顶管施工工艺在污水工程施工中的应用

周永祥

近几年来，南海区大沥镇的道路改扩建工程发展迅猛，道路面积大大增加，但是，据调查大沥镇从 2003 年以来由于煤气、供电、通讯、电话等事业的快速发展，掘路面路面积也在增加，具体数据见下表 1：

由此看来，城市建设不断发展 ，采用非开挖铺设管道技术就显得越来越重要了。过去，顶管施工作为一种特殊的施工手段，常用于穿越铁路、公路、河流等工程中，不到迫不得已不轻易采用。现在，把顶管施工工艺应用在城市的铺设管线工程中，由于不需开挖地面，交通不断行，对周围环境影响能减至最小。随着市场建设规模、建筑密度不断加大，在繁华大都市的市政建设项目中，顶管技术以其独有的优势，已被更为广泛的应用。

一、泥水平衡式頂管在河西大道污水工程的应用

1.1工程概况

河西大道污水工程是为了解决河西社区一带污水收集而修建的污水管网工程。设计管径 Ф= 1200mm，坡度为2 ‰，埋深7 m，长度为162 m。施工场地在人口密集区，道路狭窄，路两侧是建筑楼群，地上地下障碍多，由于施工管道距楼房太近，要求采用顶管施工。现场状况：顶管管线处在路宽7m的地下，工作坑为双向顶坑，向南顶进长度66 m，向北顶进长度96 m，分别到两个接收坑，北向顶管管线偏东折角4°，路面下埋有煤气管、自来水管、电力缆和12孔电信设施，其中在施工管线东侧有一埋深0.7m 、直径 Ф= 500 mm 的煤气中压管线，平行于施工管线，与施工管线相邻距离仅 1 m，给打桩、做坑和顶进等工作均带来较大的不便，工作坑西侧紧挨10 kV高压输电线，做坑位置没有余量。

1.2工艺选择

该工程管线覆土深，地下水活动量大，若采用人工掘进式顶管，首先要降低地下水。由于强制降水会导致地基的沉降，造成建筑物的破坏，引发一系列问题，故此不宜采用人工掘进式顶管施工。平衡式顶管可以解决这一难题。

泥水平衡理论是一种顶管施工理论，即把含有一定量粘土且具有一定相对密度的泥浆水充满掘进机的泥水舱，并对它施加一定的压力，以平衡地下水压力和土压力。按照该理论，泥浆水在挖掘面上能形成泥膜，以防止地下水的渗透，然后再施加一定的压力就可平衡地下水压力，同时，也可以平衡土压力。

泥水平衡式顶管机具有以泥水平衡地下水，以机械方式平衡土压力的双重平衡功能。工作时刀盘全断面切削泥土，并随土压力的大小前后伸缩来平衡掘进面的压力，若刀盘前压力小于土层主动土压力时地面塌陷；若刀盘前压力大于土层被动土压力时地面隆起。刀盘上有切土口，大小有开关控制，刀盘加压装置使机头掘进与推进同步，以保持刀盘顶力与前方土压力的平衡。设备无论在顶进或停止时，切土口都可以关闭，即使遇到流沙情况，也能有效地防止挖掘面塌方。经过方案比较，决定采用泥水平衡式方案施工。

二、 施工中出现的问题及解决办法

2.1解决工作坑后背承载力的不均及不足

工作坑后背是由40#钢桩，桩长为10m经密排打桩固结在土壤中。顶管需要后背能承受顶管设计最大反推力，且后背受力均匀不变形。双向顶进的工作坑内，后背宽度为3 .7m，中间预留龙门口（槽钢桩）。龙门口东侧Ф500mm的煤气管周围既不能打钢桩，也无法进行水泥搅拌桩整体帷幕。这种情况影响后背1/4 的坑宽位置，造成后背受力不均，坑内煤气管下由于没有防水帷幕桩阻挡，地下水和泥沙一刻不停从空隙流出，水土流失桩又少，这种后背是一边硬，一边软，软侧的后背达不到需要的承载力。如何解决？ 经反复研究采取以下措施：

1、主顶后背选用结构件的复合后背板，规格为长3.5 m，宽1.6m，厚0.3 m ，使其整体受力。

2、对坑后部土体进行软基处理，方法是用编织袋灌土掺水泥粉充填间隙和进行码垛土体整固。

3、在坑后背软土一侧，在打入的一根40 #钢桩上加焊工字钢短节数段，以扩大受力面积。

4、将整体后背板安放到位后，在后背板与钢桩之间浇注C20的砼，灌满空间，使后背板与钢桩成为一体。

5、借助侧面桩力，用8根直径Ф28的螺纹钢筋均布1.6 m高的后背板上与基坑东侧桩的底部焊成斜拉式，增加后背板东侧拉力。经理论计算可知，增后背力1000 kN左右。由于实施上述措施，使得顶进工作进展顺利。施工证明，这种措施是有效的，增加了“软侧”后背的强度，在顶进中达到顶力最大值5400 kN时，后背板的东端整体仅位移了2cm，达到了预期的目标。

2.2土质对施工的影响

泥水平衡式机械顶管顶进速度较快。施工中，用4台行程110cm、推力2250 kN千斤顶做主顶，机头的掘进速度控制在8cm/min，在距地面较深的土层中顶进，用管道排泥，长度为3m砼管顶入土中约为1.5 h。沉淀池内循环水靠给水泵经管道送到掘进机头，水在管道中循环经基坑旁通再由排泥泵将泥浆送至泥浆池中，给水排泥管的管径为DN100 mm，长度3 m，用快速接头连接，省时省力连续出土。北向由于顶距较长，且管道坡度大，地质情况也有较大的差异，有时土极硬，在顶进30m和70m地带时，掘进机刀盘转矩都出现急剧增大（已超过45 kN/ m2，有刀盘转距表显示），机仓操作采用减小刀盘的切土口的措施（切土口仅10mm）后没有明显的改善，机头频繁地发出报警信号，为保证施工的安全，地面采取调整变量油泵出油量降低主顶千斤顶速等措施做辅助性控制，使掘进速度控制在每分钟仅为1.8cm。另外排泥管路中压力变化也发生了差异，正常情况进水压力应大于排泥压力，可事实正好相反，经分析，造成这种掘进困难的原因是机头已进入高压缩粉砂土中，泥沙密度大、板结性强、硬度高，刀盘切土口稍大，驱动刀盘的电机就超过额定流 ，刀盘转矩超载。

采取的措施：1）控制刀盘转矩在35 kN/m2以内，用调节主千斤顶顶速维持顶进；2）发挥系统优势不断使用基坑旁通系统反复循环，将送水压力输送到排泥压力中，原给水管改排泥管要反复冲洗，间隔操作上述措施，实施一段时间，终于使管路压力达到正常值。

三、结语

长期以来，顶管施工如何控制地基下沉是一个具有普遍性又难以解决的问题，尤其是因降水引发的一系列问题，严重影响工程进度和质量。泥水平衡式顶管不降地下水施工，能降低施工成本，不影响交通和市容，地面不沉降，施工速度快，使现代化都市的环境更和谐。

参考文献

[1] 南野辉久.推进的设计与施工[M].日本森北出版社，1981.

[2] 余彬泉，陈传灿.顶管施工技术[M].北京：人民交通出版社，1998.

[3] 朱忠隆，张庆贺.质构法施工对地层扰动的试验研究[J].岩土力学，2000.