泥水平衡顶管施工的方法

解相国

摘要：在大型管道施工过程中，本文作者根据应用泥水平衡顶管技术，并结合自己对泥水平衡顶管施工技术的设计理论的研究，详细介绍了泥水平衡顶管技术在非开挖施工过程中的施工组织与应用。

关键词：泥水平衡 顶管 施工 纠偏

1 泥水平衡施工工法简介

在机械化顶管施工过程中，泥水平衡顶管施工工法作为主要的施工方式，通常情况下属于机械化、长距离顶进施工技术。该施工技术在施工技术管理方面要求比较高，主要表现为：严格操作顶管设备，科学合理地选择和计算施工工艺参数等。在长距离、地质条件复杂的环境中，泥水平衡顶管施工方法是最为优越的施工方式之一。

1.1 泥水平衡施工工法特点

通常情况下，泥水平衡顶管施工工法主要采用机械掘进技术，其特征主要表现为：被切削的土壤被刀盘送入到泥水仓，具有一定浓度的泥水，在送水泵的作用下，被输送到挖掘面，经过刀盘的充分搅拌后，泥水通过排泥管道被排泥泵送到地面的泥浆池，泥水经过一系列的沉淀或分离，进而在一定程度上可以重复使用，剩余的残渣被运走：在掘进过程中，通过刀盘以及顶速平衡正面土压力，进而对循环水的压力进行调节，在一定程度上对地下水压力进行平衡；切削入泥仓的土体通过采用流体进行输送，不能中断顶进过程，施工速度一定要快；不需要对土质进行改良或者是进行降水处理，施工后地表出现较小的沉降。通常泥水平衡顶管的主要设备有：挖掘机、主顶设备、测量设备、井内旁通、控制系统等；辅助设备包括：泥水处理设备、注浆设备、中继间等。

1.2 泥水平衡施工工法工艺原理

作为一种顶管施工工法，泥水平衡顶管施工技术通常情况下是充分利用泥水压力，进而在一定程度上对土压力和地下水压力进行平衡处理。其基本原理是：具有一定浓度的泥水经送水泵到达挖掘面，然后通过井内旁通压力调整阀，或者是通过调整排泥泵转速的方式，进一步对水压力的大小进行调整，进而在一定程度上对地下水压和挖掘面土压力进行平衡，确保掘进机刀盘工作在平衡压力下，在一定程度上避免挖掘面失稳，进而导致地面出现沉降和隆起。

2 施工组织及任务划分

2.1 施工组织原则

在劳动组织方面，结合顶管穿越施工的实际情况，同时结合本标段的实际工程量和工期，进而对各项资源进行合理配置，进一步成立相应的施工作业机组。通过动态的方式对施工作业机组的人员、机具配置等进行管理，一方面确保任务按期完成，另一方面确保施工的连续性。进而在一定程度上减少现场高峰的人数，避免出现窝工现象。同时对其它队种进行合理的配置，在一定程度上确保工程施工全面、有序地进行，满足施工要求。

2.2 施工阶段划分

穿越工程施工分为三个阶段：前期准备阶段、施工阶段、验交阶段。

①前期准备阶段：各项工作按照“施工准备工作计划”来进行，进一步为施工创造条件。②施工阶段：总体分为二个阶段进行控制。第一阶段组织管道焊接、工作井制作。第二阶段顶混凝土套管、工作管试压、穿越工作管。③验交阶段：地貌恢复、水工保护，达到中间验收条件。

3 工程施工方案

3.1 施工准备

①穿越施工前施工单位协助业主办理穿越施工土地手续。②筹备穿越前的材料、设备、人员的筹备和到场计划。③做好施工图纸会审、技术交底工作，同时完成穿越施工方案等文件的编制和审批工作。④修筑临时施工便道。

3.2 测量放线

①借助仪器开展测量放线工作，在使用仪器前，需要经过法定检验部门的检定，经过检定合格，同时在有效期内才能进行使用。②对于设计图纸，需要经过放线，同时作出明显的标记。并且，应根据施工方案确定的工作井及组焊场地的位置、几何尺寸和施工场地平面布置，一并放线标记。③测量控制桩，经过放线验收合格后，对测量控制桩通过采取必要措施进行相应的保护。④与沿线地方部门进行协调和变更：在放线过程中，需要与有关部门加强联系，进而在一定程度上取得管线穿越地下障碍物、经济作物区等的通过权。⑤移桩：完成划线后，对施工作业带进行清扫，同时将控制桩保留在原位，如果难以保留桩位，需要平行移动管线桩。

