长距离曲线顶管的施工技术探讨

摘要：顶管施工能不受交通和障碍的影响进行作业, 并能提高工效, 降低工程造价，文中通过某工程实例，从顶力分析、中继环技术、触变泥浆减阻等方面阐述长距离顶管的施工技术。

关键词：长距离；曲线顶管；施工技术；

中图分类号：U212.33+2文献标识码： A 文章编号：

前言

在城市交通繁忙地段，埋深超过3米的排水、排污管道，利用顶管施工技术，能保证道路畅通，经济上也合理，制定具有针对性的施工方案，富有经验、熟练的施工队伍和严密的施工组织与管理手段是施工成败的关键。

一、工程概况

某污水处理厂标中的5#至5-1#号井ɕ2200钢筋混凝土顶管，全长234m，该段管道采用曲率半径为R=410米的曲线顶管方案。本工程管线所经地域，据勘测报告揭示，勘探深度范围内，地基土层标准层序，至上而下划分四层（1杂填土2粘土3淤泥4含泥中砂层），顶管穿越位于含泥中砂层内。

二、曲线顶管控制的技术措施

在曲线顶管中，有三个主要的管理环节：关于曲线有关数据的计算、测量和监控、顶进过程的操作。在施工管理中，如果紧紧抓住了这三个环节，就抓住了核心。

1曲线有关数据的计算

由于，所顶管子位于规划的国货东路上，受到现状桥梁基础与规划高架桥桩的限制，以及规划道路捌点的要求。经计算确定如图& 曲线，图中所示是理想的设计曲线，在实际操作中曲线顶管从直线段到曲线段和曲线段恢复到直线段，应经过一段过渡曲线。施工前可根据设计曲线制定实际控制曲线，实际控制曲线宜保持在设计曲线的内侧。

2成品管的选型与设计

本工程选用F型成品管。曲线段管接缝，有以下几何关系。

(1)

式中ɵ为相邻两管节之间的转角；L为管长；R为曲线半径；X为管外壁的缝隙差；D为管外径；将R=410m 代入上式得X=13mm，ɵ=0.28o 。

为确保管材在曲线段接口处的密封性能良好，防止砂和地下水由管缝处渗入，我们将原设计的F型钢套环的端面伸出部份由14CM增加至18CM。在曲线顶管中还应注意分析曲线段的管端面的受力，由于管偏角的存在，管子断面的受力面积减少，将产生局部应力集中现象。据有关资料表明，管偏角（ɵ）应满足ɵmax≤0.5o。

3轨迹控制与纠偏技术

（1）顶管掘进机纠偏系统的设计

顶管掘进机的选型与土质情况有关，而与曲线情况并无关系。根据工程实践和有关资料，纠偏系统的设计应注意以下关键数据；a机头纠偏油缸总推力应控制在6400KN满足推力要求。b机头的长径比（即机头前壳体长度/机头外径），如果长径比过小，在软土地层中顶进，往往因为土体反力不够，加之掘进机自重和机械振动的影响，即使在机头纠偏油缸伸出的情况下，仍无反应，本工程的机头长径比取值为1.1，纠偏效果良好；c机头最大纠偏角度，根据大量经验数据，最后取值为2o。

(2)轨迹控制与纠偏技术

a 曲线顶管的纠偏技术除了机头一套纠偏装置以外，应把最前3节管子设计成纠

偏特殊管，预留油缸槽，放置起曲油缸，顶管进入曲线段时，同时启用机头纠偏油缸和起曲油缸，并把木垫逐步垫到设计厚度，形成整体弯曲弧度开始起曲。只要机头及前几节管子已经开始起曲，后面的管节一旦到达起曲段，也会自行起曲。在前8节管子上设置拉杆，以便控制管节缝隙的变化，以防线型失控。当顶进从曲线段恢复到直线段时，也是通过机头纠偏油缸和起曲油缸实现的。

b顶管自动测量引导系统

测量对曲线顶管的轨迹控制至关重要。由于在曲线顶管管内，测量仪器不能与机头通视，而且在顶进过程中，整体管道都是处在无规则动态，还会发生旋转现象。若采用人工地下导线测量方法，不仅测量时顶管必须停止，而且工作量大，影响顶管进度。在二次测量之间，只能盲目顶进，顶管质量难以得到可靠保证。为此，我们引进国内先进的顶管自动引导测量系统，实现了机头的跟踪测量，做到“随测随纠”，有效地保证了顶管的质量并大大提高整体施工进度，效果特别明显。

