浅析污水顶管横穿砂层施工技术及控制措施

姚新光+吕云飞

摘 要： 为确保道路平坦、完好、安全通行，在横穿城市主干道的顶管施工前，应制定一套防止道路下方砂层被超挖的措施。以某污水管道采用顶管工艺横穿砂层工程为例，对顶管横穿砂层施工所采取的关键技术措施进行探讨和总结。

关键词： 污水管；施工技术；控制措施

一、工程概况

某市政污水处理工程设计采用 DN1000 顶管工艺、管道长163m、管底标高为路面下 5.7m，顶管穿越的地质 情况为路面以下 0.71m 为道路结构层、0.71～1.48m 为耕土层、1.48～6.03m 为中细砂层、6.03～12.3m 为中砂层，地下水 埋深 1.1m，为潜层水，渗透系数 k 为 9.28×10-5cm/s，中细砂 的重度为18.5kN/m3 、内摩擦角为 32、内聚力为 2.4（kPa）。为 避免施工对道路交通造成严重影响并保护地下管线，本次顶 管施工采用控制顶进速度及泥浆护壁法，防止机头前方砂层被超挖、管壁外加注触变泥浆减阻及防止砂层塌陷、洞口外 侧高压旋喷桩加固砂层和提高砂层的抗渗性，保证顶管工程按时保质完成。

二、洞口加固及洞口止水施工技术应用

由于中细砂的内聚力偏小，且孔隙率大易于地下水渗流，为防止顶管机出洞时洞口外砂及地下水渗入工作井，应 对洞口外砂层进行加固和防渗处理。

1、洞口砂层加固

采用单管高压旋喷桩对洞口外砂层进行门式加固，设计桩径 50cm、孔距 40cm、沿圆形沉井井壁以设计的顶管轴线为 中心桩桩心，两侧对称布置 5 根×3 排高压旋喷桩，其中洞口 位置的 5 根×3 排以洞壁为界上下各旋喷 3m（孔洞位置为过 渡段，仅需高压旋喷低标号砼固结砂层），其余的高压旋喷桩 桩长为 7.92m，路面下 1m 为空钻，高压旋喷桩合计为 33 根。

采用的工艺参数： 喷嘴直径 3.0mm （双喷嘴）、压力 20.0MPa、流量 193.5L/m、钻具提升速度 35cm/min、钻具旋转 速度 18r/min，预成孔时采用钻具高压喷水快速下沉法。浆液 配比：水泥∶水∶早强减水剂∶水玻璃（防渗）=100∶100∶ 2.5∶2。水泥浆液应用 60 目的筛网过滤，以防堵塞喷嘴。水泥 用量 150kg/m（P.O 32.5 普通水泥）。

2、洞口止水装置

为确保砼管周边触变泥浆套完整，并避免洞口上方路面沉陷，应设置洞口止水装置，防止顶进过程中地下水和触变泥浆流到工作井中。本工程工作井是内径 7m 的圆形工作井， 先在洞口做一弓形的钢筋砼止水墙，以设计的顶管轴线为中心，在洞口周边打16mm 膨胀螺栓 20 个，环向均布，间距 250mm。先安装钢套环，在钢套环与钢筋砼墙之间设橡胶止水片止水、用圆环形钢板固定洞口止水橡胶板、加装扇形钢压板防止橡胶止水板（内径比钢筋砼管外径小 30cm 左右）被挤翻。该钢套环中心即是洞口止水装置的中心也是设计管道轴线。这种橡胶 法兰止水装置结构简单， 成本低， 安装方便。

3、防止顶管机出洞时发生“叩头”的措施

顶管出洞是顶管顶进的关键工序， 一旦顶管出洞技术措 施不当， 将会影响顶管顶进的速度和质量， 甚至造成顶管失 败。顶管出洞时，顶管机调零。顶管机穿墙时因入土较少，顶 管机的自重仅由两点支撑， 一点是导轨， 另一点是入土较浅 的土体，这时作用于支撑面上的应力超过允许承载力，为防 止机头出洞后低头，在洞口内设置副导轨（用电焊法将槽钢 通过膨胀螺栓固定在钢筋砼上），同时将前两节钢筋砼管与 顶管机用槽钢连成整体（将并排的两根槽钢一端焊在砼管内 预先设置的槽钢固定架上，另一端焊在顶管机的肋上），同时将顶管机机头微抬 4′。