3.3 作业带清理、施工便道修筑

穿越段作业带清理时，利用挖掘机、推土机和人工配合完成。作业带宽度根据穿越段管沟开挖深度及施工放坡确定。北侧顶管作业带宽度按40m考虑，另外设置一个40m×40m的混凝土管堆放场地和一个20m×30m的泥浆坑。

3.4 工作井修筑

①工作井位置的选择应根据管道设计，地形、地层结构、施工环境条件等因素选定，本次顶管选择在北侧作业带内制作工作井。②工作井的开挖深度应顶进设备轨道高程及基础厚度的要求，本次顶管混凝土套管管底设计埋深4米，加上导轨及工作井基础，工作井深度为4.8m。③工作井边缘20m范围内围挡，工作井直径7.5m。④根据设计单位提供的地质报告及定力计算决定采用钢筋混凝土工作井，并在工作井内设集水坑，方便排水。⑤在工作井的前壁上，需要预留相应的顶管入土洞口，并且洞口中心与管道中心保持重合，与顶管机刀盘直径相比，洞口直径要超过其2-5cm。⑥根据施工设计用于吊运和防护的工作平台，工作井上的平台孔口的尺寸满足管子及弃土吊运空间所需。⑦工作井应设防雨棚，有良好的施工照明条件。

3.5 设备安装

①主顶设备底盘的安装应支撑牢固，防止产生受力变形或位移。底盘的调整的定位宜在将顶管机吊运至底盘导轨上后进行。②为了便于操作，需要在主顶设备附近设置主顶设备液压系统，同时需要保持液压软管接头连接的整洁性。③完成吊运后，需要对底盘、顶管机机头的位置、高程、中线、仰俯角、旋转角等进行相应的调整。④长距离顶管时须考虑电缆的电压降，顶管机头内应设有应急照明电源，顶管机机头、工作井及地面设备之间应设置通讯联络设备。⑤工作井内测量仪器的基座不能固定在主顶装置底盘、工作井后背墙或其他在顶进受力时产生变形或位移的基础上，应该安装在独立的基础上，以减少重复移动和调试次数。⑥泥水分离系统及注浆系统应安装在地面上适当的位置，符合方便投料和排放所需落差的工艺要求。⑦顶进时应根据所顶管道的管径确定安装通风设备的位置的长度，通风设备结合管内的工作环境条件选定，保证管内有足够的氧气。endprint

3.6 机头孔制作

在破孔之前，采取措施对洞口进行处理，进而在一定程度上防止土体或沙层塌方。如果顶进发生在土质均匀的粘土上，通常情况下，对洞孔采用砖砌封门；但是依据本工程的地质条件来看，封口选用高压旋喷的方法施工，高压旋喷桩机体积小，加固土体效果理想，加固口洞外土体采用纯水泥浆，正常气温养护周期7-10天，此做法固砂防渗的效果都非常好。

3.7 初始顶进

①破洞，调整好顶管机机头的位置、高程、中线、仰俯角、旋转角等参数后就可以进行破洞。②顶管机入土，在洞后，启动顶管机刀盘，将顶管机通过主顶油缸缓缓推入土中。③连接机头后方的两根砼管和机头管，进而在一定程度上构成一个整体，进一步对顶进段的高程和中线进行控制。④至此，完成初始顶进工作，这是需要进行全面的测量，同时将测量数据绘成曲线，进而为分析提供方便。

3.8 泥水控制

①流速与流量。对于泥沙来说，如果流速太小，那么在管内就会造成沉积，进而在一定程度上造成管道堵塞，如果有较大的颗粒出现在排水泥沙中，当粒径超过排泥管内径的1/3时，就会增加排除的难度，为了确保管道的通畅性，需要将流速大于某一定值，该值为流速的临界值，当排泥管公称直径为100MM时，其临界流速为2.2-2.4M/S，而流量Q为：

