淺析污水頂管橫穿砂層施工技術及控制措施

姚新光+呂云飛

摘 要： 為確保道路平坦、完好、安全通行，在橫穿城市主干道的頂管施工前，應制定一套防止道路下方砂層被超挖的措施。以某污水管道采用頂管工藝橫穿砂層工程為例，對頂管橫穿砂層施工所采取的關鍵技術措施進行探討和總結。

關鍵詞： 污水管；施工技術；控制措施

一、工程概況

某市政污水處理工程設計采用 DN1000 頂管工藝、管道長163m、管底標高為路面下 5.7m，頂管穿越的地質 情況為路面以下 0.71m 為道路結構層、0.71～1.48m 為耕土層、1.48～6.03m 為中細砂層、6.03～12.3m 為中砂層，地下水 埋深 1.1m，為潛層水，滲透系數 k 為 9.28×10-5cm/s，中細砂 的重度為18.5kN/m3 、內摩擦角為 32、內聚力為 2.4（kPa）。為 避免施工對道路交通造成嚴重影響并保護地下管線，本次頂 管施工采用控制頂進速度及泥漿護壁法，防止機頭前方砂層被超挖、管壁外加注觸變泥漿減阻及防止砂層塌陷、洞口外 側高壓旋噴樁加固砂層和提高砂層的抗滲性，保證頂管工程按時保質完成。

二、洞口加固及洞口止水施工技術應用

由于中細砂的內聚力偏小，且孔隙率大易于地下水滲流，為防止頂管機出洞時洞口外砂及地下水滲入工作井，應 對洞口外砂層進行加固和防滲處理。

1、洞口砂層加固

采用單管高壓旋噴樁對洞口外砂層進行門式加固，設計樁徑 50cm、孔距 40cm、沿圓形沉井井壁以設計的頂管軸線為 中心樁樁心，兩側對稱布置 5 根×3 排高壓旋噴樁，其中洞口 位置的 5 根×3 排以洞壁為界上下各旋噴 3m（孔洞位置為過 渡段，僅需高壓旋噴低標號砼固結砂層），其余的高壓旋噴樁 樁長為 7.92m，路面下 1m 為空鉆，高壓旋噴樁合計為 33 根。

采用的工藝參數： 噴嘴直徑 3.0mm （雙噴嘴）、壓力 20.0MPa、流量 193.5L/m、鉆具提升速度 35cm/min、鉆具旋轉 速度 18r/min，預成孔時采用鉆具高壓噴水快速下沉法。漿液 配比：水泥∶水∶早強減水劑∶水玻璃（防滲）=100∶100∶ 2.5∶2。水泥漿液應用 60 目的篩網過濾，以防堵塞噴嘴。水泥 用量 150kg/m（P.O 32.5 普通水泥）。

2、洞口止水裝置

為確保砼管周邊觸變泥漿套完整，并避免洞口上方路面沉陷，應設置洞口止水裝置，防止頂進過程中地下水和觸變泥漿流到工作井中。本工程工作井是內徑 7m 的圓形工作井， 先在洞口做一弓形的鋼筋砼止水墻，以設計的頂管軸線為中心，在洞口周邊打16mm 膨脹螺栓 20 個，環向均布，間距 250mm。先安裝鋼套環，在鋼套環與鋼筋砼墻之間設橡膠止水片止水、用圓環形鋼板固定洞口止水橡膠板、加裝扇形鋼壓板防止橡膠止水板（內徑比鋼筋砼管外徑小 30cm 左右）被擠翻。該鋼套環中心即是洞口止水裝置的中心也是設計管道軸線。這種橡膠 法蘭止水裝置結構簡單， 成本低， 安裝方便。

3、防止頂管機出洞時發生“叩頭”的措施

頂管出洞是頂管頂進的關鍵工序， 一旦頂管出洞技術措 施不當， 將會影響頂管頂進的速度和質量， 甚至造成頂管失 敗。頂管出洞時，頂管機調零。頂管機穿墻時因入土較少，頂 管機的自重僅由兩點支撐， 一點是導軌， 另一點是入土較淺 的土體，這時作用于支撐面上的應力超過允許承載力，為防 止機頭出洞后低頭，在洞口內設置副導軌（用電焊法將槽鋼 通過膨脹螺栓固定在鋼筋砼上），同時將前兩節鋼筋砼管與 頂管機用槽鋼連成整體（將并排的兩根槽鋼一端焊在砼管內 預先設置的槽鋼固定架上，另一端焊在頂管機的肋上），同時將頂管機機頭微抬 4′。

