浅析浅覆土条件下大直径顶管施工抗浮措施

浅析浅覆土条件下大直径顶管施工抗浮措施

张磊

中国水利水电第八工程局有限公司湖南长沙41004

摘要：本文以马来西亚凯德隆火电项目大直径顶管施工的实践经验，对在浅覆土条件下泥水平衡法顶管施工如何抗浮进行了分析，研究出一套可行的抗浮措施，细化了相关施工技术内容，为浅覆土下顶管施工提供了可借鉴的经验。

关键词：浅覆土顶管施工火电联合循环

1概述

在进行大直径取水管道顶管作业时，往往会遇见覆土厚度达不到规范要求的情况，在无法进行开挖作业的情况下，如何保证在浅覆土厚度区间能够完成顶管作业，成为了目前大多数施工企业所面临的问题。

2项目简介

马来西亚凯德隆火电项目地处马来西亚砂捞越州民都鲁市凯德隆工业区，距市区约18公里，项目设计装机总容量净出力为420×2MW，为两套GE公司的F级GT-26燃机联合循环机组及先关辅助设备组成的双燃料多轴联合循环机组电厂。该项目循环水取水系统由三根直径2500mm，长度1.45km的取水管道组成，顶管区域300m,根据最新设计延长100m，总长400m，为RCCP管道，外径2.9m,管道每米自重4.4t；明挖段1.05km为HDPE管道。顶管位置设计出洞轴线在-5.5m位置，外倾坡度为1.42‰，采用RCCP（预应力钢筒混凝土管）顶进，最外端覆土厚度原设计为4.0m，现设计400m处覆土厚度为2.5m。

本项目有如下特点：

（1）顶管直径大（为DN2600mm），根据以往当地的大中型地下工程分析，地质条件比较复杂，有可能在顶管施工过程中碰到孤石、岩层等地下障碍物，处理难度将比较大；

（2）单根顶管长度较长，超过400m，一次顶进距离较长；

（3）顶管基本上在海域内顶进，影响施工的因素比较多，风险较大。

3浅覆土厚度抗浮分析

3.1顶管方案选择

根据地勘报告内关于顶管施工区域地质条件的分析，顶管土层为粉质砂性土，拟采用泥水切削气压平衡顶管法实施顶管作业，具体原理是正面的土体经网络分割挤压后进入泥水仓，被泥水仓内的高压水枪破碎冲成泥水，然后经出排渣管排至地面沉浆池沉淀处理，顶进时选用头部开挖仓内局部气压来稳定挤压面的土体。该方案在粉质砂性土或砂中顶进时，可加入局部气压以防止流砂现象的产生，确保管内施工人员的安全，具有顶进速度快，精度高，可长距离顶进，等优点。缺点是覆土厚度需大于等于2.5倍管道直径，对土质要求较高，易被块石等固体杂物卡死刀盘，设备庞杂，需要场地面积较大，对水、电需求量较大等缺点。

3.2抗浮分析

由于400m处覆土厚度小于2.5D，在该区间进行顶管作业时，将无法保证管道精度，甚至可能发生管道上浮、失稳、偏斜等问题，造成无法严重的损失。因此，必须采取必要的措施以防止上述问题的发生。

管道在顶管进行中，浮力来自于周边受挤压的土壤。因此，根据浮力公式可计算出300-400米区间内每米管道所受的最大浮力为F浮=72.6KN。

另外，需计算出管道每米土壤吸附力，

其中，

D——管道外径，为2.9m;

λ——土壤吸附力系数，本项目取4.74KN/m?；

则，F吸=21.6KN.

可以很快得出管道所受的上浮力为F浮-(F吸+GM)=7.1KN，如果不采取措施，在顶管过程中必将发生管道上浮现象。

4浅覆土厚度抗浮措施

针对上述分析结果和现场实际条件，对管道上浮问题拟采取以下处理措施：

4.1增加覆盖层

根据现场实际条件，现在管顶为2.5—4m厚流塑态淤泥和粉质砂性土，容重较小，无法为管道提供足够的上部荷载，考虑到在含水丰富的淤泥中填砂比填土更容易密实，挤开并置换淤泥的效果更好，因此可采用覆盖砂，长度为100米，顶部标高为-2米，高于现状海底淤泥面3米，挤出淤泥厚1米，填砂厚度为4米。

4.2管道内配重

除了增加覆盖层以外，还可在关内配重以增加管道自身重量从而抵抗上浮力。配重材料采用钢锭，每根30KG，用人工送入管道内，均匀排布在管道底部，每米管道配重24根,配重区间300m至400m。

4.3措施方案选择

本项目地处南中国海，常年风浪较大，海底覆盖砂施工困难，成本较高，存在诸多不可控因素，因此该方案最终被否决。管道内配重易操作，可以针对顶管过程中检测情况进行动态调整，安全性较高，因此最终选用管道内配重方案。

