-1-富水层砂层泥水平衡顶管穿越施工工法1前言顶管施工法属于非开挖技术，是《建筑业10项新技术》中地基基础和地下空间工程技术之一，是国家推广的一项施工技术，其不仅可以减少施工中的征地拆迁工作还可以保证作业面上的建构（筑）物与道路正常的使用。在富水砂层地段，地质水文情况较为复杂，施工控制不当将会造成涌砂、地面沉降甚至塌陷等现象。为此开发适用于在富水砂层中顶进施工的泥水平衡顶管穿越施工方法。2工法特点2.1针对富水砂土地层，采用一定密度、一定压力的泥水平衡地下水土压力，解决了支撑孔壁、减小顶管阻力困难问题。2.2通过技术研究，成功解决了在富水砂层中顶进因进出洞方案失误、泥水管理不当等而造成的涌砂、地面沉降甚至塌陷等问题。2.3施工占地面积较小，减少了大量的征地拆迁工作，对道路、交通及周围环境的影响较小，同时减少了基槽降水、支护等措施，具有工期短、造价低等优点。2.4弃土通过泥水输送，施工噪音低，在管道顶进作业中无扬尘，对环境友好，符合绿色施工的要求。2.5由于泥水输送弃土的作业是连续不断地进行的，所以顶进作业速度较快。2.6工作坑内的作业环境较好，不存在危及作业人员职业健康安全等问题。-2-3适用范围3.1适用于在富水砂土地层中进行泥水平衡顶管施工。3.2也适用于在黏性土等其他土质中进行泥水平衡顶管施工。4工艺原理泥水平衡顶管施工技术是利用泥水压力来平衡土压力和地下水压力的一种非开挖铺设地下管道的一项埋管技术，其机理是利用泥水平衡掘进机、顶进设备、泥水平衡排土设备进行暗挖作业；其特征为刀盘将切削的土壤送入泥水仓，然后由送水泵将具有一定浓度的泥水送至挖掘面，通过刀盘充分搅拌后由排泥泵经排泥管道将泥水送至地面泥浆池，经沉淀后泥水重复利用，残渣外运。在富水砂层中顶管其基本原理为，首先掌握顶进范围内地质、水文情况，选择刀盘可伸缩类型的泥水式平衡顶管机作为顶进设备；其次确定顶进控制顶力，并通过对顶管进出洞技术方案的研究，以规避富水砂层的进出洞风险；顶进作业中，由进水泵将具有一定密度的泥水送至挖掘面，再经井内旁通压力调整阀及调整排泥泵转速来调节循环水压大小，使其平衡挖掘面上水、土压力，从而防止由于挖掘面的失稳，造成地面沉降；同时，通过注浆减阻措施，减小顶进过程中的阻力。-3-图4工艺原理示意图5施工工艺流程及操作要点5.1工艺流程图5.1施工工艺流程图5.2操作要点施工准备控制顶力计算及选择顶管进、出洞技术管道顶进顶进结束泥水管理测量与纠偏注浆减阻监测-4-5.2.1施工准备1准备工作1）熟悉设计文件，掌握顶进范围内地质、水文情况，拟定施工方案。2）确定进出洞的位置，并对工作井处进行施工勘察，取样详勘资料，掌握地质水文变化情况。3）对交付的测量基线、基点进行核对。4）围绕管道设计中线和基坑建立地面、地下测量控制系统，控制点应设在不易扰动、视线清楚、方便校核的位置，并应采取保护措施。2顶管机选型根据砂层透水性强、渗透系数大、压缩模量高、密实度高（中密-密实）等特点，选择刀排可以伸缩类型的泥水平衡顶管机。该类型顶管机通过刀排的伸缩改变进土口的大小，不仅可以改变泥水进入泥水仓的速度，更重要的是可以改变作用在顶管机刀盘上土压力的大小，快速达到泥水仓内、外压力的平衡，进而确保顶进前方土层的稳定。当顶管机刀盘上的土压力增大时，刀排前伸，进土口开大，进土量多，土压力就会减小；当顶管机刀盘上的土压力减小时，刀排后缩，进土口变小，进土量少，刀盘上的土压力就会增大。控制进土口的大小，可达到控制进土量的多少，从而达到用顶管机的刀盘来平衡土压力的目的。5.2.2控制顶力计算及选择对于每一项顶管工程，首先要确定控制顶力。