三、中細砂層中橫穿道路的頂管施工技術應用

1、頂進速度的確定

為防止刀盤與前方土體之間出現泥水隔層，造成機頭前 方砂土的塌陷，應控制頂進速度保證刀盤削土量、循環泥漿 進泥量與排泥量保持一個平衡。

根據計算公式[1]：πR2 γv+Q 進 =Q 排

v =（Q 排-Q 進）/πR2 γ

式中：R 為頂管機刀盤半徑 （m）、γ 為頂管機刀盤轉速（ r/min）、v 為頂進速度 （m/min）、Q 進為循環泥漿進泥量（m3 ）、Q 排為循環泥漿排泥量（m3 ）。

根據進排泥管管徑為 10cm， 管道中泥水的流速需大于 臨界流速（2.2～2.4m/s），即排泥量需大于 1.03～1.13m3 /min。 本次施工排泥量取 1.17/m3 /min。在施工中， 將頂進速度控制在 2.72cm/min，頂速通過調節主頂液壓站油 壓來控制主頂千斤頂每分鐘伸出量，達到控制頂進速度。

2、進排泥壓力控制

在頂管泥漿循環系統中，通常排泥泵功率、排泥管固定不變，保證泥水倉壓力主要是通過變頻器控制進泥泵電機的轉速，達到控制進泥的流速、流量來實現； 頂管機停頂間歇通過開啟旁通閥，實現泥漿的小循環，保證泥水倉的壓力。

循環泥漿的作用： ①護壁作用，在挖掘 面形成泥皮，防止機頭前方砂層塌陷并減少地下水向泥水倉滲透； ②攜渣作用，泥漿必須是一定濃度的懸濁液，才可能把顆粒狀的固體攜帶出。根據經驗經現場調試，水與陶土的比 例取 1∶0.2，實際施工中根據沉泥槽的出泥粘度調整泥漿的配比，控制在 1∶0.2±0.05，以保證挖掘面的穩定。

3、頂管機機頭迎面土壓力的設置

為防止頂管機的機頭刀盤超挖迎面砂土，需設置合理的 頂管機迎面阻力 NF，減小施工對土體的擾動。公式為：

NF=π/4×Dg 2 ×γ×H

式中：NF - 頂管機迎面阻力、Dg - 頂管機外徑、γ- 土的重 度（kN/m3 ）、H- 管頂覆土厚度（m）。 計算得 NF=108.5kN，1.2 倍的 NF=130.2kN，將機頭迎面阻 力設為 130.2kN。實際操作時按土壓力表顯示的數值和刀盤位移的具體情況，適當調整壓力表的數字，達到合理的防超 挖壓力值。

4、頂管施工中注漿減阻措施

在砂層與鋼筋砼管之間形成減阻的 觸變泥漿潤滑套，一是潤滑作用：將鋼筋砼管與砂層間的干 摩擦變為濕摩擦， 減小頂進時的摩擦阻力； 二是填補和支撐 作用，漿液填補施工時管道與砂層間產生的空隙，使隧洞變得 穩定。因此，潤滑泥漿必須具有足夠高的運動粘滯度，以阻止 潤滑泥漿滲入土層流失掉，便于形成封閉的完整有效的泥漿 套，泥漿的粘度須大于 30s，比重為 1.1～1.16g/cm3 。

第一，D1000 的 Telemole 頂管機外徑比鋼筋砼管的外徑大 4cm， 使管道與周圍土體之間產生空隙，糾偏也會加大原有 空隙的間隙。因此在頂管頂進的軸線軌跡中存在各種各樣的 空隙。

第二，選材及觸變泥漿的配比、設備的選用。注漿材料采用 捷鉆（Super gel- X）優質鈉基膨潤土，該型膨潤土添加了多 種聚合物能有效提高泥漿的懸浮性、護壁性及潤滑性能，具 有高造漿率（是普通膨潤土的 2～3 倍）、高懸浮性、高粘性、 高潤滑性和低漏失量。

四、結束語

綜上所述，頂管施工技術在我國市政道路中得到了有效的應用。為了確保道路施工的質量，提高市政的安全系數和使用壽命，就要求施工人員加強對施工質量的管理和監督，對頂管施工的路線和施工工藝進行科學合理地設計，這樣以來就確保頂管施工在規定的工期內完工。 ■

參考文獻

[1] 姚旭君. 復雜條件下市政道路工程污水管網暗挖頂進施工技術[J]. 四川水力發電. 2013（05）

[2] 侯丹丹. 砂土地層污水管道頂管施工土體變形規律及處治研究[D]. 長安大學 2014

[3] 蘇東劍.探討污水頂管施工技術與質量控制[J].市政工程，2010（23）：14.