泥水平衡頂管施工技術的工程應用研究

鄧建華，何 洋

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

頂管施工技術起源于19世紀末的美國北太平洋鐵路的鋪設，此后，日本、德國等國家紛紛將此技術應用到其城市基礎建設中，我國于建國初期首次在北京某水管道埋設上試用了頂管法施工，取得了良好的效果。目前，頂管施工技術在我國及國外發達國家應用已比較成熟，但在東南亞及非洲等發展中國家應用較少。

1 工程概況

某國外污水處理廠EPC投標項目，水廠日處理能力12萬m3/d，由50 mm格柵井及污水提升泵房，20 mm、3 mm格柵渠，曝氣沉砂池，MBBR生化池，氣浮池等建筑物組成。廠區區域由濱海平原、三角洲和洪泛平原組成，廠址地基由松散的沙子、軟質粉土和軟黏土硬土構成，巖層一般分布在更深的位置。

另外，從發包人提供的廠外截污管道接入點到50 mm格柵井需鋪設長約230 m、管徑1.5 m的球墨鑄鐵管連接，管頂以上埋深約14 m；由于其埋深較大，如果采用常規開挖埋管施工，需開挖狹長深基坑，其開挖回填和基坑邊坡支護工程量均很大，而且整個污水處理廠廠區窄長，其放坡開挖將挖除其他水廠建筑物的基礎，導致其他水廠建筑物的施工停滯，進而影響總進度計劃，因此擬采用非開挖的頂管法對該段管道進行施工。

對于管徑小于1 m的管道，頂管施工可采用水平定向鉆進鋪管鉆機鉆孔，拉管鋪設施工方法。考慮到該連接管管徑大于1 m，并結合水文地質情況，擬采用泥水平衡頂管施工。

2 頂管施工原理

頂管施工的基本原理。頂管施工就是借助主頂油缸以及中繼間的頂進力，把工具管或頂管掘進機從工作坑內穿過土層一直頂進到接收坑內吊起。與此同時，把緊隨在工具管或掘進機后的管道埋設在兩個工作坑之間。在頂管施工中主要有三種工作面平衡理論，即：氣壓、土壓和泥水平衡理論。

泥水平衡頂管的工作原理。通常把用水力切削泥土以及雖然采用機械切削泥土但采用水力輸送棄土，同時利用泥水壓力來平衡地下水壓力和土壓力的這一類頂管形式都稱為“泥水平衡頂管施工”。在泥水平衡頂管施工中，要使挖掘面保持穩定，就必須在泥水倉中充滿一定壓力的泥水，泥水在挖掘面上形成一層不透水的泥膜，阻止泥水向挖掘面里滲透。同時，該泥水本身具有一定的壓力，因此，可以用來平衡地下水壓力和土壓力。泥水平衡頂管適用的土質范圍比較廣，在地下水壓力很高以及變化范圍較大的條件下也能適用。泥水平衡頂管施工示意見圖1。

3 泥水壓力和頂管推力計算

泥水平衡頂管施工主要涉及的泥水壓力和頂管推力計算如下。

3.1 泥水壓力計算

泥水平衡分析見圖2，其中P1為頂管機頂部的地下水壓力，P3為頂管機底部的地下水壓力，P2為頂管機頂的泥水壓力，P5為頂管機底的泥水壓力。由于泥水平衡式頂管機在施工過程中泥水倉的泥水壓力必須比地下水位高出一個△P，即在圖中高出的△h水頭部分，△P一般在10～20 kPa之間。這時，在頂管機底部被增加一個△P后的地下水壓力應為P4，在頂部的大小均為P2。因為增加的這個△P是泥水壓力，所以，它同地下水有不同的相對密度，因而當頂管機頂的壓力相同時，頂管機底壓力是不相同的，此時，頂管機底的泥水壓力為P5。

圖1 泥水平衡頂管施工示意

圖2 泥水平衡分析示意

實際上，泥水平衡式頂管機泥水倉內是在BDEC2這個梯形壓力區內工作。通常，在設定泥水壓力時，一般是取其中間值，即Pm=1/2(P2+P5)。本工程根據地質資料結合以往的頂管施工經驗，Pm在50～150 kPa之間。

3.2 頂管推力的計算

式中，P為計算的總推力，kN；γ為管道所處土層的重力密度，kN/m3；D1為管道的外徑，m；H為管道頂部以上覆蓋層的厚度，m；φ為管道所處土層的內摩擦角；ω為管道單位長度的自重，kN/m3；L為管道的計算頂進長度，m，初步考慮設置3個中繼間，L按60 m取值；f為頂進時，管道表面與其周圍土層之間的摩擦系數；PS為頂進時頂管掘進機的迎面阻力，kN。

