工具有指导意义，同时可以为同类工程的实施提供参考和借鉴。

关键词：大口径；钢筋混凝土管；顶力突变。

前言：

上海市污水处理系统为石洞口、竹园、白龙港、杭州湾沿岸、嘉定及黄浦江上游、崇明“三岛六大区域”分片处理格局。上海城镇污水的处理率在94.5%以上，污水污泥处理设施基本满足现阶段城市发展需求，但对标国际最高标准、最好水平，仍然存在城镇污水处理厂设施规模偏低，初期雨水处理、污泥处理处置、臭气处理存在差距，各大污水输送干线之间缺少互联互通，事故风险日益突出等问题。

一、工程概况

1.1工程概况

竹园污水处理厂四期工程ZYSQ1.1标（厂外管道工程）是竹园污水四期工程的其中一个标段，采用顶管施工工艺，其中1#至2#作为本工程的试验段，管节采用DN4000mm的钢筋混凝土管，壁厚320mm，长2.5m，顶程542m。

1.2、基坑概况

1）1#挖深17.48m，内径尺寸Φ12m，采用Φ1200mm钻孔灌注桩，止水帷幕采用Φ1000mm三轴搅拌桩，洞口加固区采用新型JS水泥材料。

2）2#挖深21.94m，内径尺寸Φ12m，采用Φ1200mm钻孔咬合桩，洞口加固区采用新型JS水泥材料。

1.3、1#至2#顶管概况

管底标高为-7.060m至-7.340m，覆土深度7.73m，顶管坡度0.5‰，曲率半径2000m，曲线长度18m，涉及土层为③灰色淤泥质粉质粘土夹粉性土，③t灰色粘质粉土夹淤泥质粉质粘土（穿越暗浜）。

1.4、穿越构建筑物情况

顶管下穿3处暗浜区（竖向净距约4.0m-5.0m）及地表的3个项目部（竖向净距约7.0m），均位于顶进轴线正上方，影响长度分别为144.8m、111.2m、83.6m。

二、关键的施工技术

在顶进过程中顶力控制尤为重要，特别是穿越重要的构建筑物时，地面沉降控制更为精确，为了控制好顶力，我们从机头设备选型、中继间设置、顶进系统、注浆系统控制、监测点布置等几个方面进行重点把控。

2.1、机头设备选型

顶管掘进机的选型对顶管施工至关重要，根据工程地质勘察报告显示：本试验段顶管管体主要位于③灰色淤泥质粉质粘土夹粉性土和③t灰色粘质粉土夹淤泥质粉质粘土（穿越暗浜）均为软弱黏性土，顶进阻力较小，但其强度低，渗透性差，含水量高、压缩性高、灵敏度高，具触变性和流变性，施工易受扰动，容易导致开挖面失稳。故选用刀盘切削外径4680mm，型号：SPB-4000Y泥水平衡顶管机，该机器设备功率大，开口率高，掘进过程不易堵管。

2.2、中继间设置

根据中继间设置原则及其作用，本段顶管采用可拆卸中继间，中继间设置位置为：第一处中继间安装位置取机头后方35m 处，第2处及以后中继间间距取132m，第二处中继间位于机头后方167m处，第三处中继间位于机头后方299m处，第四处中继间位于机头后方431m处。

中继间间距计算：

S=k（F3-F2）/（πD1f）

F2=π/4*D22*γ*h

式中：S—中继间的间隔距离（m）;

k—顶力系数，取0.5；

F3—控制顶力（kN），本工程取14000kN；

F2—顶管机迎面阻力（kN）；

D1—管道外径（m），本工程取4.64m；

D2—顶管机外径（m），本工程取4.66m；

π—圆周率，取3.14；

γ—土的重度（kN/m3），本工程取19kN/m3；

h—埋深，本工程取平均覆土深度7.73m；

F—管道外壁与土的平均摩阻力（kPa），本工程取3kPa。

每处中继间油缸30个，等间距分布，每个油缸800kN，最大顶力24000kN，最大行程500mm。

2.3、注浆系统

本段顶管机头外径为4660mm，管材外径为4640mm，单边空隙10mm。DN4000mm单节理论注浆量为：V4000=2.5×3.14× （2.33×2.33-2.32×2.32）≈0.37m3。本段顶管主要位于粘土层，浆液实际压注量一般为理论注浆量2～3倍，因此 DN4000mm每顶进一节压浆量为：V=0.37×（2～3）=0.73～1.10m3，注浆压力根据压力表读数进行补浆，压力表控制0.15MP。

