土压平衡顶管施工技术在焦营穿路涵施工中的应用-评职称

　　焦营穿路涵洞位于睢宁县双沟镇以东，104国道K826+400处，横穿国道，为徐沙河上段治理工程配套建筑物。结用构形式为单孔圆管涵，设计孔径φ2000mm，洞身长度65m，洞底高程23.5m，洞身圆管采用国家标准特制，管壁20cm厚，钢筋砼结构。上下游连接段采用浆砌石护砌。由于工程穿越国道，为不影响交通，保证国道畅通，经研究论证采用土压平衡顶管法施工。

　　二、施工条件

　　该工程横跨公路，施工场地要在道路两侧布置，场地狭窄，布置困难，无完整料厂和操作场地，行人、机动车干扰大，安全隐患多。

　　建筑物所在土层为粉砂土，土质松散，水平抗推力小，无稳定后背支撑来平衡顶管机的顶推力。地下水位较高，流沙现象严重基础施工困难排水措施要做好，备足设备降低地下水位。

　　三、土压平衡掘进机工作原理简介

　　1、构造掘进机组成主要由前壳体、后壳体、切削系统、动力系统、纠偏系统、电源控制系统、送土系统、显示系统等组成。

　　2、工作原理掘进机安装就位后，在顶推力作用下机头进入洞口与土体接触达一定压力即开动切削系统旋转，刀盘开始切削土体在加压顶进过程中当刀盘工作面压力达到了1-3Mpa时表明可以开动取土运输系统，启动螺旋取土输送装置，土体在压力和旋转推力的共同作用下被输送到出泥口，然后用人工或水力冲挖方法把土输送到洞外，这样不断加压顶进不断取土，把管道顶进洞内，当一节管道全部顶进洞身后，收缩液压千斤顶杆，在轨道上安装下节洞身管，继续顶进。如洞身范围内土质为沙土，刀盘面压力达1Mpa时即可出土，如为粘土压力要达到2~3Mpa,工作面内压力最大控制在3Mpa以内，压力太大容易损坏刀盘电机。

　　在掘进机前进过程中，由激光经纬仪和照准标靶控制顶进方向和高程，在顶进前安装好测量控制系统，顶进机头内设一标靶，激光束固定照射在标靶某一位置，做好原始记录，在顶进过程中技术人员随时观察经纬仪光标在标靶上的移动情况，发现偏移随时纠正，这样不断前进，不断纠偏连续工作，完成顶进。

　　3、掘进机主要技术参数

　　⑴掘进机外径：φ2400mm

　　⑵掘进机总长：4465mm

　　⑶刀盘切削外径：φ2500mm

　　⑷刀盘转矩：760KN•M

　　⑸刀盘转速：2.27rpm

　　⑹最大纠偏角度2°

　　⑺掘进机装机容量：72KW

　　⑻整机重量：约20T

　　四、顶管施工程序及主要施工方法简介

　　本顶管工程的施工方案为在涵洞进出口分别设置钢筋砼沉井，出口侧沉井作为顶进操作坑，进口侧沉井作为接收井，井底用砼封实保证在顶管期间井底不渗水井身不下沉偏斜，并设排水坑一处，井底标高经计算确定，满足安装导轨及洞身设计底高程的要求，操作沉井的布置和尺寸尽量结合涵洞进出口段永久建筑物的布置和型式，顶管结束后可以利用。操作井后背的强度要能满足顶管时平衡千斤顶水平顶推力的要求，如计算不能满足要在后背设置加固措施一般采用重力式后背加固。根据涵洞中心线在操作坑井底安装导轨，掘进机安装在导轨上，精确校正后开始施工。

　　1、施工程序：沉井制作下沉砼封底导轨安装安装钢后靠后背加固安装主顶设备安装进口止水圈设置测量观测系统拆除封门机头顶进砼管顶进掘进机出坑管接头处理。

　　2、主要施工方法

　　⑴沉井下沉、封底施工场地内土层为粉沙土，地下水位较高，渗透流沙现象严重，为防止翻砂和沉井下沉失控，下沉前在沉井四周布设了轻型井点降水设备，先降低地下水位再沉井，下沉取土采用水力冲挖法，通过挖土减少刃脚正面阻力及沉井内壁摩阻力，在沉井自重作用下下沉。井内取土先从中间开始，均匀对称地向四周刃脚开挖，下沉过程中经常测量沉井倾斜度和偏差，保证井体均匀下沉，发现偏差及时纠正，通过调整井内取土位置和数量来纠正，在下沉初期这一点尤为重要。下沉过程做好记录，根据测得的每小时下沉量来控制最后挖土深度和数量，当下沉到距设计深度0.5米时放慢取土速度，测量沉降量，到距设计标高15cm时停止取土，观测3小时视下沉情况适当取土，直至设计高程待下沉稳定时再封底。

　　封底前先检查基底土，对基层土进行整平压实，必要时作封底垫层，封底采用钢筋砼，面层布设φ12@20钢筋网一层粉底厚度50cm，砼必须振实以防渗水。

　　⑵圆管顶进

　　A准备工作检查所有设备，确保液压、电器、气压、水压、照明、动力、通讯等操作系统均正常工作;电表、压力表、保护装置流量器处于正常显示工作状态，然后进行联动调试;洞身圆管已到位且质量符合设计要求和国家标准，经检验合格;起重安装设备已到位且调试完成;已对操作人员进行技术交底、各项安全措施已落实到位。掘进机安装到导轨上后校核其中心线和高程符合实际要求，随后进行顶进操作。

