顶管施工技术在穿河地涵工程中的应用

刘春艳，郭 涛

（太原市水利勘测设计院，山西 太原 030002）

1 工程概况

灌河地涵工程位于江苏省连云港境内，为送水河道穿灌河建筑物。地涵设计流量50 m3/s，4孔，总长约550 m，地涵主涵管采用4根内径3.5 m的钢筋混凝土预制顶管，单根顶管顶进长度453 m，顶管中心距为9 m（净间距4.8 m），管中心高程-15.55 m。顶管施工的工作井和接收井均为钢筋混凝土沉井。工程实施难点和风险在于：顶进断面大，顶进距离较长，且4根顶管并排布置，对于顶管动力配备、顶进过程的减阻要求高；顶管从工作井始发，最终顶进接受井，顶进轴线上下左右不能有较大偏移；顶管地质条件复杂，地下水压力高，土中含有30%~40%的砂礓，且有较大体积的砂礓盘，合理选择顶进工具管是工程施工的重点。

2 顶管方案确定

从工程工期、质量、安全、经济方面综合考虑，投入两套NPD-3500型具有破碎功能的泥水平衡顶管掘进机。1号，3号顶管前后错开50 m距离交替顶进，结束后转至2号，4号顶管顶进。顶管顶进长度较大，为减少顶进阻力，提高顶进质量，减少地表变形，采用中继间接力顶进。根据顶力计算并结合类似工程经验，单根顶管内布置2道中继间，在距工具管30 m处布置第一道，第二道与第一道间隔150 m布置，中继环采用特殊管的结构形式。施工过程中，借助膨润土减阻泥浆，减小推进阻力。

3 顶管施工

3.1 现场布置

工具管安装采用150 t履带吊吊装，工作井旁边布置1台50 t的行车，行车轨道延升至沉井中隔墙上，负责顶管上下以及顶铁吊运和井内、地面的吊装工作。现场布置工具间、修理间、试验室及制浆房等。顶进油泵、顶进控制室布置在沉井内。顶管出泥排至工作井附近的泥浆池内。

3.2 施工测量

按已知坐标点连接进洞和出洞口两点坐标及高程，以坐标值的计算建立相应坐标系；按独立坐标系建立施工顶进轴线的观测台，放样后靠观测台（后台），将其精确移至顶管轴线上，施工过程中定期复测后台平面和高程位置；在后台架设J2型经伟仪一台，后视出洞口红三角（即顶进轴线）测顶管机的前标及后标的水平角和竖直角测一全测回，采用fx4500p计算编排程序计算顶管的头（切口）尾平面和高程偏差离值，顶管机内设坡度板和光靶。顶进过程中，每顶进一节管节对顶进轴线测量一次，以保证测量精度。顶进过程会引起顶管后靠发生变化，应始终保持后台布置不动，以确保顶管施工测量的正确性。

3.3 顶管出洞及顶进

顶管下工作井前进行安装调试，检查油管、电路系统、液压系统及机头运转动作正常。做好出洞各项准备工作，安装洞门密封装置，与井内预留洞口保持同心，并用螺栓与预留洞法兰固定。在预留穿墙套管内安装顶进导轨，机头下井放置平稳。割除外封门背后的支承铁件，用液压千斤顶将外封门的槽钢顶升松动，将顶管机顶入止水圈内，然后依次拆除外封门工字钢，在土体取样工作完成后随即顶机头，使机头刀盘贴住前方土体，在顶管机尾部烧焊限位块，缩回主顶油缸，吊放过渡管，为防止机头产生叩头现象，将机头与后面几节混凝土管焊接连成刚性整体，然后割除限位块，开始进行顶进作业。NPD机头的土压控制主要通过顶速来调节，每次初顶时先调节好送水压力，然后打开机内止水阀，转动刀盘，关闭机内旁道，待流量达到额定值的80%时即可开始顶进，送水压力可通过机内压力调节即可完成。

在顶管顶进时，通过顶管机铰接处及管节上预留的注浆孔注入膨润土减阻泥浆，在管道外围形成较为完整的泥浆套，管节外壁和土层间的摩阻力可减至小3~5 kN/m2。顶进时要及时进行跟踪注浆、压浆和补压浆，确保泥浆套完整。泥浆要求性能稳定，有一定的稠度和良好的流动性，不失水、不沉淀、不固结。通过泥浆配合比试验，确定最佳泥浆配合比，膨润土加入后要充分搅拌，使其充分水化。

