簡述管道鋪設中的泥水平衡式頂管施工技術

王 斌

(中國葛洲壩集團第二工程有限公司,四川 成都 610091)

1 工程概況

深圳市橫崗污水處理廠廠外配套污水進水總管工程，起點為一期工程進水泵房前進水檢查井，沿龍崗河河邊平土區敷設DN1800F型鋼筋混凝土管道，至橫崗污水處理廠二期工程進水泵房前進水總井。該工程需頂管施工約600 m，管道采用鋼筋混凝土膠頂管(內襯PVC)，鋼筋混凝土膠頂管采用套環接口。頂管工作井、接收井分別為φ7500、φ4000圓形鋼筋混凝土井，采用沉井法施工。

該施工段地基底巖石以侏羅系砂頁巖為主，地表廣為較厚的第四系沉積物覆蓋。地下水量、水位隨季節變化明顯，水量較豐富，地下水穩定水位均高于頂管頂面。根據鉆探資料，管底所在的土層主要以粘性土或全風化砂頁巖為主，局部為礫砂和粉細砂。粘性土與全風化砂頁巖滲透性較弱，均為相對隔水層。

2 頂管施工機械選型

根據地質資料，全風化砂頁巖和礫砂中含有較大卵石，為確保進度及質量萬無一失，故選用帶有二次破碎功能且地面沉降小的NPD1800泥水平衡式頂管機。該機裝有偏心回轉破碎機頭，且具有可分割性，除具有刀盤旋轉對土層進行剪切破碎能力外，還具有刀盤偏心回轉破碎礫石的能力，還可防止黏土堵塞進泥口，在頂進中不必更換刀盤即能在黏土、沙礫直至軟巖地層中頂進。另外因該機頭裝有RGS方向修正誘導裝置，通過觀察操作上激光投影板上的激光光點的移動情況，即可判斷出產生偏差的方向和大小，并通過操縱糾偏系統方便的進行全方位的糾偏，頂進精度高，偏差可控制在±5～10 mm以內。

該機頭采用切削法頂進、棄土排放用泥水為載體的方法，不會使周圍土體被擠壓至密，造成土壓增高而引起的表面隆起。在施工中，當頂力過大或過小時，該機可通過調節排泥量和頂進速度來調節頂力平衡土壓力，達到控制因此而產生的地面沉降。該機在施工中不用降水，并且由泥水壓力來平衡地下水壓力，使地下土層體保持相對穩定，從而控制了因地下水流失而引起的地面沉降。

3 泥水平衡式頂管工作原理

在工作井完成后，頂管掘進機安裝就位至導軌上，微型掘進機被主頂油缸向前推進，掘進機頭進入止水圈，穿過土層到達接收井，電動機提供能量，轉動切削刀盤，通過切削刀盤進入土層。挖掘的土質，石塊等在轉動的切削刀盤內被粉碎，然后進入泥水艙，在那里與泥漿混合，最后通過泥漿系統的排泥管由排泥泵輸送至地面上。在挖掘過程中，采用土壓平衡裝置來維持水土平衡，始終處于主動與被動土壓之間，達到消除地面的沉降和隆起的效果。當掘進機完全進入土層以后，吊下第一節頂進管，它被推到掘進機的尾套處，與掘進頭連接管頂進以后，挖掘終止、液壓慢慢收回，另一節管道又吊入井內，套在第一節管道后方，連接在一起，重新頂進，這個過程不斷重復，直到所有管道被頂入土層完畢，完成一條永久性的地下管道。

掘進機掘進過程中，采用了激光導向控制系統。位于工作后方的激光經緯儀發出激光束，調整好所需的標高及方向位置后，對準掘進機內的定位光靶上，激光靶的影像被捕捉到機內攝像機的影像內，并輸送到挖掘系統的電腦顯示屏內。操作者可以根據需要開啟位于掘進機內置式油缸進行伸縮，為達到糾偏的目的，調整切削部分頭部上下左右高度。

4 頂管施工程序

施工順序為：測量引點→工作井施工→測量放樣→井下導軌機架、液壓系統、止水圈等設備安裝→地面輔助設施安裝→頂管掘進機吊裝就位→激光經緯儀安裝→掘進機出工作坑→正常頂進→頂管機進接收坑。

5 現場頂管設備安裝及泥水系統的布置

5.1 后靠背

為使分散的主頂千斤頂各油缸推力反力均勻的作用在工作井的井壁上，先在工作井內千斤頂后方位置澆筑一堵弧形后座墻，再在后座墻與主頂油缸尾部墊上一塊70 mm厚鋼制后靠背，鋼板平面尺寸為2.2 m×2.4 m。后靠背壁面應平整，并與管道頂進方向垂直，盡量保證后靠背的中心與頂管軸線相重合。

