泥水平衡式顶管法在市政污水管道施工中的应用

摘 要：泥水平衡式顶管法具有对土体扰动小、可连续出土、顶进效率高且适用于长距离顶进等优点。本文结合泥水平衡式顶管法在漳州台商投资区角江路污水工程中的实际应用，提出泥水平衡顶管施工技术方案与技术流程，并分析了泥水平衡施工技术要点，包括工作井施工、顶推力计算、后背墙计算、顶管顶进、泥浆减阻措施等，为后续类似工程施工提供借鉴。

关键词：市政污水管道；顶管施工；泥水平衡；顶推力

中图分类号：TU 99 " 文献标志码：A

泥水平衡式顶管法以全断面形式对土体进行切割，通过泥水压力使土体、地下水压力之间平衡与连续出土，可显著减少土体与管道摩擦力，保证土层开挖整体稳定性，防止出现坍塌。本文以泥水平衡式顶管法在漳州台商投资区角江路污水工程中的实际应用为例，对泥水平衡式顶管法应用进行重点研究。

1 工程概况

1.1 项目简介

本项目位于漳州台商投资区，起点位于林美大道与角江路交叉口处，污水管沿角江路敷设，最后接入角江路恒苍小桥处现状污水管。其中，W3～W4段污水管位于角江路南侧已拆迁空地，该段因周边建筑较多，为减少对周边建筑影响，本段污水管采用顶管施工，污水管为Ⅲ钢筋混凝土管DN1000，壁厚t为100mm，长度为139m。管材应符合《顶进施工法用钢筋混凝土排水管》且混凝土强度等级不宜低于C50，接口采用A型钢承口管。采用环氧煤沥青，二底二面，干膜总厚度不小于300mm。

1.2 地质条件

本项目地勘参考《漳州台商投资区角江路（杨厝至林美大道）拓宽改造工程》地勘报告。根据钻探揭露，拟建场地自上而下分述如下。

素填土：分布不均，厚度为0.70～3.30m。主要由黏性土组成，局部含少量砂。褐黄色、灰黄色，松散，稍湿～湿。回填时间约3年～5年，密实度及均匀性差，未经专门碾压处理，尚未完成自重固结。在该层校正后标贯击数为6.0击～10.0击，平均值为7.6击，标准值为6.5击。

杂填土：分布不均，厚度0.60～3.80m。主要由碎石、砖等组成，充填少量黏性土，局部含生活垃圾。褐黄色、灰黄色，松散，稍湿～湿。

淤泥：厚度为0.60～14.80m，系冲海相沉积而成，呈灰色、青灰色，流塑，成份主要由黏、粉粒组成，含少量有机质及少量贝壳，具腥臭味，切面光滑，韧性好，干强度高，无摇振反应，该层属高压缩性软土，力学强度低，工程性能差。

粉质黏土：分布不均，厚度为0.60～4.50m，系冲海相沉积而成，灰褐色、灰黄色，可塑为主，局部硬塑，以粉、黏粒为主，含部分石英质砂砾，干强度中等，韧性中等，切面光滑，无摇震反应，力学强度一般。该层校正后标贯击数为6.60击～16.50击，平均值为11.9击，标准值为11.06击。

粗砂：厚度为0.55～10.55m，系冲海相沉积而成，呈灰褐色，经水流分选主要表现为粗砂，局部为中砂、砾砂等，成份主要为石英砂及少量细颗粒。中密状为主，局部稍密状、密实状。该层校正后标贯击数为6.90击～33.6击，平均值为18.64击，标准值为17.08击。

全风化花岗岩：厚度为1.30～7.80m，褐黄色、灰黄色、灰白色，岩芯呈坚硬土状，原岩结构较清晰，主要成分为石英及未尽风化的长石，手捻可见残留长石颗粒，遇水易软化、崩解。为极软岩，岩体极破碎，基本质量等级为Ⅴ级。该层校正后标贯击数为30.0击～44.8击，平均值为34.29击，标准值为33.39击。

