中国水利水电第四工程局有限公司第二分局机电工程管理中心 河北涿州 072750
摘要：顶管是一种敷设地下管线的非开挖施工技术，它无需大面积的地面开挖且可穿越公路、桥梁、铁路、地面构筑物等多种障碍，现已被大量运用在给排水、石油、天然气等各种市政管线工程之中，取得了良好的应用效果。泥水平衡顶管施工技术运用在沿海淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土的软土地区中较多，但在土质较密实、土体强度较高且含有直径较大姜结石的砂性土层中运用较少，也缺少类似工程经验。
关键词：泥水平衡顶管；粉砂层；刀盘开口率；姜结石；改进措施；
随着施工技术和施工机械的研发，顶管施工技术现已被广泛应用。顶管施工技术由于不需要开挖面层，能穿越地面建筑物和地下管线及道路、河道等，节省大量投资和时间，对城区的交通、噪音、粉尘的危害和影响大大降低。
一、顶管顶力理论计算
顶管理论总顶力由管道与土层的摩阻力和顶管机的迎面阻力构成，具体可采用公式（1）进行计算：
F=F1＋F2（1）
F——总顶力，kN；
F1——管道与土层的摩阻力，kN；
F2——顶管机的迎面阻力，kN。
1.顶管机摩阻力计算。管道与周围土体的摩阻力可采用公式（2）进行计算：F1=πDLfk（2）
式中：D——管道外径，为2.665 m；
L——管道顶进长度，为43.2 m，考虑机头长度；
Fk——管道外壁与土的平均摩阻力，为4 kPa。经计算，F1=1 446 kN。
2.顶管机的迎面阻力计算。根据某市顶管施工规程，以顶管机刀盘下部1/3处的被动土压力为依据计算迎面阻力，具体采用公式（3）进行计算：
F2=0.25πD2Ep（3）
式中：Ep——顶管机下部1/3处的被动土压力，kPa。
Ep可采用水土分算或水土合算计算模式进行。因顶管穿越土层的黏聚力较小，故计算中忽略其影响。水土分算时，按公式（4）进行计算：
Ep=kpγh＋γwh（4）
水土合算时，按公式（5）进行计算：
Ep=kpγh（5）
式（4）、（5）中：
γ——粉砂夹粉土的重度，为18.5 kN/m3；
γ'——粉砂夹粉土的有效重度，为8.5 kN/m3；
γw——水的重度，为10 kN/m3；
h——顶管机下部1/3处的埋深，取11 m；
kp——被动土压力系数，计算取为2.74。
经计算，水土分算时，F2=2 040 kN；水土合算时，F2=3 111 kN。采用水土合算计算的顶管机迎面阻力比水土分算计算的顶管机迎面阻力大1 071 kN。因顶管上覆土层以粉砂夹粉土为主，故Ep宜采用水土分算，即迎面阻力F2为2 040 kN比较合理。综上，理论总顶力F=F1＋F2=2 040＋1 446=3 486 kN。在迎面阻力的理论计算中采用被动土压力强度，但一般情况下迎面阻力常控制在主动土压力与被动土压力之间，而远达不到被动土压力强度。理论顶力较实际顶力要偏大，现最大顶力为5 880 kN，远大于计算理论顶力3 486 kN，顶力极不正常。
二、原因分析
开仓后确认为粉砂夹粉土将刀盘进土口、刀盘刀头之间的间隙全部堵塞，结合排泥管所排泥水颜色较为清淡、含泥量较少、顶力较大、无法顶进等情况，初步判断为刀盘不进土，造成闷顶现象。堵塞刀盘进土口及刀盘刀头之间间隙，降低刀盘的切土效率是导致进土不畅、掘进困难的主要原因。顶管施工时，因土层强度较高、砂性土层的致密性、刀盘开口率较小、施工参数控制不合理等各方面原因导致土体逐渐堵塞刀盘进土口。土体堵塞刀盘进土口后，首先增大刀盘扭矩，降低切土效率，进而增大顶力；而顶力增大反作用于粉砂夹粉土层上，将其压密，强度提高，进一步造成切土困难，降低切土效率，最终造成掘进困难，具体可从以下几个方面分别进行分析。
1.扭矩。顶进过程中，刀盘扭矩首先变大，具体表现为驱动电机电流的迅速增大，随后顶力增大造成掘进困难，因此应从扭矩的变化进行分析。泥水平衡顶管刀盘的总扭矩T可用公式（6）计算：
T=T1＋T2（6）