5.2 導軌及后頂等設備的安裝

導軌采用38 kg/m的鋼軌制作，固定在沉井底板預埋鋼板上，其要求確保導軌中心線和頂管走向軸線在一條直線上，等高或略高于該處管道的設計高程，其縱坡應于管道的設計一致。導軌是支托未入土的管段和頂鐵，起導向作用，故導軌的安裝精度要求高。導軌安裝時要反復校核，使中線、高程、坡度務必符合設計要求。安裝時導軌在豎直方向和導軌軸線方向調整好后再精調導軌的高程，最后支撐導軌至井壁上。根據實際情況填塞C15-C30混凝土至井壁到后靠背的間隙，后方頂的安裝在后靠背的安裝完畢后進行，抄平后頂后只要保證所有千斤頂后平面貼實后靠背既可固定。導軌安裝完畢后需在預留洞口內安裝副導軌，副導軌的軸線以及高程均與主導軌保持一至，此副導軌用于防止機頭進洞后低頭，見圖1(導軌、副導軌安裝示意圖)：

增高裝置可根據機頭重量以及增高量選擇枕木，鋼支架或混凝土墊層。

洞口止水裝置的安裝，應保證除止水圈外最小直徑大于進洞物最大直徑的8 cm，防止受到進洞物的剪切而失去止水效果，位置確定后可用水泥砂漿封堵與井壁形成的間隙，防止從間隙處漏水、漏漿。

圖1 導軌、副導軌安裝示意圖

5.3 主頂系統

后座主推油缸4只200T千斤頂，均安裝在牢固型鋼支架上。4只千斤頂合力中心應在混凝土管中心偏下一點，約低管道半徑的1/5～1/4，確保頂進受力時處于良好狀態,千斤頂的油路并聯，每臺千斤頂均有進油、退油的控制系統。

5.4 泥水系統的布置

泥水系統包括泥水輸送(平衡)系統和泥水處理兩大部分。泥水輸送(平衡)系統具有兩大功能：一是通過加壓的泥水來平衡開挖面的土體，二是將刀盤切削下來的土體在泥水倉中混合后通過泵送經泥水管路輸送到地面。泥水處理系統的主要功能是通過泥水處理設備的處理后，將泥水的比重和粘度等指標調整到比較合適的值，通過泵將其送到頂管機中使用，同時將排泥管排放的泥水進行分離，將可重復利用的粘性顆粒送入調整槽中處理后加以利用，其余部分作棄土處理。

泥漿池應盡量靠近工作井邊，可以減少排泥管路過長而且產生的管路摩阻力，泥漿池可用并聯法，見圖2。

沉石箱的配置可沉淀塊狀物，防止塊狀物直接進入排泥泵引起排泥泵堵塞和損壞。注漿系統應盡量使用螺桿泵以減少脈動現象，漿液應保證攪拌均勻，系統應配置減壓系統，在泵出口處1 m外以及機頭注漿處各安裝一只隔膜式壓力表。

圖2 泥水系統示意圖

6 頂進工藝

6.1 頂力計算及中繼間設置

F=F1十F2

式中F為總推力；Fl為迎面阻力；F2為頂進阻力。

F1=π/4×D2×P

式中D為管外徑2.18 m；P為控制土壓力。

P=Ko×γ×Ho

式中Ko為靜止土壓力系數，一般取0.55；Ho為地面至掘進機中心的厚度，取最大值11 m；γ為土的濕重量，取1.9 t/m3

P=0.55×1.9×11×9.8=112.7 kN/m2

F1=π/4×2.182×112.7=420.7 kN

F2=πD×f×L

式中f為管外表面平均(根據頂進距離平均沙礫土)綜合摩阻力，根據以往施工經驗和有關規范所示數據，混凝土管節在使用觸變泥漿減阻措施頂進時的管壁側面摩阻力為0.3～0.5 t/m2。本處取0.5 t/m2；D為管外徑2.18 m；L為頂距。

根據設計要求，頂管段容許頂進力5 000 kN

F2最大值為5 000-420.7=4 579.3 kN

則允許最大頂進長度L=F2/(π×2.18×0.5×9.8)=136 m 。

本工程最長管段G1-S2段也只有108 m，故本工程頂管無需設置中繼間。

6.2 穿墻及出洞方案

穿墻即打開穿墻悶板將工具管頂出井外，并安裝穿墻止水裝置。具體為在一切設備調試正常后將工具管推至距悶板10 cm處并將臨時止水裝置安裝在工具管前方，悶板開啟后，將工具管快速頂進穿墻管，即緊固臨時止水裝置，待頂至泥漿環時撤除臨時止水安裝永久止水裝置。同時應配備足夠農用泵和潛水泵以備井內抽水。

