输水管道穿越公路泥水平衡顶管施工方法

薛文海

（吕梁市柏叶口水库供水建设管理局）

柏叶口水库龙门供水工程输水管道，在国道G20青银高速公路K877+180处下穿通过，设计下穿采用零坡度顶管方式，下穿长度为72 m，管道与高速公路交角 88.552°。该段顶管的管顶高程752.720 m，地面高程754.980 m，而高速公路的路面高程758.035 m，管顶距地面垂直距离2.26 m，距高速公路路面垂直距离5.315 m。顶管工作井、接收井边缘距高速公路防护网8m，工作井的长宽深尺寸为11 m×4 m×3.8 m，接收井的长宽深尺寸为5 m×4 m×3.8 m。工程的顶进管采用DN1 000球墨铸铁管。穿越顶管处的地层岩性主要为Q4pal低液限黏土层，局部夹厚度3-5 m级配不良砂透镜体及低液限粉土，沿线地下水位深约4.0 m，土质类型为淤泥或淤泥质土。如果采用普通的顶管施工方法，只有采取降低水位后才能进行掏土与顶进作业，这样施工将会给高速公路的路面沉陷带来安全隐患。若采用泥水平衡法顶管与拉森钢板桩工作井配合施工，则可避免高速路面沉陷。根据地质实际以及对高速公路路面的影响程度，采用了泥水平衡法顶管施工。

1 顶管机选型

根据本工程的特点，决定采用全封闭泥水平衡大刀盘顶管机。该机采用了目前先进的泥水平衡原理，其端面的刀盘可自动平衡顶进正面土体的土压力，同时通过对泥水室进行泥水加压，又可平衡地下水压力。这种双重平衡功能的顶管掘进机，除了施工安全可靠外，还具有沉降控制精度高、顶进速度快、便于操作与维修、施工可靠性好等特点。这种顶管机装有主顶速度检测仪、倾斜仪等仪表，可对顶进速度、机头旋转、水平倾角等自动进行测量。施工采用的顶管机设备型号为NPD式Φ1 000，刀盘功率22kW，刀盘规格为周边齿轮面板式大刀盘；变速箱型号为行星CJ700-G；纠偏油缸顶力30 t，纠偏压力42 MPa，纠偏角度2.0°，纠偏油缸数量共4台；管道泵数量2台，单泵功率15kW；排泥管规格为4″。

2 施工前准备

2.1 地面基本准备

顶管施工前，按常规进行施工用电、用水、排水及照明等设备的安装，以满足顶管顶进施工的地面基础设施搭建完成。所需的施工材料、设备及机具必须备齐、备足；完成行车或吊机（管节吊运）安装、调试，并通过有关单位验证，以保持正常运营；管节、止水橡胶圈、衬垫板等备有足够的余量；完成整个泥水平衡系统的安装并单机调试。在井上、井下建立测量控制网，并经复核认可。

2.2 顶管现场布置

当顶管工作井制作完成后，要立即撤离有关材料和设备，以利于顶管采用吊机在工作井进行起重作业。工作井实行全封闭隔离，并配建必要的临时生产设施，以保持施工现场卫生、整洁和安全。井内钢扶梯和护栏，为保证施工中的安全，必须按有关安全标准制作。在施工围护范围内，设置仓库、配电间、操作间、料具间、油库、泥浆沉淀池及办公场所，并布置膨润土材料工棚和拌浆、储浆、注浆设备。

3 施工方法

3.1 工作井制作

采用拉森钢板桩制作工作井。钢板桩选用拉森Ⅲ型钢板桩，其宽度适中，抗弯性能好，依地质及作业条件选用钢板桩的长度为12 m。打桩设备采用钢板桩打拔桩机1台及25 t吊车1辆，振动锤为日本产NPK-HP-7SXB型，激振力200 kN。经计算，钢板桩工作井周长为30 m，共用钢板桩75片。制作工作井时：首先，进行平面位置放样准确定位，以保证钢板桩准确打入；然后，按照钢板桩打入施工流程将其打入，注意测量校正合拢口的位置，以确保钢板桩工作井的密封性；第三，在钢板桩内开挖深至1.5 m处暂停开挖，四周用I36工字钢支撑（拐角处用工字钢斜撑）并连接钢板桩，以确保稳定，直至挖到工作井设计底高程；第四，井底抛碎石20 cm，人工整平后采用C20混凝土封底浇筑，封底厚度为20 cm。

