市政道路土壓平衡頂管施工技術應用

師海斌 長治市市政管理中心

1 工程概況

長治市黑臭水體治理示范城市建設項目—延安路（解放東街至石子河）雨污分流改造工程，位于長治市主城區延安路，南起解放東街，北至石子河，是城市的南北主干通道。本工程對延安路（解放東街至石子河）進行雨污分流改造，保留現狀道路中心線處的2.5m×2.0m合流磚溝作為污水管使用，新建一排DN1500～DN2800 雨水主干管道，總長度約2900m。雨水管道順地勢敷設，末端通過雨水泵站提升（規模12m3/s），雨水最終排入石子河。本工程施工范圍內穩定水位埋深約3.50m～5.20m，水位標高介于923.10m～929.35m。

2 工程特點及難點

根據對施工現場地質及地上、地下障礙物調查情況，認為本工程具有以下特點及難點。

（1）本工程頂管管道主要土層為第⑤層、第⑦層粉質黏土，且工作井構筑及管道頂進時需要降低地下水位。

土層：⑤層，粉質黏土褐灰黃色，見有錳斑、黃色條紋、銹斑、褐灰色斑塊，厚3.3m～4.1m，平均3.70m，層底深度9.5m～9.6m，平均9.55m，層底標高介于918.70m～919.30m。

⑦層，粉質黏土（Q3），黃紅色，含錳斑、錳結核，局部呈顆粒狀，厚2.8m～5.3m，平均4.11m，層底深度8.4m～9.6m，平均8.66m，層底標高介于921.10m～923.96m。

（2）本工程施工時管線較多，頂管管道需穿越車輛通行較多的現狀十字路口，道路保護監測和交通組織難度大、要求高，施工場地布置受限。

（3）頂管施工處于雨季，雨水多，雨期施工對工程實施尤其是土方外運有明顯制約。

（4）本工程施工工期緊，安全管理壓力大。

3 土壓平衡式頂管施工技術分析

本項目依據地勘單位提供的地質勘察報告，分析工程所在的地質條件，土壓平衡頂管施工方法無論是從經濟上還是從技術上均是可行的。兩種頂進方法特點如下。

（1）土壓平衡頂管適用于管徑1500mm～3000mm，一般100m 左右、加中繼間可達1km 以上，黏土、砂礫至巖層全土質均可，控制地面沉降好（頂進面有壓力管理），施工精度采用激光定位，機頭糾偏（絕對偏差；上下±50mm，左右±30mm以內），安全性高，頂進成本較高。臨時用地在管道一側制作頂進工作井一側，制作機頭接收井。平衡地下水性能一般。

（2）泥水平衡頂管適用于管徑200mm～4700mm，一般100m左右、加中繼間可達1km以上，黏土、砂礫至巖層全土質均可，控制地面沉降好（頂進面有壓力管理），施工精度采用激光定位，機頭糾偏（絕對偏差；上下±50mm，左右±30mm以內），安全性高，頂進成本較高。占地需在管線兩端設置與之相對應的工作井以及接收井等，現場需布置泥水處理設施。平衡地下水性能好。

3.1 土壓平衡施工原理

這種機型在施工過程中所呈現出的原理主要體現在土壓平衡理論，以此為基礎開展相對應的施工操作工作，有效實現達到土壓平衡。

3.2 機械式（土壓平衡）頂管工藝流程

首先要進行相對應的工作井施工，然后著重做好測量放樣工作，同時進一步有效安裝相對應的止水井、液壓系統等相關設備，另外也要安裝地面輔助設施等，之后做好頂管機的吊裝和激光經緯儀的安裝，把頂管機出工作坑，頂進，最后進行相對應的頂管機進接收坑。如圖1所示。

圖1

3.3 機械式（土壓平衡）頂管施工工藝

掘進機的施工過程中是通過千斤頂為其進行相對應的支撐，這樣才能有效前進，然后確保機頭進入止水圈，穿越土層，在這種情況下到達接收井部位，在具體操作過程中進一步有效利用電動切削刀盤切削土層，切削土等通過轉動的切削刀盤輸送至傳輸車或傳送帶，然后運送至地面上。在頂進過程中，使用土壓平衡裝置確保水土能夠保持在平衡的狀態。機頭全部進入土層后，吊下一根頂進管，選用千斤頂對于機頭進行頂住，使其到達尾套之處，然后與掘進頭連接管頂進，完成上述操作之后，切削刀盤停止、液壓頂收回，吊一節管道入井內，在具體的操作過程中進一步連接第一節管道的鋼套筒，然后再一次對其進行頂進。在實際的操作過程中，要針對上述的動作進行重復進行，進而從根本上有效確保所有的管道都能夠被頂入土層之中。

