顶管技术在污水管道施工中的应用

查湘义

（辽宁省交通高等专科学校 建筑工程系，辽宁 沈阳 110122）

顶管技术是基于盾构技术之后而逐步发展的地下管道施工技术，该技术是将工具管或掘进机吊入工作坑，借助主千斤顶将工具管或掘进机顶入土层中，然后通过人工挖土或机械掘进等方式不断将工具管或掘进机穿越土层，并将紧随其后的待敷设管道依次连接而埋设在土层中，直至到对面接收井的地下管道敷设方法。顶管技术在敷设管道过程中，不需要开槽施工，能够减少土方开挖量，降低施工成本，并且不破坏地面交通，在穿越公路、河流、铁路等障碍物时优势显著，所能敷设管道的直径也在加大，能够满足给排水管道敷设需求，因而在市政给排水管道施工中得到广泛的应用［1-2］。

1 工程概况

某市污水干管扩建工程，增设一条污水主干管，管径为DN2200～DN2400，总长3.2 km，其中DN2400顶管1 000 m，DN 2200顶管2 000 m，DN1400顶管200 m。施工地点为某市滨河路辅道，将沿线污水引入污水处理厂统一进行处理排放。

根据钻探结果显示，场地内分布的地层自上而下分为人工填土层、第四系海陆交互沉积层及残积层。①人工填土层，主要由粘性土含少量碎块石、砖头等建筑垃圾组成，层厚0.60～10.0 m；②第四系冲积层，由淤泥质黏土和有机质砾砂组成。淤泥质黏土层顶埋藏深度介于3.50～7.60 m，层厚0.70～1.50 m。有机质砾砂层顶埋藏深度介于2.80～10.0 m，层厚1.10～6.80 m；③第四系海积层为淤泥质黏土，层顶埋藏深度介于4.20～7.9 0m，层厚1.40～8.50 m。地下水类型以潜水为主，主要赋存于第四系各地层中，其中第四系冲积有机质砾砂属强透水性地层，涌水量大，为主要含水层。勘察测得场地钻孔地下水位埋深1.70～5.0 m。

根据以上地质和地下水情况分析，本工程敷设管道会有地下水及流砂的情况，所以顶进施工机械采用封闭式泥水平衡顶管掘进机，主要由顶管机、主千斤顶、泥水循环系统和泥水分离装置组成。

2 污水管道顶管法施工

顶管施工的流程为：工作井施工→设备设施安装→顶管始发顶进（挖土、运土、顶进、测量）→顶管中部顶进（挖土、运土、顶进、测量、管节安装）→全线贯通→设备拆除［3-4］。

2.1 工作井施工

工作井采用沉井法施工，所有沉井均分为两节制作，两次下沉。基于地勘报告，工作井施工前必须对井位周边进行地质改良，避免工作井施工引起地表沉降、本工程地质改良采用双管高压旋喷桩施工工艺。在施工中，出现了冒浆过大等异常现象，对此对发生原因进行了及时查明并采取了措施，如改变旋喷压力，并适当缩小喷嘴孔径等，消除了该问题的发生。

2.2 设备设施安装

顶管施工的设备设施主要分为地面设备设施和竖井内设备设施两部分。地面设备设施安装主要包括泥浆制备、注浆润滑、泥浆处理、空压机组、冷却系统、供配电系统、供浆泵以及地面管路、电气仪表、控制线路等设备设施的安装。竖井内设备设施安装主要包括人工爬梯、污水泵、顶管反力座、顶进轨道、洞门密封、顶管机、排泥泵、管道、阀门、线缆等。

本工程顶进过程中，穿越丰富的地下含水层，因此工作坑内洞口止水不容忽视。止水圈由预埋法兰底盘、橡胶板、钢压板、垫圈与螺栓等组成，法兰底盘预先埋设在沉井内，端面平整，安装牢固。