1.3 施工技术方案

本项目顶管施工穿越地层较为复杂，且周边建筑较为密集，为了不影响道路交通及建筑物安全使用，因此采用水泥平衡式机械顶管施工技术，顶管机型号为NPD1800，各项技术参数：最快顶进速度为100mm/min，纠偏角度为2.5°，顶管机外径总长度为2180mm×4200mm，质量为23t。工作井及接收井支护设计采用拉森钢板桩类型，工作井封底使用C30混凝土，浇筑厚度控制为30cm。顶管机机头如图1所示。

2 顶管施工技术

2.1 施工工艺流程

本项目中设计的泥水平衡式顶管施工工艺流程如图2所示。

2.2 工作井施工

本工程顶管施工用井（工作井）共计1口。结构形式采用逆作法护壁。护壁混凝土强度等级为C30，钢筋保护层厚度为35mm。所有配筋均采用HRB400级钢筋，钢筋接头均采用焊接，搭接长度为单面焊10d，双面焊5d，接头应互相错开。在洞口处，必须钢筋截断时，应从孔洞中心处截断，将截断的钢筋与板面垂直，沿洞壁弯入，并与洞边加强钢筋或加强环筋焊接。顶管施工用井采用逆作法，按每米往下分段施工，最长不超过1.0m。

根据设计要求，工作井采用圆形顶坑，开挖井里土体，分层挖深为1.0m，并修整外壁的土模，在井的四周绑扎钢筋，立模板，浇筑混凝土，待混凝土强度达到80%，然后挖土、绑扎钢筋、立模板、浇筑混凝土制作第二节护壁，做第三、四节护壁，直到设计井底。采用人机结合挖土法施工。

逆作法护壁支护结构井作为工作井，净空尺寸为16.21m，每节护壁高1m，侧面为梯形（规格护壁厚度为500mm），工作井剖面如图3所示。

2.3 顶推力计算

本工程W3～W4段污水管为Ⅲ钢筋砼管DN1000，顶距取值为160m，按照公式（1）计算推力F0。

F0=πDLfk+NF （1）

式中：F0为顶推力标准值，kN；D为管道外径，m；L为顶距，m；fk为管道和土层摩阻力，取值为2.5，NF为顶管机顶进阻力，kN[1]。

其中，顶管机顶进阻力的计算过程如公式（2）所示。

（2）

式中：γ为土层容重，取值为18；H0为地面到顶管机中心高度，m，查阅地勘报告为4.05m[2]。

计算得出顶推力标准值F0=1313.22kN。本工程配置2台100t千斤顶，以0.7功效系数计算得出千斤顶的顶推力数值为1400kN，大于顶推力标准值F0=1313.22kN，因此可满足顶管施工要求。

2.4 后背墙计算

本项目后背墙宽为3.5m，高为2.5m，厚为0.5m，设计浇筑C25混凝土。可采用公式（3）计算顶管施工后背墙的标准承载力。

F=σBH （3）

式中：F为顶管施工后背墙标准承载力，kN；σ为后背墙混凝土的抗压强度；为后背墙设计高度，m；B为后背墙设计宽度，m。通过计算得出后背墙标准承载力F=218.75kN[3]。

后背墙土体必须具备足够的抗力，才能保障顶管顶进时墙体安全，因此，后背墙抗力R≥1.6F0，可通过公式（4）计算反力R。

（4）

式中：R为后背墙的抗力，kN；α为系数（1.5～2.5），取值为1.8；λ为土层容重，翻阅地勘资料确定为19 kN·m-3；Kp为被动土压力系数取值为2.6，c为土层内聚力，kPa，翻阅地勘资料确定为18kPa；h为地面到后背墙顶出土层的高度，m，取值为4m[4]。按照上述公式计算1.8×3.5（19×2.52×1.3+2×18×2.5×1.612+19×4×2.5×2.6）=4998.77kN