Q=V*S

=（105.3/2*10-2）2*π*（2.2～2.4）

≈0.019～0.021m3/S

=1.15～1.25m3/min

（105.3为公称直径100mm管的实际内径）

为了保险，而实际流速大于临界流速，取Q≥1.4m3/min

②泥水压计算。泥水压由排泥管总长度和挖掘面地下水压力决定

L=L1+L2+△L+H1+H2

L：排泥管最大长度

L1：推进最大距离

L2：工作井到沉淀池距离

L：由阀，弯头引起损失折算成的长度，一般取10～

20m。

H1：工作井深度

H2：沉淀池排泥口到地面高度

扬程损失HF2=L*△HF2

HF2：每米扬程损失，取0.075～0.106

损失压力：△P=ρg HF2

其中ρ：泥水密度 g：重力加速度

泥水压力：P=PW+△P+（0.1～0.2）

PW：地下水压力

覆土浅取0.1，在覆土深，地下水位高时取0.2。

③泥水浓度。根据地质情况，如果土层的渗透系数比较小，泥水比重控制在1.05；反之，无法建立泥水压力，进而难以实现排泥，为了防止压力水渗入透土层中，需要适当增加泥水的浓度，通常情况下，将泥水比重控制在1.10 ～1.20，在挖掘面上快速形成泥模，进而在一定程度上使泥水压力有效控制挖掘面，随着泥水的循环利用，在循环过程中，粘土会出现损失，这时需要向循环水中添加粘土或膨润土。

3.9 测量与监控

3.9.1 监视高程及中线误差

①通常情况下，通过建立地面及地下测量控制系统对泥水平衡顶管施工进行测量，同时在不易扰动、视线清楚、方便校核、易于保护处设置控制点。②为了动态监测前端顶管机偏离轴线，进一步提高施工测量的效率，进而在一定程度上适应机械化顶管技术，所以采用激光导向对泥水平衡顶管进行监控。③在顶进过程中，将激光测量数据作为判断前端顶管机高程及中线误差的参考依据。在缺乏施工经验的情况下，高程和中线误差的校验测量通过使用水准仪和经纬仪来实现。④在工作间隙，使用水准仪和经纬仪对顶管机进行测量，在纠偏过程中通常情况下需要增加测量的次数。⑤一节管子顶进完成后，对管中心线盒的高程进行一次测量。

3.9.2 监控地面降沉情况

①对顶管施工过程中，监控地面隆起情况，监控应符合下列要求。②在施工影响区域外设置监控基准点，同时具有良好通视与防干扰条件。③沿顶管机前进轴线方向对称安排布置隆沉观测点，结合初始顶进试验确定具体布设尺寸。④对需要保护的建筑物、构筑物等应设监控点。⑤对已完成的管段应继续进行隆沉观测，观测间隔时间按控制测量方案确定。

3.9.3 数据记录与反馈

准确填写顶管施工过程中每次及最终测量数据，形成完整的测量记录。每次测量、监控的轴线误差与地面隆沉数据，并及时进行纠偏。

3.10 纠偏

①在顶进过程中，顶管作业质量受到纠偏的影响和制约，如果操作不当，在一定程度上可能导致顶力骤升、破坏管接口，甚至导致管道无法顶进，进而在一定程度上引发严重的安全、质量事故和经济损失，在砂层中顶进尤为突出，在泥水过度冲刷的影响下，管道极易导致顶管机机头下沉，因此，纠偏对于顶进来说显得尤为重要。②在机头和机头连接工具管出洞前，即使发生中线和高层偏差，也尽可能不要纠偏，因此此时纠偏，机头连接管尚位于导轨上，起不到纠偏效果。③在监视器中，当光点发生的变化非常显著时，必须中断顶进，这时测量人员需要下坑重新校正复核经纬仪，查找是否属仪器被触碰或震动所致；如果不是，需要对原因进行认真分析，并且组织人员开会，进行协商。④在顶进工程中，作为操作人员需要对监视器各项数据的变化进行随时的监测，并且进行及时的记录，进而在对记录数据进行分析的基础上进行相应的纠偏处理。⑤顶管过程中，顶管各项数据值需要由操作人员进行记录，应该准确、清楚、完整、及时地记录顶进数据，顶进记录每顶进一根管子记录数据不得少于一次，每班次不少于6次。