2.3 顶力计算

为了保证掘进机头能够顺利顶入土层中，需事先计算顶进所需要的顶力。顶管的顶力按下式计算：F=F1+F2（F1为迎面阻力、F2为顶进阻力），其中F1=π/4×D2×P=3.14/4×2.42×10.45 ＝ 47.25 t（D 为管外径取2.4 m、P为控制土压力），P= K×γ×H =0.55×1.9×10=10.45 t/m2（ K为静止土压力系数，取0.55，γ为土的湿重量，取1.9 t/m3，H地面至掘进机中心的厚度，取10 m）。

F2＝ πD×f×L=3.14×2.2×0.5×100＝ 345.4 t（D为管外径2.2 m、f为管外表面平均综合摩阻力，根据地层情况取0.5 t/m2、L 为顶距，取100 m），则总推力F=47.25+345.4=392.65 t。根据总推力及管材轴向允许推力，选用2台200 t级油缸。

2.4 顶管始发顶进

顶管始发顶进以顶管隧道0 ～15 m作为顶管始发顶进段。通过本段顶管顶进掌握地层情况，调整和控制顶管机掘进各项参数。始发顶进过程：启动顶管机主驱动电机，旋转刀盘，调整刀具与洞门密封的相对位置。安排两名人员携带手电筒进入刀盘舱内，准备在向前推进顶管机时，随时观察刀盘、刀具与洞门密封之间的情况。在洞门密封橡胶圈上涂抹黄油，起到润滑作用，以防止密封圈的磨损和损坏，并将洞门密封扇形压板沿径向向外调整至最大位置。顶进推力不宜过大，推进速度要慢，刀盘转速适当降低，让刀盘在每一断面切削时间长些，以使刀盘正面阻力均匀，从而保持顶管机的正确位置和正常状态。顶进过程中要勤测量，确保轴线位置准确。

2.5 顶管中部顶进

该工序的主要步骤为泥水循环、刀盘驱动切土、启动顶进系统、顶管顶进、油缸回缩、管节安装等。

1）泥水循环及处理。当在松散、富含水、透水性强的地层顶进施工时，采用泥水加压平衡模式掘进，以此来保证开挖面不会发生坍塌与沉降。在顶进中泥水不断地在开挖面上形成良好的泥膜，保持开挖面的稳定。

本工程每个顶管作业面的泥水系统均采用三级泥水处理系统对泥浆进行处理。这种泥水处理系统主要包括一套泥水分离设备和一台压滤机组成。泥水分离设备是把排出的泥浆渣土混合物经过初筛把粒径≥5 mm的固相颗粒筛滤出，将大量的泥块通过振动筛进行首次分离，分离出来的泥块、碎石直接落到渣料堆放场；粒径≤5 mm的固液混合物进入泥浆沉淀槽内，再由渣浆泵将该混合液泵入漩流器，由旋流器把粒径≥45 μm的固相分离进行分离，因分离出来的固相物含水量较大，经过振动筛将含水率进一步降低，形成可堆放渣料后，落到渣料堆放场堆放；经旋流器分离器分离后的泥浆，再经过二级旋流器处理，将泥中粒径≥25 μm以上的固相清除，最后经压滤机设备将泥浆中的颗粒物质进一步分离，分离出的泥浆呈清水状，重新进入泥浆箱进行再利用，从而达到环保效果。

2） 切土、顶进。在顶管机顶进过程中，一定要严格控制开挖量，防止出现超挖和欠挖。超挖容易引起地层沉降；相反，欠挖容易引起地层隆起。由于泥水平衡式顶管开挖的泥砂随同循环泥水一起排出，不能直接测量开挖量，所以要根据供排泥浆流量、供排泥浆密度、土工试验结果进行计算，通过计算就可以估算出顶进时实际开挖土量，通将实际挖土量与理论挖土量进行对比，及时调整顶进参数，防止出现超挖和欠挖。

3）管节安装。管道接口采用T型钢套环，并用齿形橡胶圈进行密封。管道预先在工厂进行预制、养护，合格后运输到现场吊入到工作坑内安装。安装前对管道表面、钢套环、橡胶密封圈等材料进行详细的检查，外观应无破损，无裂缝、凹痕等缺陷并应无油污。木衬垫粘结时凹口和凸口应对中，环向间隙应均匀。