三、长距离顶管中顶力的控制

1控制顶管轴线、降低纠偏动作在实际顶管施工中纠偏对顶力的影响非常明显，顶管机在顶进过程中由于受力不均匀，导致偏离管道设计轴线，所以必须对机头的前进方向和旋转进行纠偏，使其沿设计方向平稳前进。纠偏在顶进过程中是不可避免的，是自始至终伴随着顶进而进行的。每次纠偏时必须对顶管机施加力矩使之改变前进方向，施加的力矩就相当于附加了一个土压力从而使阻力增大。

这一附加阻力在规范中没有反映，但它却是一个不可忽视的因素。纠偏阻力的估算方法：Pa=f/2•σ•L。

Pa———纠偏阻力，f———管壁与土体间的摩擦系数

σ———侧壁土压力 ，L———顶管机长度

可见当顶管机的尺寸和土体的性质确定后，附加阻力与纠偏角成正比，即纠偏角度越大，附加阻力也越大。所以在长距离顶管施工中采用自动测量导向系统进行全过程连续监测，随时掌握顶管机偏离设计轴线距离的数据，并结合前方机头操作台上数字式倾斜仪的读数来判断顶管机实际顶进线路的变化趋势，并及时采取措施加以控制，避免因机头失控而被迫进行大角度纠偏，使得顶进轴线的控制较为理想。

2注浆减摩工艺（触变泥浆套压注技术）

在长距离顶管中影响顶力的主要的因素是管道的周边摩阻力，采用触变泥浆套是降低顶力的有效方式。问题是如何才能形成良好的浆套。

(1)泥浆减摩剂组成

泥浆减摩剂又称触变泥浆，是由膨润土、CMC(羟甲基纤维素)、纯碱和水按一定比例配方组成。根据有关资料介绍,作为顶管施工用的膨润土应选钠基膨润土，由其拌制成的浆液，触变以后的流动性和静止下来的胶凝性、固化性都比钙基膨润土拌制的浆液要好，对土层的支承和效果好。

(2)触变泥浆配比

触变泥浆配比应根据不同土质和某些特定的需要通过试验确定。此段顶进的浆液配比，1m3浆液配比如下：膨润土109kg，CMC 0.65kg纯碱5.45kg，水900kg，浆液的主要性能为：粘度26秒，失水量8.5ml。

（3）压浆工艺

触变泥浆减摩效果的好坏，与选择的压浆工艺有直接关系。

a注浆孔布置，注浆孔的布置应根据不同曲线状况与土质情况进行设计，以确保注浆效果；b同步跟踪注浆，当管节顶进时，同步进行跟踪注浆，以确保形成完整的泥浆环套；c补压浆，管节在顶进过程中，由于有部分浆液流失到土层中去，因此必须利用砼管节上的压浆孔进行补压浆。d洞口处的压浆，顶管工作井制作时，应在预留孔处预埋三至四根注浆孔管，以便在顶管过程中能在井内向洞口环形空隙内压浆。避免管道入土后即被土体握裹的危险。e压浆量与注浆压力，压浆量原则上控制在同步跟踪压浆量为管节外理论空隙体积的; 4-5倍左右，补压浆量一般为管节外理论空隙体积的2倍左右。注浆压力值一般取1.0~1.2rH。f 曲线段的注浆方法，由于在曲线段的外侧存在法向分力的作用，对土体扰动和摩阻力都会增大，所以当掘进机进入曲线段时，增加了对曲线外侧的注浆量，尽可能形成完整泥浆套。g减摩效果，本工程在急曲线状态下的实际管外壁侧面平均摩阻力为1.4kpa，与直线顶管相似，减摩效果十分明显。

结束语

1机头的纠编动作，将增加顶管纠偏附加摩阻力，在实际顶管中应减小大动作的纠偏；

2曲线顶管中，在确保注浆套完整的情况下，管外壁侧向摩阻力与直线段相比不增加；

3地面沉降控制与土压力及出土量有关；

4采用自动测量和顶管趋势导向测定、记录是今后顶管测量的主导方向；

5长距离顶管中，不论曲线与否，控制顶力的关键是应用减阻工艺；

6曲线顶管技术为施工困难地区管道工程提供了新的施工途径。

参考文献

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