經計算P為13 022 kN，采用的頂管機械最大頂進力1 500 t，滿足要求。

4 頂管施工程序

先進行工作井及接收井施工，再進行管道頂進施工，本工程工作井及接收井可結合50 mm格柵井及污水提升泵房和發包人提供的廠外截污管道接入點設置。工作井及接收井可采用預制鋼筋混凝土井，采用1.2 m3挖掘機開挖基坑，基坑開挖完成后，澆筑底板及邊墻混凝土。

混凝土強度達到設計要求后，利用在井口架設的桁車將鋼管吊入工作井，采用頂管設備在工作井內將鋼管向接收井方向頂進施工，管道內土方采用泥水平衡頂管掘進機掘進開挖，泥漿抽排至井外，泥水分離后將沉渣裝入自卸汽車運至棄土區。頂管施工程序如圖3所示。

圖3 頂管施工程序

5 頂管施工主要技術要點

(1)頂管后背處理。頂管后背采用50b型工字鋼整體焊接，鋼板尺寸5 m×4 m×0.05 m(寬×高×厚)，為防止頂進過程中對井壁造成破壞，后背及井壁間加設襯墊木板。后背與管道軸線垂直，允許不垂直度為5 mm/m，使千斤頂的集中應力傳至后背上，經井壁逐步擴散至后背土體，由土的被動土壓力承擔。

(2)導軌安裝。導軌采用鋼制定型軌道，軌道高15 cm。導軌坡度按管道坡度進行安裝，導軌內距1 m，安裝導軌前復核管道中心線的位置，保證導軌位置的準確。導軌由鋼軌、橫梁和墊板組成，采用的60 kg/m重型鋼軌，導軌和預埋鋼板之間用橫向的槽鋼焊接，導軌的間距布置使管外底離橫向的槽鋼頂面不小于2 cm，導軌長度按工作坑長度減去0.3 m，滿長鋪設。安放在混凝土基礎面上，導軌定位時穩固、準確，在頂進過程中承受各種荷載時不移位、不變形、不沉降，導軌面上的中心標高按頂管管內底標高設置。兩根導軌保持平行等高，導軌坡度與設計管道坡度一致，導軌的高程誤差和中線位移控制在2 mm內。在頂進中經常觀測、調整，以確保頂進軸線的精度。

(3)管節安裝。利用井口架設的行車起重設備，吊放球墨鑄鐵管入井。下管前在地面上應對下吊的管節進行外觀檢查，包括檢查管端面的平直度、管壁表面的光潔度、端面上有無縱向裂縫，對不合格的管節不應使用。通過行車將管節吊到軌道上面與之吻合，對正管口。

(4)頂鐵安裝。在球墨鑄鐵管管口增設環形頂鐵與管口吻合，以擴大管口承壓面，保護管壁不破損。頂鐵的中心線要與管道軸線一致。更換頂鐵時，先使用長度長的頂鐵，頂鐵拼裝后及時鎖定。管道端面與頂鐵接觸面均勻加設襯墊，襯墊材料可用油氈、橡膠墊、石棉板、木板等。頂進時，施工人員嚴禁在頂鐵上方和側面停留，并隨時觀察頂鐵有無異常跡象。

(5)機頭進洞。進洞前將洞口土向前挖500 mm，再將機頭徐徐推進洞口里，待刀盤全部進洞，止水圈全部安好后，開動頂管機刀盤旋轉，待土壓升到0.1 MPa時，出漿機的土壓也上升到約0.07 MPa。機器各部正常并按操作規程開始入土，此時只存在軌道對機頭的摩擦力，機頭轉動時機身易偏轉，故在入土前2 m頂進時軌道安裝機頭限位裝置，且控制頂進速度在50 mm/min以下，以防機頭整體旋轉。頂進2 m以后在機頭不旋轉的情況下可逐漸加大頂進速度。機頭沒完全入土時，土倉壓力控制在30～50 kPa，待機頭全部入土后，下第一節管做反封閉處理。

(6)頂進施工。待各項準備工作就緒且工作井底板混凝土強度達到設計要求的強度后，開始進行管道頂進。管節安裝完畢后，用千斤頂將管節沿導軌向已挖好的土洞內頂進。當頂完一節管時，即頂到留在導軌上的管節長度約0.4～0.5 m時，無論千斤頂是否出程完畢都要停止頂進。此時退回千斤頂行程、拆除頂鐵，準備安裝新管節，隨時測量。