沉井制作下沉時，預先在洞口內用黃泥和石灰均勻拌和，填充在穿墻孔內，井內用鋼封門堵住，強度控制在刀盤容易切削，又不產生塌方。

為防止出洞口及頂進過程中泥水壓力過大涌入工作井內，在洞口內預先安裝一個單法蘭穿墻鋼套管，用于安裝橡膠止水圈及止水封板。由于頂進距離長，造成管材表面及F型鋼套環、砂等對橡膠止水圈不可避免的磨損，需經常更換橡膠止水圈。因此，我們在洞口里側增加一道橡膠止水圈，當需更換外部橡膠止水法蘭時，洞口內部的橡膠止水圈可防止地下水進入井內。

6.3 頂進調試及土體取樣

頂管下井前應作一次安裝調試，油管安裝先應清洗，防止灰塵等污物進入油管，電路系統應保持干燥，機頭運轉調試各部分動作正常，液壓系統無泄漏。

機頭下井后刀盤應離開封門1 m左右，放置平穩后重測導軌標高，高程誤差不超過5 mm，即可開始鑿除磚封門，磚封門應盡量鑿除干凈，不要遺留塊狀物，同時可進行土體取樣工作，使用φ100，L=500 mm的兩根鋼管在洞口上下部各取長400 mm的土樣，取樣工作完成后隨即頂機頭，使機頭刀盤貼住前方土體。

本機頭屬于刀盤不可伸縮型，機頭的土壓控制主要通過頂速來調節，每次初頂時先調節好送水壓力，然后打開機內止水閥，轉動刀盤，關閉機內旁道，待流量達到額定值的80%時既可開始頂進，送水壓力可通過機內壓力調節既可完成。

6.4 頂進過程中的方向控制

頂進的過程實際上也是不斷糾偏的過程，由于機頭本身所具有的方向誘導裝置，操作員只要通過糾偏動作，始終保證激光點在二號光靶的中心即可。初始推進階段，方向主要是主頂油缸控制，因此，一方面要減慢主頂推進速度，另一方面要不斷調整油缸編組和機頭糾偏；布設在工作井后方的儀座必須避免頂進時移位和變形，必須定時復測并及時調整；頂進糾偏角度應保持在10’～20’不得大于0.5°，并設置偏差警戒線。

在頂進過程中，由于機頭重量較大，長時間的滯留會造成機頭沉降，軸線發生偏差；或已頂好的管子周圍土體固結，使得摩阻力增大。因此，在開始頂進前，需確保管材等在現場應備有足夠余量。

6.5 注漿減阻

長距離頂管施工中，頂力控制的關鍵是最大限度地降低頂進阻力，而降低頂進阻力最有效的方法是進行注漿。注漿使管周外壁形成泥漿潤滑套，從而降低了頂進時的摩阻力。在管道上預埋壓漿孔的設置要有利于漿套的形成。壓漿方式要以同步注漿為主，補漿為輔。注漿通過注漿泵進行，管道分總管和支管，總管安裝在管道內一側，支管則把總管內壓送過來的漿液輸送到每個注漿孔上，在注漿孔中設置一個單向閥，使漿液管外的土不能倒灌而堵塞注漿孔，從而影響這漿效果。注漿流程為造漿靜置(24h)→注漿→頂管推進(注漿)→ 頂管停頂→停止注漿。

7 結 語

(1)本工程施工中，管道需穿越各類障礙物，如道路、建筑物和構筑物等，對此，我們采用地下頂管的方式以避免大開挖，泥水平衡頂管施工對管體周圍的土體擾動也小，較適宜于長距離的管道施工，相對于開槽埋管從社會效益與經濟效益上來講更具優越性。只要在施工前要進行充分的準備,先進行地下管線的探測、地層土質情況的調查、頂進軸線的設定以及減阻泥漿的配置,泥水平衡頂管技術在各種管道鋪設中的應用將更加廣泛。

(2)頂管適用的土層很廣，特別適用于粘土和粉土，也適用于砂石、卵石、碎石、風化殘積土等土質。頂管施工跟地質情況密切相關，正確地選用施工機械和進行施工過程控制是整個工程成功的關鍵。在施工過程中要考慮施工的安全性和施工的連續性，加強對施工過程中的監督管理,抓住關鍵問題和重要工序,嚴格遵守設計及施工規范技術標準杜絕質量、安全問題。