3.11 触变泥浆与填充注浆

3.11.1 加注触变泥浆

①与顶进管子外径相比，通常情况下顶管机外径要大2～6cm，注浆后，使土体与管子间在一定程度上形成10～30mm的泥浆环。②每个注浆面上注浆孔的数量通常情况下需要根据管道的直径、土质条件、计算注浆量等进行相应的确定。③从顶管机后的第1、2节管开始进行注浆，并且在一定程度上通过控制注浆分闸门，在顶进过程中使管道的前端始终得到注浆的补充。④通过后续管子在顶进过程中对补浆孔进行补浆，土质、顶速等在一定程度上影响和制约补浆孔的间距和数量，通常情况下相隔2～5节管子布置补浆孔。⑤受管道上方土体的塌落程度、土体的渗透系数以及注浆管路沿程压力损失等因素的影响和制约，在一定程度上使得注浆压力存在差异。⑥以平稳的工作压力连续注入浆液。⑦防止浆液窜入管道内。⑧在管道上方覆土的承压能力控制注浆压力的上限。endprint

3.11.2 填充注浆

顶管终止顶进后，应向管外壁与土层间形成的空隙，或减阻触变泥浆层进行填充、置换，保障被穿越的地面构筑物安全。注浆应符合下列要求：

①应由管内均匀分布的注浆孔向外侧空隙压注浆液；注浆应与地面监控相配合，应采用多点注浆将管道与土层的间隙充分填满，注浆量宜按计算空隙体积的150%控制。②注浆压力应根据管顶覆盖土层的厚度计算或试验确定，宜为0.1～0.3MPa，砂卵石层宜控制在0.1～0.2MPa。③注浆结束后，应在规定时间内将注浆孔封闭。

3.12 中继间顶进

使用中继间接力顶进是长距离顶管的重要技术措施，随着顶进距离的增加，管壁与土体的摩阻力随之加大，虽然利用触变泥浆可以减阻，但其作用毕竟有限。长距离顶管应设置中继间，采用中继间接力顶进技术，可提高一次顶进的距离，并减少工作井，降低施工成本。

①中继间应符合下列要求：a具有足够刚度、卸装方便，在使用中具有良好的连接性和密封性；b中继间的设计最大顶力不宜超过管子承压面抗压能力的70%。②中继间应在主顶设备顶力达到中继间设计顶力的3/4前使用。③中继间的液压设备与工作井顶进设备宜集中控制。顶进时，距离顶管机最近的中继间先顶，其他的中继间保持不动，在所有中继间依次完成顶伸后，工作井内主顶千斤完成最后的顶进作业。

3.13 顶管机接收

①接收井一般设在管线的检查井位置。接收井的开挖、支撑方式与工作井类似。在有地下水段应进行降水处理。②接收井的尺寸应满足顶管机与首节管子脱离后进行设备检查、维护及吊运所需空间要求。③接收井应预留顶管机出洞口，洞口直径大于顶管机直径10～20cm。④顶管机临近接收坑井壁1～2m时，应调整、控制顶管机顶进速度，加密对顶管机轴线的测控。

3.14 工作管穿越

①顶管施工完成后，将预制完成、试压合格、防腐合格的管段安装绝缘支架，并将管口用6mm厚钢板焊接密封。②工作井破碎：为了防止工作井整体破坏导致周围土壤坍塌，回淤套管，所以采用局部破井的方法。用无齿锯将靠背墙与井壁割开，再用油锤把井壁与靠背墙捣碎，使用气焊将混凝土内钢筋切割掉，然后用挖掘机将废料取出。在工作井破碎过程中，需使用两台挖掘机配合油锤破碎作业。③引沟开挖：沿着管道中心线开挖穿管引沟，引沟长度120m，深度4m。通过现场踏勘情况、在作业带附近管沟开挖现场的实际情况以及起重设备的吊距，先降低地面标高1.5m，然后开挖引沟。④芯管预制11根，总长约132km，穿管设备采用4台70t吊管机、2台40t吊管机和2台240挖掘机。

3.15 地貌恢复

①对由于施工所造成的地形、地貌将有所改变的地段，首先进行拍摄、建档，作为以后恢复的依据。②在管沟开挖时将地表耕土与生土分开堆放。在管沟回填时，按照设计的要求，逐层、逐步进行回填。③沿线施工时破坏的挡水墙、田埂、排水沟、便道等地面设施回填后要按原貌恢复。④工作井及接收井恢复时要逐层回填，分层夯实，尽量加大土壤密实度。

参考文献：

[1]赖冠宙，房营光.顶管顶力的理论计算与分析[J].广东土木与建筑，2003（09）.

[2]刘敏林.长距离顶管施工技术的分析[J].广东水利水电，2004（S2）.

[3]GB50424-2007，油气输送管道穿越工程施工规范[S].

[4]GB50269—2006，长输管道施工与验收规范[S].endprint