(7)機頭出洞。機頭推進到距出洞口約1.3 m處鑿除接收洞口的墻壁，從接頭坑管中心部位打進一根鋼釬尋找機頭，此時機頭的水壓表和出漿機水壓隨之消失，螺旋機也停止了出土，機頭電流也變小，接頭坑壁開裂向外凸出，這時需仔細測量四個方向無誤后關機。啟動主頂油缸繼續推進至中心刀露頭時，停止推進。做好接收準備，安置機頭接收托架低于機頭3～5 cm，然后吊出機頭。

6 頂管施工特殊情況處理

(1)頂進過程中遇到障礙物。為防止頂進過程中遇到較大障礙物，施工前對工程地質條件和環境情況進行周密細致的調查。頂管施工過程中，如遇到小于10 cm的土塊或石塊，頂管機旋轉切盤可以將其打碎并通過輸送料盤進行出料。如粒徑大于10 cm，輸送料盤不能將其從前方土體中輸出，應及時注漿減阻，檢查堵塞并進行人工清堵。

(2)機頭管管口破裂。管道頂進過程時中線、高程發生偏差位移，造成管口破裂。對此需使用20 mm厚鋼板制作好的內漲圈安裝在機頭管管口位置進行加固，管道高程中心在調整時要放緩調整頻率，管道勤注觸變泥漿，注漿量要滿足管道頂力要求。

(3)管道接口滲漏。如果管節和密封材料質量不符合技術標準或在安裝頂進過程中管節損壞；管道軸線偏差過大，造成接口錯位，間隙不均勻填充材料不密實；接口或止水裝置選型不當，都將造成管道接口滲水、漏水。為預防管道接口滲漏，需嚴格執行管節和接口密封材料的驗收制度，嚴禁使用不合格產品；嚴格控制管道軸線，必須按“勤糾”“小糾”的原則進行，以避免接口不勻而使膠圈減小止水作用；下管時，需在鋼絲繩與管口之間加橡膠墊保護管口；選用與鋼管相匹配的橡膠圈，事先檢查橡膠圈的質量，臨下管前抹好潤滑劑，正確安裝。

(4)地面沉降與隆起。開挖面取土量過多或過少，都會使機頭推進壓力與開挖土體壓力不平衡；管道軸線偏差，或糾偏不當造成的地層土體損失；管道外圍環形空隙(機頭外徑與管外徑之差)引起的地層土體損失，或頂管完成后未置換泥漿造成的土體損失；管道接口不嚴密，造成的水土流失，都將造成地面沉降或隆起。

針對以上情況，應做出相應防治措施。施工前對工程地質條件和環境情況進行周密細致的調查，制定切實可行的施工方案，正確選用機頭，并對距離管道近的建筑物和其他設施采取相應的加固保護措施；設置測力裝置，掌握頂進壓力，保持頂進壓力與前端土體壓力的平衡；嚴格控制頂管軸線偏差，執行“勤測量、勤糾偏、小量糾”的操作方法；在頂進過程中及時足量地注入符合技術標準的潤滑支承介質填充管道外圍環形空隙，并在施工結束后及時用水泥或粉煤灰等置換觸變泥漿；嚴格控制管道接口的密封質量，防止滲漏。

7 結 語

頂管施工與明挖埋管施工工法相比，具有以下優勢：

(1)開挖部分僅僅只有工作坑和接收坑，相對安全且對其他建筑物及交通影響小；

(2)在管道頂進過程中，只挖去管道斷面部分的土，挖土及回填工程量都很少；

(3)建設公害少、文明施工程度高；

(4)在覆蓋層深度大的情況下，施工成本低。

隨著“一帶一路”倡議的提出，沿線國家污水處理廠、市政管道等基礎設施工程大量建設，頂管施工技術以其獨特優勢將會得到更廣泛的應用。

通過以上對頂管施工技術的分析研究，泥水平衡頂管施工應用于該污水處理廠EPC投標項目中長約230 m的大直徑深埋管道是可行的，經初步估算采用頂管施工比明挖埋管施工可節省約600萬元，并且該管線與其他水廠建筑物可平行施工，工程施工直線工期不受影響，能夠確保項目按期完工。因此確定在本投標施工方案中采用泥水平衡頂管施工。本文以某國外污水處理廠EPC投標項目為例，對投標方案中深埋管施工問題提出了頂管施工方法，并分析了頂管施工的技術要點，其技術分析在類似工程上具有借鑒意義，可供同行參考。