3.4 顶管进洞及后续工作

顶管顶进至离终点（接受井）30 m左右时要加强对顶进轴线的观测，及时纠正偏差，确保轴线正确，工具头准确进入接受井上的预留洞中。在接受井洞口外侧采用双排低标号水泥搅拌桩加固土体作为洞口止水措施，搅拌桩强度低于0.4 MPa。顶管进入接受井穿墙洞后，混凝土管超出洞口20 cm长，凿除多余混凝土露出钢筋，与沉井内斜管段钢筋联接。

顶进结束后进行减摩泥浆（触变泥浆）的固化，使管节外壁与周围土层的施工间隙尽快填充固结，减小地面沉降。采用水泥砂浆或粉煤灰水泥砂浆置换触变泥浆；置换时利用原有的注浆设备从管节的注浆孔压注。置换结束后，将全部注浆设备清洗干净，拆除注浆管路，封闭管道上的注浆孔。

顶管与工作井和接受井的洞口间隙采用C30细石混凝土灌注填充，沉井制作时预埋灌注管道，细石混凝土填满，保证不渗水。

3.5 其他相关措施

管道通风效果直接影响管内工作人员安全。长鼓短抽组合式通风系统安装在距掘进机12～15 m处，抽风风筒与鼓风风筒分别安装在管内左右两侧，抽风机的吸入口在前，鼓风机的排风口在后，在管道中间配置若干外轴流风扇，排出井内浑浊空气。

沉井沉降变形及位移观测：顶管顶进过程中，在沉井周围不受顶管施工影响的区域设置后视点，在顶管工作井四角设置观测点，采用水准仪定时观测记录四点的高程。顶管顶进时工作井后井壁（后背墙）水平位移观测，观测点设于顶管轴线正上方井壁顶部。位移观测采用全站仪测量沉井井体的位移，如果发现沉井在顶管后座力作用下，沉降和位移出现异常情况时，应增加观测次数，以便采取措施。

顶管顶进对已完顶管的影响变化观测：在已完成的顶管内架设经纬仪，不断观测顶管的轴线变化情况，观测点按间距50 m布设。一旦出现可疑现象，立即通知顶管作业队调整顶进参数，确保已完顶管不受后续顶管顶进影响。

附近建筑物及地面沉降观测：顶管前进方向对附近建筑物设置沉降和位移观测点，做好观测记录，地面观测点每天观测1~2次沉降，观测结果经数据处理分析后作为调整掘进机参数的依据，使地面沉降量控制在最小范围内。沉降观测采用高精度的水准仪，位移观测采用全站仪。

灌河大堤沉降观测：在灌河大堤上设置一定数量的沉降、位移观测点，施工期间做好观测记录，建立大堤安全报警系统；顶管过大堤前开始收集数据，形成顶进速度、顶管出土与沉降关系图表；当位移、沉降突变大于10 mm时，立即停止作业，检查分析原因并采取措施后再继续顶进作业；顶进过程中，将仓内压力控制在1.8~2.0 kg/cm2；顶管穿越大堤时，严格控制顶进速度，严禁大角度纠偏；事先在大堤部分管段适当加密注浆孔，随时准备抢险队伍及相应的注浆设备，一旦沉降大，即可多注泥浆来控制沉降。

顶管机出洞时由于沉井周围土体被扰动过，造成出洞时机头因自重过大而下磕，出洞时将机头略抬高5 mm，或调整主推千斤顶的合力中心，延升导轨至洞口，观察机头状态，有下磕趋势则立即用后座千斤顶纠偏；出洞口处事先注浆，并辅以井点降水，提高洞外土体整体强度；工具管出洞时，将工具管与后续管进行刚性连结，提高其整体稳定性；顶管机停顿施工前，将泥水仓内注满水，以平衡机头正面土压力。

4 结语

顶管施工广泛用于市政建设及水利建设中，是引水管道、排水管道穿越河道、公路、铁路等工程设施普遍采用的施工工艺。顶管方向失控，顶力剧增，地面沉降大，管道渗漏是顶管施工的质量通病。应结合具体工程所在地的地质特性、顶进长度、地下及地上建筑物等情况来确定顶管顶进工法，并就质量问题产生的原因进行分析，有针对性地采取有效的防治措施，以降低顶管施工风险和保证施工质量。