控制顶力就是在顶管过程中允许的最大顶力。控制顶力由顶进油缸的推力、工作井的允许顶力、工作井后靠土体允许顶力及管材的允许顶力等因素决定。一般取上述的较小值作为控制顶力。-5-1顶管总顶力估算现有的顶力估算公式较多，每个公式都有其适用条件，一般分为理论公式和经验公式，理论公式适用范围广，经验公式适用于某些地区或某种条件。1）总顶力计算的理论公式根据《顶管工程设计与施工》（葛春辉主编）与《给水排水工程顶管技术规程》（CECS246:2008），顶管总顶力可按式（5.2.2-1）估算。Fo=πD1Lfk+NF（5.2.2-1）式中：Fo—总顶力标准值（kN）；D1—管道的外径（m）；L—管道设计顶进长度（m）；fk—管道外壁与土的平均摩阻力（kN/m2），可按表5.2.2采用；NF—顶管机的迎面阻力（kN）。此公式目前比较通用，适用于使用减阻泥浆的顶管，不注浆则不适用。2）顶管机迎面阻力泥水平衡式顶管机迎面阻力（NF）可按式（5.2.2-2）计算。ssgFHDN24（5.2.2-2）式中：NF—顶管机迎面阻力（kN）；Dg—顶管机外径（m）；γs—土的重度（kN/m2）；Hs—覆盖层厚度（m）。3）触变泥浆减阻管壁与土的平均摩阻力-6-表5.2.2触变泥浆减阻管壁与土的平均摩阻力fk（kN/m2）土的种类软黏土粉性土粉细土中粗砂触变泥浆混凝土管3.0～5.05.0～8.08.0～11.011.0～16.0注：1.当触变泥浆技术，管壁与土之间能形成稳定连续泥浆套，不论土质均取fk=0.2～5.0；2.采用其他减阻泥浆的摩阻力应通过试验确定。2工作井后背土体允许顶力1）圆形工作井后背土体允许顶力按照《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》（CECS137：2015），圆形工作井在顶管力作用下，后背土体的稳定应符合公式（5.2.2-3）规定；Epk和Eep，k应按图5.2.2-1所示的土压力分布计算。)8.0,keppktkEEP（5.2.2-3.1）pkpkrHFE41（5.2.2-3.2）kepkeprHFE,,41（5.2.2-3.3）fpffhhhh/)(（5.2.2-3.4）3/Hhp（5.2.2-3.5）式中：Ptk—顶管力标准值（kN）；ξ—考虑顶管力与土压力合力作用点可能不一致的折减系数；Epk—工作井后方被动土压力合力标准值（kN）；Eep，k—工作井前方主动土压力合力标准值（kN）；Fpk—底部被动土压力标准值（kN/m2）；Fep，k—底部主动土压力标准值（kN/m2）；-7-r—工作井外壁半径（m）；H—工作井入土深度（m）；hf—顶力距工作井底的距离（m）；hp—土压力合力至工作井底的距离（m）。图5.2.2-1圆形工作井在顶管力作用下后背土体的稳定计算图2）矩形工作井后背土体允许顶力按照《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》（CECS137：2015），矩形工作井在顶管力作用下，后背土体的稳定应满足公式（5.2.2-3）的要求；Epk和Eep，k应按图5.2.2-2所示的土压力分布计算。图5.2.2-2矩形工作井在顶管力作用下后背土体的稳定计算图3钢筋混凝土管道允许顶力验算-8-顶管的材质各异，都有允许顶力问题，超过允许顶力顶管容易破坏。按照《给水排水工程顶管技术规程》（CECS246:2008），钢筋混凝土管顶管传力面允许最大顶力可按式（5.2.2-4）计算。