5浅覆土厚度下顶管施工其他注意事项

5.1正常顶进时的技术措施

（1）准备好空压机、风镐，凿碎砖封门，将机头顶入洞口后下设备段。连接油管，电缆及泥水管后顶进。

（2）分析顶进速度，顶力，机头土体侧压力，刀盘扭矩等参数，顶进速度应根据机头压力大小确定，严格根据预定的设计值，刀盘扭矩顶进，禁止机头超负荷运转。

5.2顶进中的测量和纠偏

测量：将地面上的各点坐标、高程引入井下后，顶进管道水平、高程的编差均由激光经纬仪测定，仪器固定在沉井的底板上，计算机控制的激光接收靶固定在机头前端，坐标中心在掘进机的中轴线上。

顶进时激光经纬仪常开启，机头操作人员通过观察计算机显示屏幕上的激光光斑移动数据及顶进的长度，分析偏差发展趋势，确定应采取的纠偏方法。激光经纬仪必须按规定的顶进长度或测量时间进行高程、水平方向校正，高程方向也可使用连通器在顶进中随时校正。

纠偏：管道顶管的纠偏分两种情况。一是管道在初始顶进时的纠偏，初期顶进时除在安装导轨、出洞时应严格注意外，管道在顶出洞口的5-15m内，利用管道刚性大的特点，使用主千斤顶施加偏心顶力的纠偏技术，是常用的方法。此时要十分严格地控制掘进机出洞时的顶速，克服急躁情绪，顶速应控制在10-15mm/min范围内，留出充足的时间慢慢找出偏心顶力纠偏的最佳顶力，保证一次出洞顺直。

管道在顶进中的纠偏，最大的应力集中部位是掘进机焊接的第一根管道的接口处，为保证在正常预进中的纠偏操作，我们将紧随机头尾部的一节管道管节，制作成2m一节，接口改为内法兰加厚橡胶板螺栓连接，使这节管道的两个接口刚柔相济，纠偏时有个过渡区域，从而使整体性好的管道在纠偏时有较好的灵活性。

管道顶进中的纠偏，应突出勤纠、缓纠的原则，勤纠是指对掘进机的方向要勤观察、勤记录，发现微小的偏差，就要采取纠偏措施。

缓纠是指用小的纠偏角度，使顶进的掘进机在较长的一段顶程内缓慢回归到设计轴线的位置。正常顶进中可采用“校正”、“恢复”两种方式。“校正”方式是根据机头轴线与设计中心线之间夹角大小，确定是否需要采取纠偏措施。采用“校正”方式时，机头纠偏角约0.3-0.6°。“恢复”方式是由机头位置与设计中心线的累计偏差量，确定是否需要采取纠偏措施，这时的纠偏角约0.2-0.4°。

5.3注意防止地面的沉降或隆起。

在顶管施工沿线按一定间距布设沉降观测点，监测顶管顶进施工期间的地面沉降量。开挖端面的取土过多或过少，会造成地面的沉降或隆起。为避免这种不良影响，可采取以下措施：在压浆时要控制好压力，恰好能平衡“泥浆套”以上土体的压力。严格控制管道接口的密封质量，防止渗漏。在某些管节埋藏较浅的位置，若发现地面出现隆起，可采用沿管线局部压钢板，上堆砂包加载的形式，防止管节顶进时触变泥浆上浮使到泥浆套失效。工具管纠偏后，刃脚后形成一个空隙，管道顶进时周围的土体会塌入空隙，造成地面沉降。为避免这种情况，在顶管顶进时，要及时测量，勤测勤纠，避免大角度纠偏。

5.4注意防止叩头

顶管机在推进过程中一直往下走，即使纠偏使用也不明显，原因是大多发生在粉细砂土中。由于泥水平衡顶管机比较重，而且机器转动起会相起震动，这种震动会使粉细砂土很快液化，从而降低了它的承载力，就会使顶管机产生往下沉的趋势。或者是遇到了上下两层不同性质的土，由于下面一层土较软，而使顶管机往下偏，c.泥水压力控制不好。

防治措施：首先仔细阅读土质资料，如果在粉细砂土层中顶进偏低，可调低进泥的泥浆浓度，减小顶进速度。如果是遇到两层软硬程度不一样的土时，应注意让顶管机的头部略微往上翘一些，同时把前三至四节管与顶管机后壳体联成一体。

6结语

本文以马来西亚凯德隆火电项目大直径顶管施工过程中的实践经验为基础，分析了浅覆土厚度条件下管道受力情况，并根据受力分析的结果研究出切实可行的抗浮措施，为大直径顶管施工作业提供了可借鉴的经验。

参考文献

[1]戴志勇.复杂地质条件下大管径长距离顶管难点与对策[J]中华建设2011（06）

[2]李熙,邓迎芳.复杂地质条件下大管径顶管出洞施工技术[J]中国高新技术企业2008（12）