符合gt;1.6F0（2101.15kN）要求，能保障安全施工。

2.5 顶管顶进

泥水平衡顶管机施工剖面如图4所示。

顶管机进洞是本项目施工的关键环节，先加固洞口并进行密封，始发进洞要合理调整顶进速率。

第一节管道顶进操作：启动刀盘与回水系统，通过千斤顶有序、缓慢顶进，要求速率不超过30mm/min[5]。进入正常顶进状态要启动进回水阀，并将旁通阀关闭，确定泥水仓水压达到正常状态，由千斤顶顶进。第一节管道顶进结束，要将千斤顶、刀盘系统关闭，并启动旁通阀及关闭进水阀。NPD1800泥水平衡顶管机机头即将出洞时，需要将预留孔位置临时性封堵墙拆除，才可继续顶进直至出洞。顶管进、出洞口配筋加固措施如图5所示。

2.6 泥浆减阻措施

触变泥浆可减少顶管与土层摩擦阻力，抑制土层位移与沉降。压浆操作应贯彻“先压后顶”“随顶随压”“动态补浆”基本原则[6]。从顶进管道前端垂直钻设注浆孔，数量为8～10个。为使管节外壁浆套更完整，对顶管机后的节管应安装触变泥浆管，尤其是前3节管节，其余可间隔性安装触变泥浆管，对浆套进行及时有效补浆。触变泥浆由膨润土、水混合制作而成，具体制作流程如图6所示。

2.7 纠偏控制

若顶管机机头偏离设计线路轴线，则必须进行及时纠偏，在操作过程中严格贯彻勤测、勤调以及微动基本原则。顶管机是通过管道激光测量与油缸进行纠偏控制。在顶管顶进过程中，由激光经纬仪进行同步测量，结合测量结果由4组油缸进行随时纠偏。第一节管节顶进，应保证顶管机坐标位置精准。始发顶进，一般进尺0.2m对轴线、高程进行1次测量，正常顶进，一般进尺0.5～1m对轴线、高程进行1次测量，若偏差超出允许值，则立即纠偏[7]。

2.8 通风系统

在长距离管道顶进过程中，人员在管道内要消耗大量的氧气，在掘进过程中遇到一些土层内产生的有害气体，随着顶进距离增加，管内的温度及湿度增加，影响测量的准确性，此时就需要向管内输送新鲜空气。

采用离心式鼓风机通过风管直接向掘进机工作面压入新鲜空气，排除管道内的污浊气体。在地面设置一台4-26-5A型离心式鼓风机（功率为15kW，风量为4293m³/h～

6349m³/h），经ø300mm的PVC维纶布拉链式软风管向掘进机处提供新鲜空气，按一定长度定制拉链式软风筒，通过拉链连接风筒[8]。

将鼓风机安装在地面上，软风管挂设在管道的一侧，挂设平顺无堆积、扭曲、缠绕等现象。软风管须保持完好无破损，发现破损及时修复或更换。不得靠风管安放工具或长杆件，以防供风时杆件伤人。每小时供气量Q：每人每小时供气量K=（30～50）m3/（h·人）×工作人数n（每班人数最多为10人），即Q=500m³/h。供风量较大，且管道内施工人数较少，可以保证施工人员呼吸充足的新鲜空气。

3 验收标准

工作井施工允许偏差及顶管施工贯通后管道允许偏差分别见表1和表2。

4 结语

市政工程是一项民生工程，也是城市建设发展的基础工程。市政污水管道施工需要进行地下开挖，为不影响市政道路及周边建筑物的正常使用，并保障复杂地质安全施工，推荐使用泥水平衡式顶管法。本文以漳州台商投资区角江路污水工程为例，对泥水平衡顶管施工技术应用进行研究，在施工过程中要严格控制工作井施作、顶管顶进及纠偏控制等，以获取更好的经济、社会、环保效益。

参考文献

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