泥水平衡法顶管施工过程控制研究

艾祖斌

（中电建路桥集团有限公司，北京市100089）

泥水平衡法顶管施工过程控制研究

艾祖斌

（中电建路桥集团有限公司，北京市100089）

随着施工技术和施工机械的研发,顶管施工技术现已被广泛应用。顶管施工技术由于不需要开挖面层，能穿越地面建筑物和地下管线及道路、河道等，节省大量投资和时间，对城区的交通、噪音、粉尘的危害和影响大大降低。所述工程路径基本沿城市主要道路的机动车道、非机动车道及绿化带等布置，穿越多条内河（港），对顶管施工的过程控制有较高要求。根据顶管施工的各项标准规范、文献，结合电力土建工程实例，就泥水平衡法顶管施工过程控制进行研究;。

泥水;顶管施工;过程;控制

1 概述

基于为福州电力缆化土建工程项目，主要采用顶管施工工法，项目地处福州市中心地带，车流人流多，线路沿线建（构）筑物多，地下管线多，线路穿越多条内河（港）、地质情况复杂，部分顶管段与福州地铁盾构施工存在交叉。工程工作井采用钢筋混凝土结构，顶管主要采用内径3.0 m、外径3.6 m钢筋混凝土管；综合分析线路特点、工期要求，并结合沿线地质条件，经论证分析，选定了泥水平衡顶管法组织施工。顶管法施工管道偏差控制、长距离顶管施工技术、曲线顶进和注浆减阻技术为本工程技术重点、难点，也是主要论述点和分析点。

2 顶管施工过程

从管节吊装于导轨上开始，顶管施工的过程主要包括挖（切）土、顶进、出土（泥）、测量、纠偏等工序。

2.1 顶管机出洞

2.1.1 顶管出洞的施工步骤

设备调试→割掉预埋钢盒外侧钢板→安装止水环结构→顶管机头进预留孔→穿越围护结构→正常顶进。

2.1.2 顶管顶进

顶管机头穿墙时，一方面要带一个向上的初始角（约5′），另一方面穿墙管下部要有支托，并且加强管段与工具管、管段与管段之间的联结。此外，工具管的推进一定要迅速稳妥，不使穿墙管内的土体暴露时间太长。顶管穿墙位置必须作好止水，防止孔口因为流失减阻泥浆，造成孔口塌陷，发生安全事故。

2.2 顶管正常段顶进施工

管道出洞成功后，管道开始正常顶进。

2.2.1 顶进施工参数的控制

（1）初始顶进时顶进速度一般控制在20～50 mm/min，正常顶进时顶进速度控制在50～150 mm/min，如遇正面障碍物，应控制在10 mm/min以内。

（2）一节管节的理论出土量约30 m3。初始顶进时出土量一般控制在理论出土量的95%左右，正常情况下出土量控制在理论出土量的98%～100%。在顶进过程中应尽量精确地统计出每节管节的出土量，力争使之与理论出土量保持一致，以保证正面土体的相对稳定，减少地面沉降量。

2.2.2 顶进轴线控制

顶管在正常顶进施工过程中，必须密切注意顶进轴线的控制，在每节管节顶进结束后，必须进行机头的姿态测量，并做到随偏随纠，且纠偏量不宜过大，以避免土体出现较大的扰动及管节间出现张角。