pcQddcAfF53215.0（5.2.2-4）式中：Fdc—混凝土管道允许顶力设计值（N）；φ1—混凝土材料受压强度折减系数，可取0.90；φ2—偏心受压强度提高系数，可取1.05；φ3—材料脆性系数，可取0.85；φ5—混凝土强度标准调整系数，可取0.79；ƒc—混凝土受压强度设计值（N/mm2）；Ap—管道的最小有效传力面积（mm2）；γQd—顶力分项系数，可取1.3。传力面是指管接头之间相互接触的最小接触面积。此公式优点是理性化，使用者可以根据实际情况适当调整，顶进长度不超过百米，顶管施工时轴线偏差不会太大，公式中的“0.5”系数可以调到0.8，允许顶力可提高60%。但是长距离顶管不能调高。5.2.3顶管进、出洞技术顶管进出洞技术正确与否对顶管施工的顺利进行至关重要，尤其砂性地层的出洞风险极大。涌水、涌砂、进出洞段沉降变形及坍塌、管道下沉、周边管线和构（建）物破坏、工作井淹没，甚至危及井下施工人员生命安全等事故，均是由进出洞方案失误而造成。1洞口外土体加固1）因富水砂层不能自稳，如果不采取加固措施，很可能在打开洞门-9-的时候就会造成塌方；洞口外土体加固比较有效的措施是高压旋喷桩。2）高压旋喷桩成桩直径≥50cm，钻孔深度超过结构物底标高不小于50cm，桩身搭接≥20cm；旋喷桩与钢筋混凝土井壁间应保证不小于5cm的净距。3）为了保证高压旋喷桩成桩质量和影响范围，应采取跳桩施工。4）高压旋喷桩兼有钢筋砼逆作井复合支护超前稳定土体（详见我公司开发的自治区级工法《复合支护钢筋混凝土井逆作施工工法》，工法编号：Q/JGF14-2016）与管道顶进洞口外土体加固两种作用。图5.2.3-1高压旋喷桩平面布置图2工作井周降水1）在砂性地层中的出洞风险很大，在这种工况条件下，除了采取以上的加固措施以外，认真做好降水是非常重要的。2）降水井在平面布置上应沿基坑周边形成闭合状，且宜一次降水至坑底0.5m以下。3）因管井施工简单，质量易控制，降水效果明显，故多采用管井来达到降水目的，其技术参数应根据不同地质水文情况，经计算确定。4）根据工程经验，一般管井外径取40cm、内径取30cm，井深取25～-10-30m，井数量取4口，降水点布置在基坑四角距其边缘4m～5m处。3穿墙止水1）洞口止水圈一般由前止水墙、预埋螺栓、橡胶止水圈、压板四部分组成。图5.2.3-2洞口止水圈的构造l-前止水墙；2-预埋螺栓；3-橡胶止水圈；4-压板2）如果是方形工作坑，则不必设前止水墙；如果是圆形工作坑，则必须浇筑一堵弓形的前止水墙，这时洞口止水圈就安装在平面上，而不可能安装在圆弧面上。3）安装时应自下往上进行，使用可调压板，调整压板与顶管机的刀盘以及管道外径的距离不应大于20mm。4）穿墙止水环安装前，应对洞口内、外轴线中心及内径尺寸进行复核。穿墙止水环中心与管道中心线的偏差不应大于5mm。5）穿墙止水环下部宜安装1～2个注浆口，顶进施工完成后压注水泥浆水玻璃双液浆。6）应设置井壁预埋钢环。管道埋深15m以内，应采用双层止水橡胶-11-圈；埋深15m以上，应采用三层止水橡胶圈。7）橡胶止水圈的拉伸量不宜小于400％，邵氏硬度40°～60°之间，厚度不宜小于12mm，内径小于管道外径100mm。5.2.4管道顶进1初始顶进1）在破洞之前，洞口必须有防止砂层塌方的措施。洞口内采用砖砌体封门封堵。2）当封门破除后，可把顶管机刀盘开动，用主顶油缸徐徐把顶管机推入土中。这一过程中应注意防止刀盘嵌入砂土中不转而顶管机壳体旋转，我们采取了控制顶进速度和在顶管机左右两侧加设角撑的办法来防止其旋转。3）将机头后方的三根混凝土管与机头管连接，形成一个整体，用来控制顶进段的高程和中线。