泥水平衡式顶管机市政管道施工技术应用

2022-08-05邢晓东夏永豪周星宇卢国营

中国新技术新产品 2022年8期

邢晓东夏永豪周星宇卢国营马勇

（中电建路桥集团有限公司，北京 100000）

1 工程概况

该项目位于台山市大江镇公益圩。计划铺设生活污水管网总长度为11200m，其中顶管总长5050m采用III级钢筋混凝土管。台山市属亚热带季风气候，该地常年雨水量丰富，施工点地下水位较高，其中大江镇公益圩场地内及其附近有密集的坑塘、沟渠分布，坑塘内水深0.5m～1.0m，北侧紧邻谭江。

2 泥水平衡式顶管施工技术

2.1 基本原理

该技术原理是以刀盘在行进面对开挖面土体进行全断面切削，通过注入一定压力的泥水与掘进区域内的水土压力达到动态压力平衡，再利用泥水输送弃土的机械式顶管作业。泥水在压力作用下渗透进土壤中，渗透的泥水能在开挖面外圈形成一层泥皮。泥皮形成之后能阻止泥水继续向土壤内部渗透，同时在泥水压力作用下泥皮能防止开挖面发生垮塌。

2.2 施工工艺流程

顶管施工主要流程包括施工准备、顶管出洞、推进、顶管进洞、设备拆除、测量及洞口处理。具体施工工艺流程如图1所示。

图1 施工工艺流程图

2.3 主要施工工艺操作要点

主顶系统安装应按如下步骤进行。测量放线→导轨安装→后靠背安装→安装主顶油缸。

主顶系统安装时应注意以下2点。1）测量放线须按规范严格控制误差值，保证顶进轴线的精度，导轨坡度须按设计进行设置。导轨安装轴线偏差≤3mm；顶面高差0～+3mm；两轨间距±2mm。2）导轨设计安装。结合该项目情况，顶进导轨使用型号为25b双榀槽钢进行焊接，根据测量放出的坐标位置，用25t的汽车吊把导轨放入位置，须注意导轨连接的可靠度，保证导轨安装的有效性。

以施工段落W29～W30为例进行计算，该施工段落使用DN500管，最长顶进距离为70m。管道按设计穿越素填土和淤泥质土，采用泥水平衡式顶管施工工艺。推力计算公式如下。

式中：为总推力，为迎面阻力，为迎面阻力。

式中：为土的容重，根据地勘资料查得19kN/m³，为管外径，为0.6m，为覆土厚度，根据地勘报告查得为5m。

式中：为管外表面综合摩阻力，该段落土质为杂填土或淤泥，取5kN/m，为管外径，为0.6m，为顶进距离，70m。

=3.14×0.6×5×70=659.4 kN

单管总推力F=F1+F2=26.85+659.4=686.25 kN

后背墙受到顶力作用下发生压缩变形，同时给与顶管机一个支座反力，当顶力卸载后变形应恢复且后背墙未被破坏，为了保证施工质量，保障安全，施工前应对后背墙进行强度及刚度验算。后背墙受力示意图如图2所示。

图2 后背墙受力示意图

后靠背受力如公式（2）所示。

式中：为总推力的反力，为系数（在1.5～2.5），此处取2.0，为后座墙的宽度，此处取2.5m，为土的容重，根据地勘资料查得19kN/m³，H为后座墙的高度，此处取2.5m，为被动土压系数 tg²（45°+/2），一般取 30°，为土的内聚力，根据地勘资料查得18 kPa，为地面到后座墙顶部土体的高度，此处取5m。

由计算结果可得，工作井加护套后能承受5603.75kN的顶力＞实际顶力686.25 kN，满足施工要求。同理可对每段段落进行复核，求得的结果均能满足现场施工要求。

顶管机各系统组装完成后，先对单个系统进行调试运转，如有问题及时查找原因并修复，使系统正常运行。

顶管机调试过程中应注意以下2点。1）调试主顶油缸时，位于主顶油缸内的2个千斤顶应一起作用。2）油路必须采用并联，每台千斤顶均应该配置独立控制阀，操作千斤顶伸出的最大行程不应大于油缸行程的10cm左右。

在正式顶进施工前需进行试顶进即顶进试验段，该项目中选取W7-W9段为试验段，长度为33.47m。通过试验段提高施工人员与现场设备及环境的契合度，保障顶管施工顺利进行。

顶进施工应注意以下3点。1）顶管机顶进试验段设置在第一个顶进段。2）对试验段推进施工中的各项参数进行记录，并将顶管机的操作方法熟练掌握。3）施工中实时监控地中位移、地表隆陷等数据，根据反馈的数据分析不同地质条件下推进过程对地层产生的位移影响，及时反馈及时调整。

在试验段W7～W9中，顶管施工从W7始发井开始依次经过1#～3#监测点到达W9接收井，共计3个沉降监测点，经过5个月对3个监测点进行沉降观测，监测结果如图3所示。