2.2.3 地面沉降控制

在顶进过程中，应合理控制顶进速度，保证连续均衡施工，避免出现长时间搁置情况，不断根据反馈数据进行顶进参数调整，减小地面沉降量。

2.2.4 穿越桥梁、河流、建筑物

在顶管顶进过程中主要采取以下三项技术措施，来严格控制。

2.2.4.1 顶进技术措施

（1）穿越前对全套机械设备进行全面、彻底检查，保证其顶进时具有良好的性能。

（2）严格控制顶管的施工参数，防止超、欠挖。

（3）严格控制顶管顶进的纠偏量，尽量减少对正面土体的扰动。

（4）施工过程中顶进速度不宜过快，一般控制在20 mm/min左右，尽量做到均衡施工，避免在途中有较长时间的停滞。

（5）在穿越过程中，必须保证持续、均匀压浆，使出现的建筑空隙能被迅速得到填充，保证管道上部土体的稳定。

2.2.4.2 安全监测

在本工程的施工顶进过程中，由专业测量监测队伍进行工程全过程监测。运用先进的仪器设备，及时获取准确可靠的监测数据，经电脑软件处理后，向各方汇报施工对周围环境产生的影响，以便于顶管进行施工，从而达到安全施工的目的。通过监测其变化规律和发展趋势，以便及时地了解施工过程中的变形情况，并根据现场实际情况，及时调整各类施工参数，保证过桥、过河、过建筑物的安全。

2.2.4.3 保证措施

一旦变形量超过控制范围，应及时采取措施来控制变形量，及时调整顶进参数，严格控制注浆和纠偏量，做到均衡施工，在穿越过程中避免在该范围进行纠偏等易扰动土体的操作，以确保顶管安全平稳顺利的从桥下、河下、建筑物下通过。

2.2.5 顶进施工中注意事项

（1）顶管机头开始顶进5～10 m的范围内，允许偏差应为：轴线位置50 mm，高程30 mm，当超过允许偏差时，应采取措施纠正。

（2）为防止管节飘移，可将前3～5节管与工具管联成一体。

（3）在管道顶进的全部过程中，应控制工具管前进的方向，并应根据测量结果分析偏差产生的原因和发展趋势，确定纠偏的措施。

（4）中继间安装前应检查各部件，确认正常后方可安装；安装完毕应通过试运转检验后方可使用；中继间的启动应由前向后依次进行。

（5）顶进施工期间，管道内动力、照明、控制电缆的接头要安全可靠。

（6）在顶管机和中继间处应放置应急照明灯具，保证断电或停电时管道内的工作人员能顺利撤出。

2.3 顶管进洞

2.3.1 接收井准备

接收井施工完成后，必须立即对洞门位置的方位测量确认，根据实际标高安装顶管机接受基座。

2.3.2 顶管机位置姿态的复核测量

当顶管机头逐渐靠近接收井时，应适当加强测量的频率和精度。减小轴线偏差，以确保顶管能正确进洞。

2.3.3 各施工参数的调整

在顶管到达距接收井6 m后，开始停止第一节管节的压浆，并在以后顶进中压浆位置逐渐后移，保证顶管在进洞前有6 m左右的完好土塞，避免在进洞过程中减摩泥浆的大量流失而造成管节周边摩阻力骤然上升，以致出现工程难点。

2.3.4 顶管进洞

顶管机头距接收井高喷桩20 cm左右时，顶管停止顶进，并在预留洞圈外高喷桩的四个角开观察孔，以确切探测出机头的实际位置，在探明机头位置确实正确落在接收井洞圈范围内时，顶管应迅速、连续顶进管节，尽快缩短顶管机进洞时间。

2.3.5 注意事项

进洞时，要防止井外的泥水大量涌入井内，严防塌方和流砂，必须做好洞口止水环节。首先在预埋钢盒上焊接钢套环（法兰），然后在套环上安装25 mm厚橡胶法兰，用10 mm厚钢压板通过M20螺栓压紧。当发现有地下水和泥砂流入工作井内时，可以收紧橡胶法兰和压板上的螺栓，达到止水效果。

3 减阻措施（触变泥浆）

顶进施工中，减阻泥浆（触变泥浆）的应用是减小顶进阻力的重要措施。顶进时通过顶管机铰接处及管节上预留的注浆孔，向管道外壁压入一定量的减阻泥浆，在管道四周外围形成一个泥浆套，减小管节外壁和土层间的摩阻力，从而减小顶进时的顶力。泥浆套形成的好坏，直接关系到减阻的效果。

为了做好压浆工作，在顶管机头及其后面3节每节都设有注浆孔，使泥浆及时填充管壁与土间的全部空隙，其后逐步过渡到每4节加设1节带有注浆孔的管节，及时补浆，使全线管壁都包裹在泥浆套中，注浆孔沿管段周边按120°均匀布置三个或按90°均匀布置四个。