至此，初始顶进工作完成，此时应停下来进行一次全面的测量，并把测量数据绘成曲线，便于分析。4）在初始顶进中还需注意，应在初始顶进的后期方可以进行正常的方向校正工作，这是因为如果当第一节砼管尚未与顶管机后壳体连接时进行纠偏，这时顶管机的前壳体已在土中，后壳体沿在导轨上，纠偏时前壳体不动，后壳体则有可能偏离导轨，不仅起不到纠偏作用，反而会带来更多的麻烦。2正常顶进1）在顶进过程中，根据土质情况和顶进效果进行刀盘转速和扭矩的控制和调整。2）正常顶进情况下刀盘应调至高转速、中低扭矩的状态工作，以获得较好的泥水分离效果，在施工中需停止刀盘回转时，应先停止顶进，刀盘电流(或油压)异常上升时，应降低顶进速度或停止顶进，待刀盘电
富水砂层近接建筑群大直径顶管机刀盘卡死脱困技术
导言
随着城市的快速发展，对配套基础设施建设提出了更高的要求。地下错综复杂的各种管廊，共同组成了城市的生命网，所以地下管网的建设对于城市基础设施建设的重要性不言而喻。在城市给排水管廊建设中，以顶管为代表的非开挖施工技术因其良好的经济性、安全环保、对周边建筑影响小、施工效率高，得到广泛应用。钟汉杰对非开挖顶管施工技术在市政工程中应用做了详细的分析讨论；张斌梁等采用中继套管推进方案，对港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道曲线管幕成功进行脱困；杨广伟对顶管施工工法、施工顺序、监控量测的方案以及施工中的重难点进行了探讨。由于地下工程的未知性和复杂性，在顶管施工过程难免遇到顶管机故障又无法开仓维修而形成“死管”的工程问题。本文以地铁车站排水管线迁改顶管施工为例，介绍了DN2000的大直径顶管机在富水砂层顶进过程中出现刀盘卡死，采用水下开挖脱困的处理措施，保障了顶管施工的顺利进行。
工程背景
为配合该地铁车站的建设，车站施工范围内有一条埋深8m的DN2000污水管需要永迁至车站以北。污水管迁改路由总长313m，埋深8m，共设置4个顶管工作井，分别是1WY1、1WY2、1WY3、1WY4和3段顶管段。顶管全断面位于粉细砂和中粗砂中，地下水位常年保持在2.5m。1WY1~1WY2顶管段长107m，顶管直径2000mm，采用泥水平衡顶管机施工。路由与建筑厂房最近仅1.35m，2020年10月30日始发，于2020年11月25日顶进至距离1WY2洞门6.54m处时，因采用WSS注浆进行接收洞门加固时，双液浆流窜至刀盘所处地层。顶进过程中出现顶力超限，刀盘电流预警无法正常转动，泥浆无法循环，顶管机抱死，后查明原因，系路由前方部分土体固化，刀盘被双液浆包裹，导致刀盘排渣口堵死，顶管施工被迫中断。现场顶管机刀盘被固化卡死情况如图1所示。
（a） （b）
富水粉细砂地层矩形顶管始发涌水风险及应对措施分析
摘 要：采用矩形顶管工法建设地铁出入口过街通道可有效避免交通导改、管线迁改、交通拥堵等问题。本文依托广州市轨道交通7号线一期工程西延顺德段土建02标林头站附属1号出入口矩形顶管项目，根据工程地质条件和顶管始发方案，从自然地质、施工管理等方面分析顶管始发涌水涌砂风险，并提出有关应对措施，以期为类似工程提供参考。
关键词：矩形顶管；地铁出入口；富水粉细砂地层；始发；涌水涌砂
0 引言
21世纪以来，随着我国经济的快速发展，城市轨道交通事业愈加兴盛。在地铁施工中，地铁车站主体结构一般沿城市主干道路走向布置，部分地铁出入口往往需穿越城市主干道。与地铁车站在同侧的出入口可采取明挖法施工，但建设出入口过街通道时，采用明挖法容易带来交通导改、管线迁改、交通拥堵等问题。而矩形顶管工法则可有效避免上述问题，只需在主干道两侧施作始发井和接收井，在地下采用顶管设备进行暗挖施工，从而在不中断地面交通和常规地下管线的情况下实现隧道的建设。