2.4、顶力系统

工作井内主顶装置采用单冲程等推力油缸8个，顶力2000 kN/个，以管道竖向中轴线为中心对称安装，安装长度2.6m，最大行程3.5m，最大油压31.5MPa。每只油缸有其独立的油路控制系统，主顶油缸的顶力控制在14000 kN之内。

2.5、泥水输送系统

用离心泵接力将泥浆送往泥浆池沉淀，出渣并循环利用浆液、泥水，每300m增设一台接力泵，保证泥浆出土连续性。

2.6、监测点位布置

为了更好的获得顶管施工过程的准确数据，本工程聘请了第三方专业监测单位，本区段监测点共布置31个。

三、顶进过程顶力变化情况

3.1、顶力第一次增大

5月28日顶进第98节时顶力开始由1600t增至2250t，项目部立即查找原因，初步判断为管壁注浆液流入附近暗浜区，立即减慢顶速，同时在拌浆池内添加高分子聚合物，以便形成较好的泥浆套，减少顶进阻力。5月29日顶进第99节顶力由2250t降至2100t。5月30日顶进第100-101节，顶力由2100t降至1650t。5月31日顶进第102-106节，顶力稳定在1500t。

3.2、顶力第二次增大

6月05日顶进第132节顶力开始由2100t增至2450t，根据排浆管出口处含许多块状钢筋、硬混凝土块，判断为机头前方存在建筑垃圾。排泥管受堵严重，进行拆卸清理，建筑垃圾导致机头刀盘受损，特别是边刀磨损严重。6月07日至7月08日顶进第134至139节，边顶进边清理排泥管内障碍物，注浆减阻，顶力仍然维持在2400t—2500t。6月09日顶进第第141节降至2188t，基本穿越障碍物，顶力稳定在2100t。

四、顶力增大原因分析

4.1、洞口加固区采用新型材料

两处基坑洞口加固区均采用的JS水泥新型材料来代替普通水泥，洞口加固区土体颜色呈现深青色，后期土体强度比普通水泥高很多，机头通过加固区时刀盘磨损严重，切削土地效率降低很多。

4.2、机头刀盘刚度不够

机头在通过加固区时对刀盘刚度要求很高，需要采用高强碳合金刀盘，本试验段在边刀、撕裂刀上采用普通刚度刀片，机头通过加固区时造成刀盘磨损非常严重，后续顶进过程中刀盘切削土地及其他障碍物时效率显著降低，造成顶力一直居高不下。

本段顶管完成后，对机头保养检查发现刀盘损伤非常严重，这是造成顶力持续增大的主要原因。

4.3、注浆液流失

本段试验段经过3处暗浜，顶进过程中所注浆液可能流入附近暗浜区，没有形成完整泥浆套，管节存在背土顶进，造成顶力过大。

4.4、管节外壁减阻效果差

管节外壁采用常规水柏油涂覆层做法，这种做法使得管节的外壁会比较粗糙，在顶进过程中会造成管节“背土”现象，也是造成顶力过大的一个原因。

4.5、地质勘探不足

本段顶程覆土较浅，平均在7.5米，地质勘探资料未探明顶程区间地下存在建筑垃圾、块状钢筋、硬混凝土块等障碍物，致使排泥管受堵严重，需要停机拆管清理，造成长时间停歇，再次启动机头时顶力增加很多。

五、采取的措施

5.1、洞口加固区采用普通水泥

后续基坑洞口加固区改回普通水泥，机头通过加固区时不会造成刀盘的磨损严重，减少工程成本。

5.2、增加刀盘的刚度

后续对顶管机头增加边刀、撕裂刀数量，更换高刚度的刀盘，在顶进过程中遇到障碍物时减慢顶速。

5.3、通过暗浜时注浆液的处理

针对勘察报告给出的暗浜，提前做好准备，备好减阻高分子材料，备好拌浆、打土设备，及时补打黄土，提高浆液质量及适当增加注浆量，减少顶力变化。注浆材料里增加高分子材料，减小管外壁与土体摩擦阻力，同时保证浆液质量及合适的注浆量。在顶进过程中放慢顶进速度，以减少顶力。

5.4、管节外壁减阻改进

针对本工程后续有多段长距离的曲线顶管，管节外壁减阻由水柏油改为涂蜡措施，增加管节外壁的光滑，减少管节”背土”现象，这样可以有效的减少顶进摩阻力。

五、结束语：

通过本试验段的顶管施工，针对顶力过大的原因分析，以及采取的针对性有效措施，对后续顶管顶力的控制效果显著，也对后续顶管施工具有指导意义，同时也可为同类型顶管工程提供借鉴。

参考文献

[1]阎向林.郑州黄河顶管工程注浆减阻技术的应用［J］.隧道建设，2012，32（3）：372-376.