掘進機在具體的操作過程中，要結合實際情況有針對性的選取激光導向控制系統，為其著重做好定位工作，同時要結合具體的操作方向進行相對應的調整和優化，確保掘進的方向能夠得到有效維持，進一步提升操作的精準度和高效性。

3.4 頂進施工

（1）土倉壓力的設定。有針對性地結合具體數值進行相對應的設計，在實施工作過程中，要確保設備能夠保持在自控的狀態，同時如果在操作的過程中要下穿道路等相關設施設備的情況下，要針對壓力進行有效設定，盡可能調大30%，進而從根本上提升其安全系數，確保各項工作能夠安全穩定的運行。

（2）觸變泥漿減阻。頂管的操作過程中要安裝管道注入建筑泥漿，它是提高頂進速度的重要一環，膨潤土對相關參數和指標有比較嚴格的要求，其進場后，要對其膠質價進行相對應的測定，有針對性地結合具體測定結果，根據膠質價確定配合比，膨潤土泥漿的拌和20min～30min 后，靜置24h，有足夠的水分吸收，在這種情況下成為膠狀的情況下，才能繼續有效使用。

（3）頂進糾偏。如果便宜的位置超過了20mm，在這樣的情況下要對其進行針對性的糾正，同時在糾偏的過程中要盡可能有效采取千斤頂公式，在糾偏的過程中，每0.3m要對其進行針對性的測量，與此同時，也要比對機頭和機尾的相關數據。如果發現相關數據有比較明顯的回歸傾向，要確保近距離能夠得到有效保持，在第一時間停止糾正，避免左右晃動等相關方面問題。

（4）頂進速度。對頂進的速度要進行充分的控制，通常情況下要維持在30mm/min～50mm/min，入洞后的前10m 以及糾偏的情況下，要保持在比較慢的速度，以后根據土質、刀盤扭矩大小適當調整頂進速度。

（5）出土外運。機頭刀盤切削的土體，由螺旋輸送機輸入到管道內部停放的運土車，運土車將土運入頂進坑中，用垂直運輸設備運到地面，倒入土方存放處，根據工程情況進行處理。

（6）安裝管節。管節下坑前要進行外觀和質量檢查，保證使用的管材滿足設計要求。

（7）下管時，機頭應停止頂進，刀盤轉3min～5min，在停機和同時螺旋輸送機出土的情況下，排土液壓門關閉，并斷電以保證土壓倉土壓達到平衡。下管工序完成后，再頂進時，應先開刀盤，再依次開螺旋輸送機、推進系統。

（8）使用吊車將機頭吊運出坑。

3.5 頂管完后洞口止水加固

由于工作井與接收井預留洞口和管道外徑有間隙,頂管完成后需封堵。管壁與洞口之間的縫隙采用優質油麻封堵，并澆筑30cm厚的混凝土擋水墻，在洞口區域地層進行水泥壓漿止加固。

3.6 管接口處理

當每個井段管道頂進結束后，立即進行該井段的管縫處理。管縫處理的流程為：管口鑿毛清洗→吹干→填塞管縫處理材料→壓實抹平。

（1）管口鑿毛清洗

將管縫用角磨機鑿出深2cm，寬2cm 的縫，清理出里面的雜物，并用水或吹風機清除里面的灰塵雜質。

（2）待管縫清理干凈后，開始填充管縫處理材料，管縫處理材料遵循設計和甲方的要求。壓實抹平，填充材料未凝固前，采用竹膠板平鋪在管內底，以供作業人員通行，不得直接踩踏填充材料。

3.7 工后處理

頂管施工完成后，應采用水泥漿將管外周潤滑泥漿置換出來，確保管體周圍土體穩定。

（1）泥漿置換

管道頂進結束后，由管道頂部注漿孔向管外周注入水泥漿，將管外周的潤滑泥漿由管道側面兩個注漿孔置換出來。

（2）管周壓漿

當泥漿不再流出時，同時由管道上3個注漿孔向管外周壓注水泥漿，將管外周的空隙填充密實；注漿壓力控制在2MPa；通過注漿壓力及漿液流量控制注漿量；當注漿壓力增大，漿液流量減少時，停止注漿。

（3）封孔

管周壓注漿完成后，在漿液初凝后，采用與管縫同樣的材料對注漿孔進行封堵。

3.8 工作井回填

檢查井施工完成后，采用素土分層夯實回填。檢查井周圍50cm 范圍內采用3:7 灰土回填。回填時，采用現場的良質土，工作坑內管道兩側及管頂50cm以上采用沖擊夯夯實，每層虛鋪厚度不大于20cm，層層夯實，密實度大于等于93%。確保回填完成后工作坑位置的道路不發生工后沉降。