3.2 顶管工作井内布置

工作井内布置主要是止水、导轨、主顶油缸、油泵车、钢扶梯等。

顶管施工中，对洞口止水装置的密封性能要求较高，要严格按设计要求进行止水装置安装。

顶管导轨的定位准确与否，将直接关系到顶管的顶进轴线的准确性，其位置需按设计轴线进行准确放样，以避免顶管出洞出现“磕头”现象。本工程所用导轨，由型钢和钢板焊接而成，在安装时，要时刻检查两导轨是否顺直、平行、等高，其纵坡要与管道设计坡度一致，轴线位置允许偏差为3 mm，顶面高程允许偏差为0-3 mm，两轨内距允许偏差为±2 mm。安装后的导轨应牢固，严禁在使用中产生位移，要经常检查校核。

本工程主顶进系统共有2只200 t单冲程推力油缸，行程1 700 mm，总推力400 t。2只主顶油缸组装在油缸架内，安装时其中心位置必须准确，以使顶进受力点和后座受力均保持良好状态。安装后的油缸中心误差应小于10 mm。

主顶系统操作台设在地面控制室内，由计算机控制，并采用变频调速器实现流量的无级调速。主顶液压动力机组（即油泵），由2台大流量斜轴式轴向柱塞泵供油，使用大通径的电磁阀和系统管路，油缸可以单动，亦可联动。主顶系统油管布置要求顺直、转角少。

在顶管施工时，采用U型顶铁及环形顶铁。安装后的顶铁，轴线应与管道轴线平行、对称，顶铁与导轨之间的接触面不得有泥土、油污。顶铁宜采用铸钢整体浇铸或采用型钢焊接成型，顶进时，工作人员应随时观察顶铁有无异常迹象。

3.3 垂直和水平运输布置

垂直运输采用25 t汽车吊运，管内运输采用水平运输，由于本工程采用泥水平衡顶管方法，100 A排泥管可代替人工管内的土方运输。

3.4 顶管机吊装就位与调试验收

在顶管机吊入井后，为保证顶管出洞段的轴线控制，需对顶管机进行精确定位。在顶管机定位后，要进行反复调试，确保运转正常，施工顶进顺利。

3.5 顶管动力及顶力

顶管配套动力：刀盘电机22 kW/h，纠偏油泵电机1.5 kW/h，机头液压动力站电机15 kW/h，注浆泵电机3 kW/h，排泥泵22 kW/h，进水泵15 kW/h，合计93.5 kW/h。经计算，总推力需135.14 t，主顶油缸选用2台200 t（2 000 kN）级油缸完全满足要求。

3.6 顶管顶进纠偏措施与质量要求

在顶进过程中，机头会发生偏转，主要是由于土层硬软不均匀所致。需采取的措施：一是利用主顶油缸进行纠偏；二是利用机头刀盘的旋转方向进行纠偏；三是在顶管机外壁上焊上纠偏定位板。

在顶管施工质量上，要求管道最大偏角≤0.5°，管线轴线偏差不得大于±100 mm，相邻管节错口≤15 mm，无碎裂，橡胶止水圈不脱出。为保证施工质量主要抓了三个方面：一是设置监测点全程跟踪监测；二是注意顶管掘进机的操作控制；三是连续顶进，不得中断。顶管施工完成后，及时进行澎润土泥浆置换工作，使管道周围土体的强度尽量恢复到顶进前的状态。

3.7 顶进施工安全注意事项

主要为四个方面：一是顶铁外崩。在高压顶进时，若发现压力表指针突然上升，极有可能出现崩铁，应立即停止顶进，退回千斤顶，检查原因，针对不同情况采取措施后再继续顶进；二是管壁破裂。顶进管时，管口一定要加上整体边圈或弧形顶铁，使受力分布均匀，以减少应力集中，避免管壁破裂；三是后背破坏。顶进中发现管节不前进，而后背压缩或纵向顶向上隆起或向下啃垫木，均是后背破坏的征兆，应立即停止顶进，回油松顶检查原因；四是设置消防。施工现场始终以电作为动力，要加强电源管理，以防发生火灾。