泥水平衡式掘進頂管施工技術在市政公路施工中的應用

張 友 坤， 何 靜

(中國水利水電第十工程局有限公司,四川 成都 610072)

1 概 述

樂山市青江新區基礎設施建設BT項目中的樂山市新一中片區道路、黑橋至王河園竹公溪道路工程——竹公溪污水干管工程是樂山市重點城區市政建設項目之一，該項目位于樂山市王河村與盤龍村之間城市的主要徑流——竹公溪的西側，全長1 662.442 m。該污水干線全線采用管徑為DN1000的二級鋼筋混凝土管，管道埋深5.5～10 m，坡度為0.08%，自北向南順坡排入柏楊西路污水主干管。

鑒于該工程周邊環境復雜，經綜合考慮工期、成本、安全文明施工等因素，竹公溪污水干管工程(WS1～WS9段)及(WS35～WS38段)采用泥水平衡式掘進頂管施工以盡可能地減少對周邊居民、商鋪、淺埋管線的影響。已有的地勘報告顯示，頂管施工段WS1～WS9段地層以中等風化的泥質粉砂巖為主，(WS35～WS38段地層以細沙層為主，滿足頂管施工的適用條件。

2 泥水平衡式掘進頂管與常規施工方法的對比分析

泥水平衡式掘進頂管避免了常規明挖施工的場地具有開挖量大、影響范圍廣、溝槽開挖深等缺陷，克服了傳統明挖依賴天氣狀況、拆除掛線、構筑物較多等不足，其施工具有快速低耗、高效節能、低碳環保和安全優質的效果，應用了一系列創新施工技術，具有如表1所示的特點。

2.1 泥水平衡式掘進頂管具有的功能特點

(1)頂管機頂進、破碎處理一體化，無需任何輔助工藝。

(2)機內旁通裝置標準化，大大縮短了安裝時間并能防止泥水管道的阻塞。

(3)激光反射型方向誘導裝置能使操作簡單而精確。

(4)適用土層范圍廣，頂管距離長。

2.2 泥水平衡式掘進頂管具有的施工特點

(1)地質方面：適用于各種黏土和N值描述的土質范圍；一般適用于土質較均勻的地質情況。

(2)水文方面：適用于管道附近存在江河、湖泊及地下水位較高、波動大的地層。

(3)覆土方面：一般情況下，頂管覆小于50的砂土；適用于礫徑小于20 mm、礫石含量不大于30%的覆土；具有破碎功能的頂管機土的深度不小于3 m或1.5倍管材外徑，否則應采取相應的技術措施。

表1 泥水平衡式掘進頂管與人工頂管施工的優、缺點表

(4)管材方面：足以抵抗管道的內、外侵蝕；能夠承受一定的靜、動荷載；能夠承受管道的內外部壓力；具有良好的過流能力；具有較高的軸向承載、傳遞能力且在發生一定角度偏轉的情況下仍能保證較好的防水能力；具有緊密的配合尺寸；端部平整、垂直；在管道長度方向能保證平直度；防水接頭應設置在管材內壁，不能設置在管材外壁。

根據以上對比分析后最終決定該工程采用泥水平衡式掘進頂管的方式進行施工。

3 工藝流程及操作要點

3.1 施工工藝流程

施工工藝流程見圖1。

3.2 工作井的施工

(1)準備工作。將工作井及接收井現場場地進行平整、測量、放線，確定井區范圍的障礙物。

(2)基坑的開挖。開挖方法為：測量、定位后，根據頂部圈梁的標高、井身的分層開挖、分層進行鋼筋混凝土護壁施工，待上部井身強度達到70%后進行下節井身的開挖。如果土質較差，需每3m設置一道鋼筋混凝土圈梁。倒掛井施工至井底深度后，鋪設10 cm厚C35、防滲等級為W6級的素混凝土墊層，墊層施工結束后，再澆筑50 cm厚C35、防滲等級為W6級的鋼筋混凝土。井壁澆筑50 cm厚的C35、防滲等級為W6級的鋼筋混凝土。將單層開挖深度控制在2 m范圍內。

圖1 施工工藝流程圖

(3)工作井施工。該工程受場地限制，工作井施工采用沉井工藝。

沉井制作順序：場地平整——放線——挖土2～3 m——夯實基底、抄平放線驗線——鋪混凝土墊層——綁扎鋼筋——支刃腳、井身模板——混凝土澆筑——養護、拆模。

①施工坑的開挖。沉井在基坑中制作以減少下沉深度，降低施工作業面。考慮到拆除模板和支模的需要，將基坑設計的比沉井寬1～2 m，采用周圍降水，配合人工修坡和平整坑底，挖出的土方用自卸車運至棄土場堆放。

