泥水平衡顶管施工技术的工程应用研究

邓建华，何 洋

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

顶管施工技术起源于19世纪末的美国北太平洋铁路的铺设，此后，日本、德国等国家纷纷将此技术应用到其城市基础建设中，我国于建国初期首次在北京某水管道埋设上试用了顶管法施工，取得了良好的效果。目前，顶管施工技术在我国及国外发达国家应用已比较成熟，但在东南亚及非洲等发展中国家应用较少。

1 工程概况

某国外污水处理厂EPC投标项目，水厂日处理能力12万m3/d，由50 mm格栅井及污水提升泵房，20 mm、3 mm格栅渠，曝气沉砂池，MBBR生化池，气浮池等建筑物组成。厂区区域由滨海平原、三角洲和洪泛平原组成，厂址地基由松散的沙子、软质粉土和软黏土硬土构成，岩层一般分布在更深的位置。

另外，从发包人提供的厂外截污管道接入点到50 mm格栅井需铺设长约230 m、管径1.5 m的球墨铸铁管连接，管顶以上埋深约14 m；由于其埋深较大，如果采用常规开挖埋管施工，需开挖狭长深基坑，其开挖回填和基坑边坡支护工程量均很大，而且整个污水处理厂厂区窄长，其放坡开挖将挖除其他水厂建筑物的基础，导致其他水厂建筑物的施工停滞，进而影响总进度计划，因此拟采用非开挖的顶管法对该段管道进行施工。

对于管径小于1 m的管道，顶管施工可采用水平定向钻进铺管钻机钻孔，拉管铺设施工方法。考虑到该连接管管径大于1 m，并结合水文地质情况，拟采用泥水平衡顶管施工。

2 顶管施工原理

顶管施工的基本原理。顶管施工就是借助主顶油缸以及中继间的顶进力，把工具管或顶管掘进机从工作坑内穿过土层一直顶进到接收坑内吊起。与此同时，把紧随在工具管或掘进机后的管道埋设在两个工作坑之间。在顶管施工中主要有三种工作面平衡理论，即：气压、土压和泥水平衡理论。

泥水平衡顶管的工作原理。通常把用水力切削泥土以及虽然采用机械切削泥土但采用水力输送弃土，同时利用泥水压力来平衡地下水压力和土压力的这一类顶管形式都称为“泥水平衡顶管施工”。在泥水平衡顶管施工中，要使挖掘面保持稳定，就必须在泥水仓中充满一定压力的泥水，泥水在挖掘面上形成一层不透水的泥膜，阻止泥水向挖掘面里渗透。同时，该泥水本身具有一定的压力，因此，可以用来平衡地下水压力和土压力。泥水平衡顶管适用的土质范围比较广，在地下水压力很高以及变化范围较大的条件下也能适用。泥水平衡顶管施工示意见图1。

3 泥水压力和顶管推力计算

泥水平衡顶管施工主要涉及的泥水压力和顶管推力计算如下。

3.1 泥水压力计算

泥水平衡分析见图2，其中P1为顶管机顶部的地下水压力，P3为顶管机底部的地下水压力，P2为顶管机顶的泥水压力，P5为顶管机底的泥水压力。由于泥水平衡式顶管机在施工过程中泥水仓的泥水压力必须比地下水位高出一个△P，即在图中高出的△h水头部分，△P一般在10～20 kPa之间。这时，在顶管机底部被增加一个△P后的地下水压力应为P4，在顶部的大小均为P2。因为增加的这个△P是泥水压力，所以，它同地下水有不同的相对密度，因而当顶管机顶的压力相同时，顶管机底压力是不相同的，此时，顶管机底的泥水压力为P5。

图1 泥水平衡顶管施工示意

图2 泥水平衡分析示意

实际上，泥水平衡式顶管机泥水仓内是在BDEC2这个梯形压力区内工作。通常，在设定泥水压力时，一般是取其中间值，即Pm=1/2(P2+P5)。本工程根据地质资料结合以往的顶管施工经验，Pm在50～150 kPa之间。

3.2 顶管推力的计算

式中，P为计算的总推力，kN；γ为管道所处土层的重力密度，kN/m3；D1为管道的外径，m；H为管道顶部以上覆盖层的厚度，m；φ为管道所处土层的内摩擦角；ω为管道单位长度的自重，kN/m3；L为管道的计算顶进长度，m，初步考虑设置3个中继间，L按60 m取值；f为顶进时，管道表面与其周围土层之间的摩擦系数；PS为顶进时顶管掘进机的迎面阻力，kN。