3.1 主要技术措施

（1）对泥浆原材料进行验收，保证其质量；制定合理的泥浆配比，保证润滑泥浆的稳定；经常对拌好的泥浆进行测试，确保润滑泥浆的质量。

（2）制定合理的压浆工艺，严格按压浆操作规程进行，坚持“随顶随压、逐孔压浆、全线补浆，浆量均匀”的原则。

（3）加强压浆管理，保证压浆工作的正确落实。

3.2 压浆顺序：

地面拌浆→总管阀门打开→启动压浆泵→管节阀门打开→送浆（顶进开始）→管节阀门关闭（顶进停止）→停泵→总管阀门关闭→井内快速接头拆开→下管节→接总管，循环复始。

3.3 技术规范

减阻泥浆的灌注应符合以下要求：

（1）搅拌均匀的泥浆应静置一定时间后方可灌注；

（2）注浆前，应通过注水检查注浆设备，确定设备正常后方可灌注；

（3）注浆压力可按不大于0.1 MPa开始加压，在注浆过程中的注浆流量、压力等施工参数，应按减阻及控制地面变形的量测资料调整；

（4）每个注浆孔宜安装阀门，注浆遇有机械故障、管路堵塞、接头渗漏等情况时，经处理后可继续顶进。

顶进施工中，减阻泥浆的用量主要取决于管道周围的空隙的大小及周围土层的特性，由于泥浆的流失及地下水等的作用，泥浆的实际用量要比理论用量大得多，一般可达到理论值的4～5倍，但在施工中还要根据土质情况、顶进状况、地面沉降的要求等做适当的调整。

3.4 减阻泥浆有关技术参数

（1）地表沉降控制要求不高的顶程减阻泥浆配合比（参考）见表1。

表1 泥浆配合比1 kg

（2）地表沉降控制要求高的顶程减阻泥浆配合比见表2。

表2 泥浆配合比2 kg

4 顶管施工过程测量及纠偏方法

4.1 顶管施工过程测量

4.1.1 顶管轴线的布设

按设计单位所提供的城市坐标点连接出洞井和进洞井之间的进、出洞门的两点坐标及高程，以坐标值的计算建立相应坐标系，为顶进轴线高程之差决定顶管顶进坡度。

4.1.2 建立施工顶进轴线的观测台

按独立坐标系放样后靠观测台（后台），使它精确地移动至顶管轴线上，用它正确指挥顶管的正确施工。以后按施工的情况，决定定期复测后台的平面和高程位置。如图1所示。

图1 观测台布置图

4.1.3 顶进施工过程测量

在后台架设激光经伟仪一台，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，采用程序计算顶管的头尾的平面和高程偏差离值，来正确指挥顶管的施工。

4.1.4 注意问题

顶管施工初次放样及顶进极为重要。另外由于顶管后靠顶进中要造成变化，后台的布置应保持始终不动，来确保顶管施工的测量的正确性。

4.2 测量纠偏控制

为了使顶进轴线和设计轴线相吻合，在顶进过程中，要经常对顶进轴线进行测量。在正常情况下，每顶进一节管节测量一次，在出洞、纠偏、进洞时，适量增加测量次数。施工时还要经常对测量控制点进行复测，以保证测量的精度。

在施工过程中，要根据测量报表绘制顶进轴线的单值控制图，直接反映顶进轴线的偏差情况，使操作人员及时了解纠偏的方向，保证顶管机处于良好的工作状态。

在实际顶进中，顶进轴线和设计轴线经常发生偏差，因此要采取纠偏措施，减小顶进轴线和设计轴线间的偏差值，使之尽量趋于一致。顶进轴线发生偏差时，通过调节纠偏千斤顶的伸缩量，使偏差值逐渐减小并回至设计轴线位置。在施工过程中，应贯彻“勤测、勤纠、缓纠”的原则，不能剧烈纠偏，以免对管节和顶进施工造成不利影响。