②刃腳的支設。對于高度較高、重量較大、地基強度較低的沉井，可以采用墊架法支撐。將刃腳鋪設在混凝土墊層，采用鋼模或木模進行刃腳模板的安裝。

③模板的支設和鋼筋的綁扎。沉井模板的支設、鋼筋綁扎同其他結構施工相比，一定要充分考慮到地基的承載力，因此，一定要均勻對稱施工，以防止產生不均勻沉降。

沉井壁應留有預留管道連接孔洞，應提前采用M5.0磚砌封閉洞口，待沉井到位后，拆除磚砌封堵。

④混凝土澆筑。混凝土一般采用商品混凝土，泵送入倉。采用分層平鋪法沿井壁均勻澆筑，每次的澆筑厚度為30 cm，將沉井沿周邊分為若干段進行澆筑，保持兩側均勻下料，2 h內完成一層的澆筑。

⑤沉井下沉及速度的控制。根據土質情況，采用臺階開挖、自重下沉的方式，從中間向四周開挖，均勻對稱進行，將每層的開挖深度控制在40～50 cm，刃腳處留1.2～1.5 m寬的土垅，之后采用人工逐層全面、均勻、對稱地對土層進行削薄，直至土垅因井壁自重而擠壓破壞，從而實現沉井下沉。

⑥沉井封底。當沉井到達設計標高后，經2～3 d觀測不再發生沉降后，即可進行沉井封底。封底時一般先鋪設50 cm左右的碎石或卵石層，之后澆筑混凝土進行封底。為保證工作井內無滲漏、積水等情況，需要對井底采取抽排水措施。在井內設置排水溝及集水坑，時刻觀測井內的滲、排水情況以保證頂管施工正常進行。

3.3 進洞措施

進洞前，先在洞口處安裝止水帶，其作用是防止頂管機進洞時正面的水土涌入工作井內，另一個作用則是防止頂進施工時壓入的減阻泥漿從此處流失，以保證能夠形成完整有效的泥漿套。

在預留洞內接長頂進導軌并做好限位塊。將頂管機頂入止水帶內，在測量監控下頂管機繼續頂進至主頂行程伸足。在頂管機尾部燒焊限位塊，防止主頂千斤頂縮回時頂管機在正面土體作用下退回。縮回主頂千斤頂，吊放管節，千斤頂就位后割除限位塊后繼續頂進。進洞后，頂管機和其后的過渡管節用鋼板連在一起，形成一個整體。

(1)進洞后的頂進施工。頂管機進入原狀土后，為防止機頭“磕頭”，宜適當提高頂進速度，使正面的土壓力稍大于理論計算值，以減少對正面土體的擾動及出現地面沉降[1]。

頂管機徹底進入洞門后，需檢查洞口止水裝置是否損壞，如有損壞，應立即整修，以確保泥水、漿液不外漏[2]。

(2)進洞段的各類施工參數。頂管機從工作井進洞后，應盡量減少水土流失，控制好地面沉降。應不斷根據地面沉降數據的反饋進行參數調整，及時摸索出正面土壓力、出土量、頂進速度、注漿量和壓力等各種施工參數最佳值，為正常段施工提供服務。

3.4 管道頂進

掘進開始、微型掘進機被主頂油缸向前推進，掘進機頭進入工作井預留洞口的止水圈，嚴格按照設計圖紙上的線路軸線和標高并符合設計規范要求穿過土層到達接收井。在穿過土層時，電動機提供能量轉動切削刀盤，通過切削刀盤進入土層。挖掘出的土質、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。在挖掘過程中，利用平衡原理，采用復雜的土壓平衡裝置維持水土平衡，以至于其始終處于主動與被動土壓之間以達到消除地面沉降和隆起的效果。掘進機完全進入土層后，其電纜、泥漿管應被拆除。吊下第一節頂進管并將其推到掘進機的尾套處，將電纜、泥漿管連接到液壓系統重新開始工作，管道頂進以后，挖掘終止、液壓慢慢收回，另一節管道又被吊入井內，套在第一節管道后方，與其連接在一起，重新頂進，不斷重復該過程，直到所有管道被頂入土層完畢，最終完成一條永久性的地下管道[3]。