矩形顶管暗挖施工受地质条件影响较大，由于地质条件的复杂多变使其无法完全通过勘探手段查明，因此矩形顶管施工存在较大风险。本文主要针对富水粉细砂地层矩形顶管始发涌水风险进行分析，并提出相关应对措施。
1 工程概况
广州市轨道交通7号线一期工程西延顺德段土建02标林头站附属1号出入口顶管项目，林头站为7号线西延段的第3个车站，位于佛山顺德区G105京珠线（顺德大道）与美的大道交叉口北侧，共设有4个出入口，其中1号出入口位于交叉口东北侧，出入口通道需斜交穿越既有G105京珠线（顺德大道），如图1-1。G105京珠线为双向八车道，道路交通繁忙，车流量大，且大型重载车辆多，不能中断交通，施工对地面沉降控制要求较高。经专家论证，该出入口通道采用“绿色、安全、环保、高效”的矩形顶管法暗挖施工。
顶管始发及接收井采用明挖法施工，基坑分别深度为15.8m和13.9m，始发井现状为废弃河涌空地，接收井现状为105国道，顶管通道埋深约为6～6.5m。本工程采用多刀盘组合式土压平衡矩形顶管机掘进，断面尺寸为7.0m× 5.0m，净空尺寸6.0m×4.0m，壁厚0.5m，顶进长度62.2m，采用预制矩形钢筋混凝土管节，单节长1.5m，重42t，混凝土强度为C50，抗渗等级为P8，管节接口采用“F”型承插式。
砂质富水地层泥水平衡顶管施工关键技术研究
摘要 :2019年长庆油田上古天然气处理总厂工程场外系统轻烃厂-榆林末站取还气管线、轻烃厂-榆林第二末站取还气管线工程的榆补路穿越，采用泥水平衡定顶管穿越方式。针对穿越位置地质为细沙且地下水位较高的特点，进行了顶管过程关键技术的研究。
关键词 穿墙顶进 正常顶进 纠偏 触变泥浆
1．引言
本工程穿越榆补公路需顶进4根DRCPⅢ2000×2000的混凝土套管，间距为6m，单根穿越长度为60m。榆补公路穿越处位于毛乌素沙漠边缘，地质为细沙且地下水位较高，在施工过程中极易形成流沙，针对这一特点，施工单位对泥水平衡顶管过程的关键技术进行了研究，制定了科学的施工工艺。通过实践证明，施工措施选择得当，按期保质保量顺利完成了顶管任务。为今后在流沙地段长距离顶管施工积累了宝贵经验。
2.顶力设定技术
2.1 推力的理论计算：（以Φ2000mm计算）
F=F1十f2
其中F—总推力
Fl一迎面阻力 F2—顶进阻力
F1＝π/4*D2*P (D—管外径2.24m P—控制土压力)
P＝Ko*γ*Ho
式中 Ko—静止土压力系数，一般取0.55
Ho—地面至掘进机中心的厚度，取最大值10m
γ—土的湿重量，取2.73t/m3
P＝0.55*2.73*10＝15.02t/m2
F1=3.14/4*2.24^2*15.02＝59.16t
F2＝πD*f*L
式中f一管外表面平均（根据顶进距离平均沙砾土）综合摩阻力，取0.6t/m2。其取值可按表6.4.8-1所列数据选用；
D—管外径2.24m
L—顶距
顶进管道与其周围土层的摩擦系表
2.2 总推力F=59.16+422.02＝481.18t。根据总推力、工作井所能承受的最大顶力及管材轴向允许推力比较后，取最小值作为油缸的总推力。工作井设计允许承受的最大顶力为600t，管材轴向允许推力500t，主顶油缸选用3台200t(2000KN)级油缸。每只油缸顶力控制在180t以下，这可以通过油泵压力来控制，千斤顶总推力540t。因此我们无需增加额外的顶进系统即可满足要求。