2.6 长距离顶进技术

1）中继间顶进。本工程管线顶进距离为3.2 km，因此为了实现长距离顶进，在顶管顶进一段距离后，需要安装中继间。本工程中继间采用组合式中继间形式，此种形式中继间在贯通后可直接闭合到位，不需要二次浇筑混凝土，该结构主要由前端管节（钢制外壳）、后端管节、液压油缸、油缸支架、密封圈及压环、反力架、液压站以及远程控制系统构成。中继间安装包括地面组装和井下安装两部分。首先将中继间液压油缸、支架、油管、密封圈及压环安装到前端管节的钢制壳体内。吊装下井安装前，将井内管节顶进到位，使管节露出密封部分不大于50 cm，为中继间安装提供充足的安装空间。然后将前端管节吊装入井，并将其与前一根管节插接，最后将后端管节吊装入井，与前端管节插接。中继间的工作顺序是：第一套中继间顶完后卸油压开始第二套中继间顶进，其后的中继间依次顶进，最后竖井内主顶顶进完毕，开始新一轮的循环顶进。

2）泥浆套顶进。为了减少管壁与土壁之间的摩擦阻力，本工程采用泥浆套顶进。顶管顶进润滑注浆遵循“先注后顶、随注随顶、及时补浆”原则。顶管机尾部后0～20 m内的顶管隧道充分注浆，以形成一个稳定、完整的泥浆套。之后管节注入的泥浆是用以不断补充，使浆套保持连续。顶管机尾部后0～20 m内的顶管隧道同步注浆量通常为地层间隙的2～3倍，其后面的同步注浆量为1.5～2倍。注浆压力应大于水土压力0.01～0.02 MPa，应保持填充状态，而不是劈裂状态。如图1所示。浆液由制浆机拌制，随即储存到储浆罐中，然后利用注浆泵通过膨润土管路从地面输送至隧道内各注浆站，注浆站将浆液分配到根注浆管内，相应地通过管节的4个注浆孔注入地层。注浆站阀门由压缩空气控制开启，并通过控制电缆与控制台建立通信，实现远程控制。

图1 注浆效果示意图

2.7 全线贯通

顶管机顶进至最后30 m时，应完成所有贯通准备工作，包括端头加固效果检查、洞门密封装置安装、设备拆除等。距离贯通30 m开始，加密进行隧道内导线测量和联系测量。获取包括顶管机刀盘面距竖井中心距离、隧道轴线水平和高程偏差等准确数据。分析测量成果，贯通前及时调整顶管机姿态，保证顶管机体精准贯入接收洞门。顶管机进入接收井后，利用接收洞门处预埋的注浆管压注双液浆，同时从混凝土管注浆孔压注双液浆，并在最终两根管节位置压注聚氨酯封堵。压注聚氨酯时，保持对称、间歇，使其充分膨胀。

3 结语

本工程施工线路长，管道敷设所穿越的土质条件复杂、地下水位丰富，这为本工程的施工带来了更大的难度。针对管道敷设时所处位置的施工现场环境及水文地质条件，应该合理选用不同施工方案，调整施工参数，对出现的异常现象及时查找原因并提出解决措施。以上基于顶管施工的工艺流程，对其施工中的技术要点及控制措施进行了详细的分析，可以为类似的工程提供参考价值。在以后的项目施工当中，应该对顶管技术的应用进一步完善，除了要保证施工进度、合理控制施工成本以外，还要对顶管的安全管控、偏移监测技术、纠正方法及材料设备选型等方面进一步加以完善。

［1］ 曾新民，郭坤，方紫霖. 二次顶管法在小口径排水管道敷设中的应用［J］. 给水排水，2014，40（5）：92-95.

［2］ 胡发明.顶管技术在市政工程中的应用研究［J］.江西建材，2013，（1）：187-188.

［3］ 曹永芳，赵建波. 顶管法施工技术在市政工程建设中的应用［J］. 四川水力发电，2015，34（1）：68-70.

［4］ 丁文学.矩形土压平衡式顶管在广州地铁工程中的应用［J］. 现代城市轨道交通，2012（1）：36- 38.