项目测量所用的仪器有全站仪、激光经纬仪和高精度的水准仪。顶管机内设有坡度板和光靶，坡度板用于读取顶管机的坡度和转角，光靶用于激光经纬仪进行轴线的跟踪测量。测量布置见图2。

图2 测量布置图

顶管施工中允许偏差见表3。

表3 顶进管道允许偏差表

4.3 长距离曲线顶管施工过程控制

曲线顶管开始前，先进行一段的直线顶管。在经过直线段顶管后到达始曲点后，便开始曲线施工，曲线顶管利用顶管机在顶进过程中，按设计的方向进行强制式纠偏，根据曲线半径R=600 m，计算出纠偏千斤顶的伸缩量，并在施工过程中不断进行调整，造成人为的轴线偏差，使这个偏差值符合设计的曲线要求，从而形成曲线通道。

后继的管节顶入曲线通道内，相邻管节间自然形成一定的张角和相应的间隙，及时垫入起曲垫块经过计算，管外开口间隙16 mm，用内置千斤顶撑开管缝，垫入木垫块，考虑到垫块的压缩变形，其厚度应适当增大，可选用δ=2 mm的五夹板，垫入的范围为右侧180°。

在曲线顶管时，顶进速度不能太快，一般控制在30～50 mm/min，密切注意正面土体压力的变化，控制好出土量的大小及顶进速度快慢，尽量做到全断面出土，严禁在挤压状态下顶进，防止周围土体反弹，确保曲线通道和泥浆套的完整，使管子能顺利进入预定的曲线轨道。在顶进工程中，要经常对顶进轴线进行测量。在正常顶进情况下，每顶进一节管节测量一次，在进洞和出洞时适当增加测量次数。顶管施工期间还要经常对测量控制点进行复测，以保证测量的精度。

顶力的调整：在控制顶力不变的情况下，使管道顶进距离得到有效加长，是实现长距离顶进的有效途径；曲线顶进时,管段的允许顶力要折减。折减系数与管段转角有关,混凝土管还与木垫片的弹性模量、木垫片的厚薄有关。采用减阻和接力顶进措施是两种行之有效的方法。并与顶管机的纠偏系统结合起来，实现二维空间的同步纠偏，确保顶进轴线的正确控制。

4.4 曲线顶管测量

（1）管道内设置一台普通经纬仪,一个觇标,二者均布置在工具管的后部。工具管上的标尺、经纬仪、后视觇标3者间保持一定的距离,并与管道固定,随管顶进而跟进。经纬仪、后视觇标的中心坐标是根据事先测定的实际管轴线计算所得,工具管上的测点座标查设计轴线可得。依靠这3者的关系就可算出管道的顶进方向,并由经纬仪指向。

（2）管轴线的测定采用一台全站仪,管道每顶进10 m,测定一次工具管后的管轴线,并输入计算机。施工中可以根据顶进距离,推算出3者的即时坐标,通过计算机的运算,就能指出工具管顶进方向。

（3）同时工作井内设立水准仪来控制顶管的高程，工作井内设一个固定的水准点。高程偏差测量采用水准仪测量顶管机中心标高，再与设计高程相比较，计算出高程的偏差。由于曲线顶管的距离较长，经计算，在管道内设置一个测站就能解决测量问题。

5 结语

通过已完成顶进的施工段落，我们体会到，在淤泥、黏土、砂层地理环境下采用泥水平衡式顶管具有施工速度快，成本低，占地少，环境影响小等优点，可以最大限度的降低施工对交通环境的影响与破坏。然而，顶管施工机理及设备仍存在许多经验主义，这种情况很难适应当代发展的顶管施工技术。因此，对顶管施工过程中的各项施工工艺参数、施工方法进行分析和总结，以合理的规程、方案进行施工并实施预防措施，将对后续各顶管段落的施工组织、过程控制提供宝贵的经验和实施依据，也将为今后同类型顶管项目的实施有较好的指导和借鉴意义。

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U455.1

B

1009-7716（2017）12-0137-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.038

2017-11-06

艾祖斌（1971-），男，云南昭通人，高级工程师，主要从事基础设施工程施工程技术及施工管理工作。