式中：T——刀盘总扭矩；
T1——刀盘的切土阻力扭矩；
T2——土的摩擦阻力扭矩。
刀盘在切削土体过程中产生的阻力扭矩T 1可由公式（7）求出：
扭矩T随着刀盘开口率的增大而减小；土层的强度越高，刀盘切割土体时所需要克服的阻力力矩也越大。
2.土层原因。本段顶管主要穿越土层为⑤1粉砂夹粉土层，中密状态，饱和，夹粉土，顶部以粉土为主夹粉砂，局部混少量姜结石，局部夹薄层粉质黏土，属中压缩性土，黏粒含量6.7%。该层土的固结快剪试验按峰值强度确定的黏聚力c值为13.2 kPa，内摩擦角φ值为27.7°，地基承载力fak为200 kPa，表明该土层具有黏性，强度亦较高，故刀盘切削土体所克服的阻力力矩也较大。
3.顶管机原因。顶管机掘进能力和土层物理性质不相匹配，本段顶管采用开口率为5%的面板式泥水平衡顶管机，适合在软土地区顶进，不太适合在较硬土层中顶进。顶管机的选型误差对进土不畅的影响主要有：刀盘开口率小，切削下来的土体不能及时进入泥水仓被排走；刀头之间径向间距小，面板式顶管机刀盘刀头间不存在明显高差，不利于切削土体，切土效率低。刀盘开口率过小是造成面板式泥水平衡顶管机进土不畅的主要原因。据以往施工经验，面板式泥水平衡顶管机于密实砂性土中掘进时宜选择较大开口率，常约为20%，但此顶管机的开口率仅为5%。刀盘开口率是指刀盘面板有效面积与顶管开挖面积的比值，刀盘开口面积越大，其给开挖面地层提供的支撑越小，刀盘对进入泥水仓碴土的阻力就越小，由于与地层摩擦阻力减小，故转动刀盘所需的扭矩也就会随之减小。相反，刀盘开口率越小，则它给地层提供的支撑越大，刀盘对进泥水仓碴土的阻力越大，转动刀盘所需扭矩也就越大。顶管机在掘进过程中，刀盘切削下来的土体因刀盘开口率太小不能及时进入泥水仓，且粉砂夹粉土层较为密实，刀盘刀头相互间径向距离、高差小，极易造成土体堵塞在刀盘刀头之间，降低刀盘的切削效率。此时若继续顶进，则更易将刀盘切削下来的粉砂夹粉土层予以压实并堵塞在进土口，最终导致刀盘切削困难。
4.施工因素。一方面，进水管输入到机头前部的泥水压力较小，而粉砂夹粉土层呈中密～密实状态，强度较高，土质较硬，稳定性较好。另一方面，顶管顶进时，顶管机刀盘挤压土体，土体密实度增加，刀盘开口率小，打入泥水仓的泥水很快被抽出来，这一泥水循环对砂土不能形成足够的动水力，不能有效地将粉砂土切割挤入泥水仓内，反而在顶力下不断挤压砂土颗粒，导致粉砂土更加紧密，形成致密状态，使扭矩和顶力过大。
三、处理措施
由于造成刀盘进土口被堵塞、掘进困难的主要原因为面板式泥水平衡顶管机刀盘的开口率太小，故在选择措施时应首先考虑增大刀盘的开口率。一方面，打开顶管机人孔盖对刀盘进行切割以增大刀盘开口率，开口率由5%扩大至约23%，且将堵塞在刀盘进土口的土体清除；另一方面，将切割位置确定在刀盘进土口处，切割后的进土口呈扇形对称分布，相互之间间隔120°。
四、处理效果
刀盘切割后，重启系统掘进。初始，刀盘空转一段时间试运行，使排泥系统恢复正常。因存在停滞效应，故初始顶力大，掘进缓慢，但刀盘开口率已增大，刀盘扭矩会变小，随着刀盘切削土体、进泥、排泥逐步趋于正常，减阻泥浆的压入，掘进过程也逐渐恢复正常。
结合实际顶管工程，针对开口率较小的面板式泥水平衡顶管机在遭遇致密高强度粉砂夹粉土中顶进时，遇堵塞刀盘进土口以致进土不畅的难题，提出了切割刀盘以增大开口率的针对性方法；技术措施取得了良好的顶进效果，保证了工程的顺利进行。
参考文献
[1]张德岳.泥水平衡顶管施工及参数研究.2017.
[2]许立生.浅谈泥水平衡顶管在复杂地层下的适应性改进技术.2017.
论文作者:许正炳
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第29期
论文发表时间:2018/12/29
标签：泥水论文; 顶管论文; 土层论文; 阻力论文; 扭矩论文; 水土论文; 刀头论文; 《建筑学研究前沿》2018年第29期论文;