3.5 掘進導向

掘進過程中，采用先進的激光導向控制系統控制管道的軸線和管內底標高。位于工作井后方的激光經緯儀發出激光束，在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。激光靶的影像被捕捉到機內攝像機的影像內并被輸送到控制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，調整切削部分頭部的上下左右高度以達到糾偏的目的。在整個掘進過程中，甚至可以獲得控制整個管道水平、垂直向3 cm內的偏離精度。

泥水平衡式頂管的管材采用鋼筋混凝土鋼插口管，其一端由一個凹形接口、鋼環套、木質墊圈組成，另一端為一個凸接口、密封圈。當兩者連接在一起時，形成一個密封永久的管接口。整個管材外表面光滑(使用前，在鋼插口管的外壁涂上一層潤滑油或打蠟)，在穿越土層時以減少摩阻力，通過夾木墊圈緩沖兩管端之間的負荷，以降低局部擠壓所形成的壓力差[4]。

3.6 液壓系統

主頂液壓系統提供所需的推進力用以移動頂管，頂管所需的推進力均由該系統提供。主頂液壓系統位于工作井的后方，當一段頂管被安裝到導向軌上以后，油缸開始工作，緩緩推進，由位于地面的液壓動力站提供動力，加壓到油缸，使推進速度與微型頂管機同步，推進管與油缸的分壓環確保了油缸的頂力傳遞到頂管，同時，頂管的反作用力通過受壓板將頂管的反力作用于后背墻上。施工過程中，盡可能地減小推力。為了達到目的，我們在管材外壁涂抹了潤滑油；頂管過程中，在管道內向管道外側灌注觸變泥漿，使整個管道的外表面與土層之間形成一層起滑潤作用的漿套。觸變泥漿通過預設在管壁上規定間距(一般情況下，每4 m預留2個注漿孔)的注漿孔注入至管材表面，通過這種方法，可以大大減少摩阻力，提高頂管的頂進長度。

頂管宜連續頂進，應將暫停時間控制在12 h之內。如果停頂時間超過12 h，必須每隔4 h至少注漿一次(注漿量為：每m2管材表面積注入0.05～0.01 m3的漿液)。在重新開頂前大量的注漿(每m2不小于0.2 m3的漿液)才能取得較明顯的減阻效果，確保頂力在正常范圍之內，否則可能會因頂力過大而造成后座墻被頂裂、管材頂爆、完全頂不動等后果[5]。

頂進過程中的注意事項：

(1)連續頂進，不能長期停頓。頂進間隔過長時土拱易坍塌，會使頂力增加。

(2)檢查首節頂管的高程、中線和坡度，頂進時連續測量高程與中線。

(3)頂進時若偏差過大，應立即停止頂進，及時進行糾偏。

4 操作要點

(1)實例中所用管節為“F”管，“F”管受力性能好，接頭穩定性高，接口處止水密封性能好。

(2)接管前應再次檢查管子接頭的承插口尺寸以及橡膠圈和襯墊板的外觀。確認合格后可在接口處均勻涂抹薄層硅油等對橡膠無侵蝕性的潤滑材料以減少摩阻力。

(3)承插接管時要保證與上節管的鋼套環同軸度，并且加力要均勻，應保證橡膠圈不移位、不反轉、不露出管外。

(4)頂管結束后，應按設計要求在管內間隙處填充彈性密封膏，與管口抹成—個光滑的漸變面。密封圈的膠結應在使用前兩天完成并檢查其牢固性。

(5)在頂進過程中，管材的供應非常重要，如果供應不及時將會造成頂進停止，后果非常嚴重。由于機頭重量一般較大，長時間的滯留會造成機頭沉降而使軸線發生偏差；或已頂好的管子和周圍土體已固結，使摩阻力增大。因此，在開始頂進前，需制定詳細而周全的供應計劃，現場應備有足夠的管材余量。

5 結 語

在樂山市青江新區基礎設施建設BT項目中黑橋至王河園竹公溪工程采用泥水平衡式掘進頂管施工取得的實踐經驗，亦在嘉瑞大道交叉口改造項目污水管工程中得到了很好地利用，解決了道路橫穿部分出現的問題，鑒于道路上車流量大、路面以下管線極多，常規的明挖不僅施工困難，車輛、人員的疏導更是難題，泥水平衡式掘進頂管技術的應用有效地避免了因地形限制的不利因素，在不利環境下能夠有效、安全地施工。