经计算P为13 022 kN，采用的顶管机械最大顶进力1 500 t，满足要求。

4 顶管施工程序

先进行工作井及接收井施工，再进行管道顶进施工，本工程工作井及接收井可结合50 mm格栅井及污水提升泵房和发包人提供的厂外截污管道接入点设置。工作井及接收井可采用预制钢筋混凝土井，采用1.2 m3挖掘机开挖基坑，基坑开挖完成后，浇筑底板及边墙混凝土。

混凝土强度达到设计要求后，利用在井口架设的桁车将钢管吊入工作井，采用顶管设备在工作井内将钢管向接收井方向顶进施工，管道内土方采用泥水平衡顶管掘进机掘进开挖，泥浆抽排至井外，泥水分离后将沉渣装入自卸汽车运至弃土区。顶管施工程序如图3所示。

图3 顶管施工程序

5 顶管施工主要技术要点

(1)顶管后背处理。顶管后背采用50b型工字钢整体焊接，钢板尺寸5 m×4 m×0.05 m(宽×高×厚)，为防止顶进过程中对井壁造成破坏，后背及井壁间加设衬垫木板。后背与管道轴线垂直，允许不垂直度为5 mm/m，使千斤顶的集中应力传至后背上，经井壁逐步扩散至后背土体，由土的被动土压力承担。

(2)导轨安装。导轨采用钢制定型轨道，轨道高15 cm。导轨坡度按管道坡度进行安装，导轨内距1 m，安装导轨前复核管道中心线的位置，保证导轨位置的准确。导轨由钢轨、横梁和垫板组成，采用的60 kg/m重型钢轨，导轨和预埋钢板之间用横向的槽钢焊接，导轨的间距布置使管外底离横向的槽钢顶面不小于2 cm，导轨长度按工作坑长度减去0.3 m，满长铺设。安放在混凝土基础面上，导轨定位时稳固、准确，在顶进过程中承受各种荷载时不移位、不变形、不沉降，导轨面上的中心标高按顶管管内底标高设置。两根导轨保持平行等高，导轨坡度与设计管道坡度一致，导轨的高程误差和中线位移控制在2 mm内。在顶进中经常观测、调整，以确保顶进轴线的精度。

(3)管节安装。利用井口架设的行车起重设备，吊放球墨铸铁管入井。下管前在地面上应对下吊的管节进行外观检查，包括检查管端面的平直度、管壁表面的光洁度、端面上有无纵向裂缝，对不合格的管节不应使用。通过行车将管节吊到轨道上面与之吻合，对正管口。

(4)顶铁安装。在球墨铸铁管管口增设环形顶铁与管口吻合，以扩大管口承压面，保护管壁不破损。顶铁的中心线要与管道轴线一致。更换顶铁时，先使用长度长的顶铁，顶铁拼装后及时锁定。管道端面与顶铁接触面均匀加设衬垫，衬垫材料可用油毡、橡胶垫、石棉板、木板等。顶进时，施工人员严禁在顶铁上方和侧面停留，并随时观察顶铁有无异常迹象。

(5)机头进洞。进洞前将洞口土向前挖500 mm，再将机头徐徐推进洞口里，待刀盘全部进洞，止水圈全部安好后，开动顶管机刀盘旋转，待土压升到0.1 MPa时，出浆机的土压也上升到约0.07 MPa。机器各部正常并按操作规程开始入土，此时只存在轨道对机头的摩擦力，机头转动时机身易偏转，故在入土前2 m顶进时轨道安装机头限位装置，且控制顶进速度在50 mm/min以下，以防机头整体旋转。顶进2 m以后在机头不旋转的情况下可逐渐加大顶进速度。机头没完全入土时，土仓压力控制在30～50 kPa，待机头全部入土后，下第一节管做反封闭处理。

(6)顶进施工。待各项准备工作就绪且工作井底板混凝土强度达到设计要求的强度后，开始进行管道顶进。管节安装完毕后，用千斤顶将管节沿导轨向已挖好的土洞内顶进。当顶完一节管时，即顶到留在导轨上的管节长度约0.4～0.5 m时，无论千斤顶是否出程完毕都要停止顶进。此时退回千斤顶行程、拆除顶铁，准备安装新管节，随时测量。