三、中细砂层中横穿道路的顶管施工技术应用

1、顶进速度的确定

为防止刀盘与前方土体之间出现泥水隔层，造成机头前 方砂土的塌陷，应控制顶进速度保证刀盘削土量、循环泥浆 进泥量与排泥量保持一个平衡。

根据计算公式[1]：πR2 γv+Q 进 =Q 排

v =（Q 排-Q 进）/πR2 γ

式中：R 为顶管机刀盘半径 （m）、γ 为顶管机刀盘转速（ r/min）、v 为顶进速度 （m/min）、Q 进为循环泥浆进泥量（m3 ）、Q 排为循环泥浆排泥量（m3 ）。

根据进排泥管管径为 10cm， 管道中泥水的流速需大于 临界流速（2.2～2.4m/s），即排泥量需大于 1.03～1.13m3 /min。 本次施工排泥量取 1.17/m3 /min。在施工中， 将顶进速度控制在 2.72cm/min，顶速通过调节主顶液压站油 压来控制主顶千斤顶每分钟伸出量，达到控制顶进速度。

2、进排泥压力控制

在顶管泥浆循环系统中，通常排泥泵功率、排泥管固定不变，保证泥水仓压力主要是通过变频器控制进泥泵电机的转速，达到控制进泥的流速、流量来实现； 顶管机停顶间歇通过开启旁通阀，实现泥浆的小循环，保证泥水仓的压力。

循环泥浆的作用： ①护壁作用，在挖掘 面形成泥皮，防止机头前方砂层塌陷并减少地下水向泥水仓渗透； ②携渣作用，泥浆必须是一定浓度的悬浊液，才可能把颗粒状的固体携带出。根据经验经现场调试，水与陶土的比 例取 1∶0.2，实际施工中根据沉泥槽的出泥粘度调整泥浆的配比，控制在 1∶0.2±0.05，以保证挖掘面的稳定。

3、顶管机机头迎面土压力的设置

为防止顶管机的机头刀盘超挖迎面砂土，需设置合理的 顶管机迎面阻力 NF，减小施工对土体的扰动。公式为：

NF=π/4×Dg 2 ×γ×H

式中：NF - 顶管机迎面阻力、Dg - 顶管机外径、γ- 土的重 度（kN/m3 ）、H- 管顶覆土厚度（m）。 计算得 NF=108.5kN，1.2 倍的 NF=130.2kN，将机头迎面阻 力设为 130.2kN。实际操作时按土压力表显示的数值和刀盘位移的具体情况，适當调整压力表的数字，达到合理的防超 挖压力值。

4、顶管施工中注浆减阻措施

在砂层与钢筋砼管之间形成减阻的 触变泥浆润滑套，一是润滑作用：将钢筋砼管与砂层间的干 摩擦变为湿摩擦， 减小顶进时的摩擦阻力； 二是填补和支撑 作用，浆液填补施工时管道与砂层间产生的空隙，使隧洞变得 稳定。因此，润滑泥浆必须具有足够高的运动粘滞度，以阻止 润滑泥浆渗入土层流失掉，便于形成封闭的完整有效的泥浆 套，泥浆的粘度须大于 30s，比重为 1.1～1.16g/cm3 。

第一，D1000 的 Telemole 顶管机外径比钢筋砼管的外径大 4cm， 使管道与周围土体之间产生空隙，纠偏也会加大原有 空隙的间隙。因此在顶管顶进的轴线轨迹中存在各种各样的 空隙。

第二，选材及触变泥浆的配比、设备的选用。注浆材料采用 捷钻（Super gel- X）优质钠基膨润土，该型膨润土添加了多 种聚合物能有效提高泥浆的悬浮性、护壁性及润滑性能，具 有高造浆率（是普通膨润土的 2～3 倍）、高悬浮性、高粘性、 高润滑性和低漏失量。

四、结束语

综上所述，顶管施工技术在我国市政道路中得到了有效的应用。为了确保道路施工的质量，提高市政的安全系数和使用寿命，就要求施工人员加强对施工质量的管理和监督，对顶管施工的路线和施工工艺进行科学合理地设计，这样以来就确保顶管施工在规定的工期内完工。 ■

参考文献

[1] 姚旭君. 复杂条件下市政道路工程污水管网暗挖顶进施工技术[J]. 四川水力发电. 2013（05）

[2] 侯丹丹. 砂土地层污水管道顶管施工土体变形规律及处治研究[D]. 长安大学 2014

[3] 苏东剑.探讨污水顶管施工技术与质量控制[J].市政工程，2010（23）：14.