　　B顶进施工在洞口封门被拆除障碍物清除干净后开始顶进，顶进过程分初始顶进和正常顶进两阶段。初始顶进是指从顶掘进机开始到第一接砼管接上并与掘进机连接好之前的顶进过程，在此过程中应严格控制顶进偏差，以保证砼管前进有一良好的方向，偏差数值控制在5mm内观测人员应不离开仪器严密观测及时调整方向。开始顶进时，控制油压机流量，千斤顶杆伸出速度要慢，然后逐步加大油压机流量和压力，砼管顶动时方可加大顶进速度,油泵千斤顶工作中要启闭阀门时控制油路压力不大于300kg/cm2,操作过程中时刻观察油压表变化，如压力突然增加应立即停止顶进，检查原因排除故障后再进行。在进入正常顶进阶段后，控制顶进速度要缓慢匀速，顶进一经开始最好连续作业，否则中途停顿再开顶时会使摩擦力增大，增加顶推力，加大顶进难度。顶进中顶推压力要和出土速度协调一致，始终保持切削面内有一定压力，保证机头前访土替补塌方。坚决禁止在切削面内没有压力的情况下仍向外出土现象。

　　为减少管壁与周围土替摩阻力，降低顶推力，施工中采用了注浆减磨系统和在管外涂蜡措施，润滑泥浆由膨润土和纯碱加水搅拌而成，配比为：水：膨润土：纯碱=1：0.12：0.006，在紧随掘进机顶进的前4~5节管上，每节管顶打4~5个孔作为灌浆孔，通过灌浆机和输泥管把泥浆压入管外壁与土体之间使之形成泥浆套，减少顶进摩阻力。在其后的管接上每隔3节设置一个补浆断面，向外壁补浆，保持泥浆套连续不脱落。顶进结束后进行泥浆置换向注浆孔中注入水泥砂浆或水泥浆，整体凝固后再拆除管路，这样就封闭了注浆孔。

　　C测量控制在工作坑内靠背前设置测量工作平台，平台高度与洞轴线标高相匹配，并可少量调整，将激光精纬仪安装在平台上，调整其方向和位置使其中心线与洞中心线一致，把经纬仪视准轴线调整为水平线，对准校正后的掘进机显示系统上的标靶，记录光束在标靶原始位置时的数据，顶进过程中派专人负责测量控制工作，随时观测偏移量和机身扭转情况，及时为操作人员提供纠偏信号。测量人员应不定时检查经纬仪变动情况，根据地面上提供的洞中心线控制系统，复核经纬仪位置。

　　D纠偏当测量人员发现偏离时，马上通知操作人员进行纠偏，机头内设有专门纠偏系统，操作人员按照操作说明进行纠正操作纠偏油缸2个为一组，如果往下偏，先按压上纠偏位置按钮再按压伸按钮，即左上右上同伸开始纠偏，按压动作与纠偏方向见下表。

　　方向油缸活塞杆动作

　　上仰左下右下

　　下俯左上右上

　　向左右上右下

　　向右左上左下

　　在纠偏过程中如果高程和水平位置同时出现偏差，这时应先纠正高程偏差后纠正左右偏差，因高度方向偏差较难纠，纠偏过程应按照“监控发展、稳慢回归、平行找顺、主动微调”原则进行，及时发现偏差苗头缓慢纠偏转向正确方向，如发现较大偏差，应分析发展趋势，不能一次纠正完成，而应分次逐步纠正，勤调微纠，防止出现急转弯现象。操作人员应认真做好顶进记录，偏差数值每顶一节记录一次。

　　E出洞当掘进机距接收井还有4~6m时应加强轴线复测力度，确保机头准确安全进入接收井洞口，为防止掘进机进入接受井后出现磕头现象，接收井内安装延伸导轨，轨道高度和平面位置与工作井内一致，保证掘进机平顺出洞。

　　3、地面沉降观测在洞身中心经过的路面上设置标志点沿中心线设置5~7个，在顶管前测定其标高，顶管通过后每日两次观测其高程变化情况，确定沉降与否，如变化不大，3~5天后减少观测次数，每天测量一次，直到无变化为止做好观测记录和资料整理工作。

　　4、质量标准

　　⑴管道内清洁无裂缝

　　⑵管道不错口，方向不偏移，各管节平顺连接，管底高程平顺，不允许出现倒坡

　　⑶道路表面无沉降变形或隆起现象，无明显裂缝。

　　⑷轴线位移控制在允许偏差范围内。

　　⑸接缝处抹缝密实，平滑无渗漏。

　　五、经验与体会

　　通过焦营涵洞的施工，我们发现顶进施工法的优点较多，比如施工时不影响其上道路通车，不需中断交通避免了施工对行车的干扰;节约投资，由于不需大开挖，减少了大量土方工程量且不需破坏路面然后再恢复;进度快工期短，由于工程量大大减少，施工项目工序简单，施工又不受阴雨天限制，可缩短施工时间;机械化程度高，使用人工少，便于组织管理;施工设备定型化、工具化，施工操作技术也不复杂，易于掌握等。主要缺点为在顶进过程中如遇洞身土体内含孤石等障碍物排除困难，掘进机在土体内连续工作产生大量热不易散发，机舱内温度太高不利机械工作，尽管有以上缺陷，但从建筑物运行情况并与其优点相比，顶管施工法能够保证工程质量，优点较多，可在水利、市政排水等水利工程中使用。