长距离顶管顶力控制分析

□文/谭儒年 赵 栋

1 工程概况

蓟运河过河顶管工程穿越蓟运河，顶管距离为437m，顶管管径为2000mm，管道埋深为12.7m，为华北地区一次顶进距离最长的顶管工程。顶管后背为钢筋混凝土沉井结构，主顶装置由4台200t等推力油缸和油泵站组成。由于蓟运河河底地质情况复杂，伴随着顶进距离的增加，顶管摩阻力将持续增长，一旦超过后背4台主顶油缸所能提供的合力，则顶管不能继续，因此有效控制顶力增长的趋势成为了保证顶管施工顺利进行的关键所在。

为了顺利完成本次施工任务，进行了科学的顶力计算，设置了中继间并采用触变泥浆进行减阻，最终取得了良好的效果。

2 施工控制要点及实施方案

2.1 土压平衡顶管顶力计算

顶管穿越土层为淤泥质粉质粘土、粉质粘土，土层物理力学指标：天然重度为18.1kN/m3，内摩擦角为4.3°，粘聚力为14.0kPa。

参考GB50268—2008《给水排水工程施工及验收规范》，顶力计算采用经验公式Fp=πD0Lfk+NF

式中：fk——采用注浆工艺时，管道外壁与土的单位面积平均摩阻力，介于3～5kN/m2，本次取值为5kN/m2；

D0——管道的外径，取2.4m；

L——管道的总体顶进长度，取437m；

Dg——顶管机外径，取2400mm；

P——控制土压力，取0.1N/mm2。

则土压平衡顶管总顶力

根据顶力计算，在采用常规注浆工艺时，顶管总顶力超过了4台主顶油缸的合力，若要保证顶管继续顶进，必须增设中继间。

2.2 中继间的设置

后背方向主顶设备采用4台200t等推力油缸，可以提供8000kN的顶管推力，根据顶管顶力计算公式，则顶管段计算长度。由于总体顶进长度为437m，为了保证顶管顺利完成，至少需要增加2座中继间。

本次顶管施工采用的中继间内部均匀设置16个50t的单程油缸，则每座中继间的总推力仍为8000 kN。按照中继间安放规律，当总推力达到中继间总推力的40%～60%时，就应安放第一座中继间，以后，每当达到中继间总推力的70%～80%时，安放一座中继间。而当主顶油缸达到中继间总推力的90%时，就必须启用中继间。

2.3 触变泥浆减阻

1）触变泥浆配合比设计。所谓触变泥浆就是膨润土的水溶液，在膨润土浆液中，用纯碱作为分散剂，用纤维素（CMC）作为增粘剂，在不同的土质中，应采用不同的配方，才能满足不同的需要。

由于蓟运河河底土质较软，渗透系数较大，为保证在顶管周围形成完整的厚度均匀的泥浆套并防止触变泥浆大量流失，经研究决定在维持纯碱、CMC和水的比例相对不变的情况下，提高膨润土含量，增加触变泥浆的粘稠度，见表1。

表1 触变泥浆配合比 kg

为提高泥浆的和易性及胶体率，在浆液配置过程中，将以上各种成分一起搅拌至少30min以上，让其充分吸水、膨润，静置1～2h待其充分膨润成浆状即可使用。

2）改进加压系统、优化注浆管路。短距离顶管，一般只在注浆泵上设隔膜压力表，显示浆液的压力。对于本次长距离顶管，由于浆液在泥浆管路行进过程中延程损失较大，在管道最前方注浆孔处压力与注浆泵出口压力存在一定的差值。为防止注浆压力过大，将河底穿透，在管道端部注浆孔处增设隔膜压力表，以管道端部压力表读数表征注浆压力，将注浆孔浆液压力控制在0.1～0.12MPa，使注浆压力的上限不超过管道上方覆土的承压能力，保证河底安全。

为防止浆液回流，在每一个注浆孔中安装一个单向阀，既保证触变泥浆从管道外围形成完整浆套，又降低了浆液的损耗。

为确保施工过程管段全程形成泥浆护套，靠近顶管机的三节管全部采用带注浆口的管材，后面管材采用普通管材与带注浆孔管材间隔设置的形式，每个中继间设置独立的注浆管路。为确保注浆效果，选用脉动很小的螺杆泵，使浆液从空隙中被挤压出来，浆套容易形成且容易保持。

顶进时应贯彻同步压浆与补压浆相结合的原则，工具管尾部的压浆孔要及时有效地进行跟踪注浆，确保能形成完整有效的泥浆套。管道内的压浆孔进行一定量的补压浆，补压浆的次数及压浆量根据施工情况而定，尤其是对地表沉降要求高的地方，应定时进行重点补压浆。

3 效果

顶管阻力主要由迎面阻力和管壁外周摩阻力组成，迎面阻力与顶管掘进机的直径和设定的土仓压力有关，而管壁外周摩阻力则随着顶管长度的增加而逐渐增大，当土质均匀，管壁外周摩阻力与顶管长度之间应该呈线性增长之势。

由于调整了触变泥浆配合比，优化了注浆管路，增加了止回阀，减少了泥浆的跑冒滴漏现象，泥浆减阻效果良好，后背顶力增长缓慢。数据显示顶管至52m时，油泵站压力表读数为4MPa，相应顶管顶力为1000kN；而按照顶力计算公式，顶力应为2411.52kN。比较而言，实际顶力为计算顶力的41.5%，由此可见，触变泥浆减阻效果良好。

随着后背顶力的逐渐增大，按照中继间设置规律，在距顶管机52、140、220m位置先后设置3座中继间，分别设置了注浆管路并加强了注浆控制，油泵站压力表读数由4MPa逐渐增大，到393m处（蓟运河南大堤）增大到26MPa，而后压力表读数维持在24MPa，直至顶管完成。

通过顶管顶力计算公式可以反算出，经过改进注浆工艺并优化注浆管路后，管道外壁与土的平均摩阻力为1.84kN/m2，远远小于顶力计算时5kN/m2的取值。

4 结语

通过进行科学的顶力计算、合理的布置中继间并优化了触变泥浆减阻系统，使得顶管顶力增长趋势缓慢，避免了启动中继间，从而缩短了顶管工期，降低了施工成本。

［1］余彬全，陈传灿.顶管施工技术[M].北京：人民交通出版社，2003.