由图3可知，3#监测点土质情况比1#、2#点差，沉降速率快，3个观察点累计沉降值均在7mm以内并已趋于稳定，沉降值在允许范围内满足施工要求，顶进实验成功。现场管理人员可根据实时沉降监测数据对顶管的顶进推力、顶进速度等进行及时调整，确保顺利顶进，必要时可对局部监测点加密布置。

图3 顶管井沉降监测累计值

在试顶进顺利结束后，对期间的数据进行分析，此时再开展正常顶进工作。

正常顶进时应注意以下2点。1）顶进过程中，开挖面土被切削下来的土体要先进入泥土仓内进行破碎处理、搅拌，之后通过排泥系统把渣土输送至地面泥水分离系统，粗粒径砂石经过分离排出，泥浆沉淀后进行无害处理。2）泥浆水可通过回流管道被输送至泥土仓内再利用。在一节管节完成顶进后，缩回至主千斤顶，并吊放下一节管，在防水装置完成安装并通过检验后，往钢筋混凝土管承口安装环形顶铁，并在混凝土管表面涂一层防腐材料及润滑剂。3）顶进到达千斤顶的最大行程后，千斤顶卸力，顶铁安放好后继续开始顶进，循环工作，直至一个顶段掘进完成。

内容如下。1）触变泥浆对减少摩擦有2个方面的作用：一方面降低钢筋混凝土顶管与外壁的摩擦阻力，使顶进阻力变小；另一方面是有效抑制地面产生位移沉降。压浆中原则要做到“先压后顶、随顶随压、及时补浆”。2）在顶进机每节管道的前端合理布置触变泥浆注浆孔，根据该项目中管径大小设置4个泥浆注浆孔，呈90°布置。为保证管节外壁浆套的完整，顶管机后面每节管都应设置触变泥浆管，至少设置4节管节。之后的管节间隔3节管设置一道触变泥浆管道设备，用于对浆套进行补浆。

管道顶进施工完成后，为防止管道在后期使用中产生沉降，导致道路出现裂缝、沉降等不良情况，将顶进施工过程中的触变泥浆使用适合的惰性浆液（水、砂、粉煤灰、膨润土、消石灰以及减水剂）进行置换。置换方式使用压注触变泥浆的管路和系统。

置换泥浆时应注意以下2点。1）压注顺序应以第一节管开始依次向后压注。对前一节管压注惰性浆液时，后续管节应开启压浆孔，从而让原有管路在惰性浆液产生的压力作用下将触变泥浆通过后续管节的压浆孔被替换。2）当后续管节的注浆孔内开始流出的为水泥浆并具备一定的压注压力时，可以停止压注前段管节的水泥浆，保证触变泥浆完全被惰性浆液置换。

3 泥水平衡式顶管施工技术重难点

3.1 顶管穿墙

顶管穿墙在顶管施工中属于难点，因此对顶管穿墙的技术质量控制应足够重视。1）施工人员应当结合顶管穿墙的工艺质量要求，对现场做好勘察记录工作，再对现场施工中记录的各类参数数据进行综合分析，科学的制定穿墙施工方案，为顶管穿墙施工工艺的应用，提供科学的方案支持，明确顶管施工流程。2）根据现场实际过程中的施工需求，确认止水板的位置，对后续施工的正常开展提供良好的支持。最后，施工人员在顶管穿墙施工结束后，应当做好现场管道的检查工作，确保现场管道的完整，以保证施工质量。

3.2 顶管出洞

在顶管施工过程中，容易出现出洞偏斜的问题，导致顶管施工质量受到影响。施工单位应当结合施工质量保证需求，利用专业的工具，科学调整顶管施工路径，以确保出洞作业符合要求，不仅可以提高顶管施工的效率，还可以规避部分施工问题，有助于提高顶管施工质量。

3.3 注浆减阻

顶管施工技术的关键就是注浆，施工单位应做好顶管施工注浆工作，有助于促进市政工程建设效果的提高。因此，施工单位在进行注浆的过程中，应当基于控制泥浆损失的需求，合理进行降压处理工作，从而保障顶管施工顺利推进。

3.4 顶管纠偏

顶管施工中刀盘切削土层过程中产生的扭矩主要与顶管机壳体与土层之间的摩擦产生力矩达到力矩平衡。，当2个力矩无法平衡时，顶管机将由扭矩产生的力发生滚动偏差。如果滚动幅度过大会导致激光靶无法保持在正常位置，对纠偏、测量以及出土造成不利影响，顶管轴线也会因此产生偏斜。

方向偏差如下。1）顶进施工中由于顶进千斤顶在各个部位设定参数时出现偏差，造成顶进方向产生偏差。2）由于开挖面土体的性质存在差异，也易产生方向偏差。即使开挖中土体性质十分均匀，由于顶管机自重对其自身产生向下低头的趋势，也会对方向有一定影响，因此在顶进施工中，应密切监测控制竖直方向产生的误差，对偏差值及时修正，控制顶进方向偏差不超出允许范围。