(7)机头出洞。机头推进到距出洞口约1.3 m处凿除接收洞口的墙壁，从接头坑管中心部位打进一根钢钎寻找机头，此时机头的水压表和出浆机水压随之消失，螺旋机也停止了出土，机头电流也变小，接头坑壁开裂向外凸出，这时需仔细测量四个方向无误后关机。启动主顶油缸继续推进至中心刀露头时，停止推进。做好接收准备，安置机头接收托架低于机头3～5 cm，然后吊出机头。

6 顶管施工特殊情况处理

(1)顶进过程中遇到障碍物。为防止顶进过程中遇到较大障碍物，施工前对工程地质条件和环境情况进行周密细致的调查。顶管施工过程中，如遇到小于10 cm的土块或石块，顶管机旋转切盘可以将其打碎并通过输送料盘进行出料。如粒径大于10 cm，输送料盘不能将其从前方土体中输出，应及时注浆减阻，检查堵塞并进行人工清堵。

(2)机头管管口破裂。管道顶进过程时中线、高程发生偏差位移，造成管口破裂。对此需使用20 mm厚钢板制作好的内涨圈安装在机头管管口位置进行加固，管道高程中心在调整时要放缓调整频率，管道勤注触变泥浆，注浆量要满足管道顶力要求。

(3)管道接口渗漏。如果管节和密封材料质量不符合技术标准或在安装顶进过程中管节损坏；管道轴线偏差过大，造成接口错位，间隙不均匀填充材料不密实；接口或止水装置选型不当，都将造成管道接口渗水、漏水。为预防管道接口渗漏，需严格执行管节和接口密封材料的验收制度，严禁使用不合格产品；严格控制管道轴线，必须按“勤纠”“小纠”的原则进行，以避免接口不匀而使胶圈减小止水作用；下管时，需在钢丝绳与管口之间加橡胶垫保护管口；选用与钢管相匹配的橡胶圈，事先检查橡胶圈的质量，临下管前抹好润滑剂，正确安装。

(4)地面沉降与隆起。开挖面取土量过多或过少，都会使机头推进压力与开挖土体压力不平衡；管道轴线偏差，或纠偏不当造成的地层土体损失；管道外围环形空隙(机头外径与管外径之差)引起的地层土体损失，或顶管完成后未置换泥浆造成的土体损失；管道接口不严密，造成的水土流失，都将造成地面沉降或隆起。

针对以上情况，应做出相应防治措施。施工前对工程地质条件和环境情况进行周密细致的调查，制定切实可行的施工方案，正确选用机头，并对距离管道近的建筑物和其他设施采取相应的加固保护措施；设置测力装置，掌握顶进压力，保持顶进压力与前端土体压力的平衡；严格控制顶管轴线偏差，执行“勤测量、勤纠偏、小量纠”的操作方法；在顶进过程中及时足量地注入符合技术标准的润滑支承介质填充管道外围环形空隙，并在施工结束后及时用水泥或粉煤灰等置换触变泥浆；严格控制管道接口的密封质量，防止渗漏。

7 结 语

顶管施工与明挖埋管施工工法相比，具有以下优势：

(1)开挖部分仅仅只有工作坑和接收坑，相对安全且对其他建筑物及交通影响小；

(2)在管道顶进过程中，只挖去管道断面部分的土，挖土及回填工程量都很少；

(3)建设公害少、文明施工程度高；

(4)在覆盖层深度大的情况下，施工成本低。

随着“一带一路”倡议的提出，沿线国家污水处理厂、市政管道等基础设施工程大量建设，顶管施工技术以其独特优势将会得到更广泛的应用。

通过以上对顶管施工技术的分析研究，泥水平衡顶管施工应用于该污水处理厂EPC投标项目中长约230 m的大直径深埋管道是可行的，经初步估算采用顶管施工比明挖埋管施工可节省约600万元，并且该管线与其他水厂建筑物可平行施工，工程施工直线工期不受影响，能够确保项目按期完工。因此确定在本投标施工方案中采用泥水平衡顶管施工。本文以某国外污水处理厂EPC投标项目为例，对投标方案中深埋管施工问题提出了顶管施工方法，并分析了顶管施工的技术要点，其技术分析在类似工程上具有借鉴意义，可供同行参考。