泥水平衡式頂管機市政管道施工技術應用

邢曉東 夏永豪 周星宇 盧國營 馬 勇

（中電建路橋集團有限公司，北京 100000）

1 工程概況

該項目位于臺山市大江鎮公益圩。計劃鋪設生活污水管網總長度為11200m，其中頂管總長5050m采用III級鋼筋混凝土管。臺山市屬亞熱帶季風氣候，該地常年雨水量豐富，施工點地下水位較高，其中大江鎮公益圩場地內及其附近有密集的坑塘、溝渠分布，坑塘內水深0.5m～1.0m，北側緊鄰譚江。

2 泥水平衡式頂管施工技術

2.1 基本原理

該技術原理是以刀盤在行進面對開挖面土體進行全斷面切削，通過注入一定壓力的泥水與掘進區域內的水土壓力達到動態壓力平衡，再利用泥水輸送棄土的機械式頂管作業。泥水在壓力作用下滲透進土壤中，滲透的泥水能在開挖面外圈形成一層泥皮。泥皮形成之后能阻止泥水繼續向土壤內部滲透，同時在泥水壓力作用下泥皮能防止開挖面發生垮塌。

2.2 施工工藝流程

頂管施工主要流程包括施工準備、頂管出洞、推進、頂管進洞、設備拆除、測量及洞口處理。具體施工工藝流程如圖1所示。

圖1 施工工藝流程圖

2.3 主要施工工藝操作要點

主頂系統安裝應按如下步驟進行。測量放線→導軌安裝→后靠背安裝→安裝主頂油缸。

主頂系統安裝時應注意以下2點。1）測量放線須按規范嚴格控制誤差值，保證頂進軸線的精度，導軌坡度須按設計進行設置。導軌安裝軸線偏差≤3mm；頂面高差0～+3mm；兩軌間距±2mm。2）導軌設計安裝。結合該項目情況，頂進導軌使用型號為25b雙榀槽鋼進行焊接，根據測量放出的坐標位置，用25t的汽車吊把導軌放入位置，須注意導軌連接的可靠度，保證導軌安裝的有效性。

以施工段落W29～W30為例進行計算，該施工段落使用DN500管，最長頂進距離為70m。管道按設計穿越素填土和淤泥質土，采用泥水平衡式頂管施工工藝。推力計算公式如下。

式中：為總推力，為迎面阻力，為迎面阻力。

式中：為土的容重，根據地勘資料查得19kN/m3，為管外徑，為0.6m，為覆土厚度，根據地勘報告查得為5m。

式中：為管外表面綜合摩阻力，該段落土質為雜填土或淤泥，取5kN/m，為管外徑，為0.6m，為頂進距離，70m。

=3.14×0.6×5×70=659.4 kN

單管總推力F=F1+F2=26.85+659.4=686.25 kN

后背墻受到頂力作用下發生壓縮變形，同時給與頂管機一個支座反力，當頂力卸載后變形應恢復且后背墻未被破壞，為了保證施工質量，保障安全，施工前應對后背墻進行強度及剛度驗算。后背墻受力示意圖如圖2所示。

圖2 后背墻受力示意圖

后靠背受力如公式（2）所示。

式中：為總推力的反力，為系數（在1.5～2.5），此處取2.0，為后座墻的寬度，此處取2.5m，為土的容重，根據地勘資料查得19kN/m3，H為后座墻的高度，此處取2.5m，為被動土壓系數 tg2（45°+/2），一般取 30°，為土的內聚力，根據地勘資料查得18 kPa，為地面到后座墻頂部土體的高度，此處取5m。

由計算結果可得，工作井加護套后能承受5603.75kN的頂力＞實際頂力686.25 kN，滿足施工要求。同理可對每段段落進行復核，求得的結果均能滿足現場施工要求。

頂管機各系統組裝完成后，先對單個系統進行調試運轉，如有問題及時查找原因并修復，使系統正常運行。

頂管機調試過程中應注意以下2點。1）調試主頂油缸時，位于主頂油缸內的2個千斤頂應一起作用。2）油路必須采用并聯，每臺千斤頂均應該配置獨立控制閥，操作千斤頂伸出的最大行程不應大于油缸行程的10cm左右。

在正式頂進施工前需進行試頂進即頂進試驗段，該項目中選取W7-W9段為試驗段，長度為33.47m。通過試驗段提高施工人員與現場設備及環境的契合度，保障頂管施工順利進行。

頂進施工應注意以下3點。1）頂管機頂進試驗段設置在第一個頂進段。2）對試驗段推進施工中的各項參數進行記錄，并將頂管機的操作方法熟練掌握。3）施工中實時監控地中位移、地表隆陷等數據，根據反饋的數據分析不同地質條件下推進過程對地層產生的位移影響，及時反饋及時調整。

在試驗段W7～W9中，頂管施工從W7始發井開始依次經過1#～3#監測點到達W9接收井，共計3個沉降監測點，經過5個月對3個監測點進行沉降觀測，監測結果如圖3所示。

由圖3可知，3#監測點土質情況比1#、2#點差，沉降速率快，3個觀察點累計沉降值均在7mm以內并已趨于穩定，沉降值在允許范圍內滿足施工要求，頂進實驗成功。現場管理人員可根據實時沉降監測數據對頂管的頂進推力、頂進速度等進行及時調整，確保順利頂進，必要時可對局部監測點加密布置。

圖3 頂管井沉降監測累計值

在試頂進順利結束后，對期間的數據進行分析，此時再開展正常頂進工作。

正常頂進時應注意以下2點。1）頂進過程中，開挖面土被切削下來的土體要先進入泥土倉內進行破碎處理、攪拌，之后通過排泥系統把渣土輸送至地面泥水分離系統，粗粒徑砂石經過分離排出，泥漿沉淀后進行無害處理。2）泥漿水可通過回流管道被輸送至泥土倉內再利用。在一節管節完成頂進后，縮回至主千斤頂，并吊放下一節管，在防水裝置完成安裝并通過檢驗后，往鋼筋混凝土管承口安裝環形頂鐵，并在混凝土管表面涂一層防腐材料及潤滑劑。3）頂進到達千斤頂的最大行程后，千斤頂卸力，頂鐵安放好后繼續開始頂進，循環工作，直至一個頂段掘進完成。

內容如下。1）觸變泥漿對減少摩擦有2個方面的作用：一方面降低鋼筋混凝土頂管與外壁的摩擦阻力，使頂進阻力變小；另一方面是有效抑制地面產生位移沉降。壓漿中原則要做到“先壓后頂、隨頂隨壓、及時補漿”。2）在頂進機每節管道的前端合理布置觸變泥漿注漿孔，根據該項目中管徑大小設置4個泥漿注漿孔，呈90°布置。為保證管節外壁漿套的完整，頂管機后面每節管都應設置觸變泥漿管，至少設置4節管節。之后的管節間隔3節管設置一道觸變泥漿管道設備，用于對漿套進行補漿。

管道頂進施工完成后，為防止管道在后期使用中產生沉降，導致道路出現裂縫、沉降等不良情況，將頂進施工過程中的觸變泥漿使用適合的惰性漿液（水、砂、粉煤灰、膨潤土、消石灰以及減水劑）進行置換。置換方式使用壓注觸變泥漿的管路和系統。

置換泥漿時應注意以下2點。1）壓注順序應以第一節管開始依次向后壓注。對前一節管壓注惰性漿液時，后續管節應開啟壓漿孔，從而讓原有管路在惰性漿液產生的壓力作用下將觸變泥漿通過后續管節的壓漿孔被替換。2）當后續管節的注漿孔內開始流出的為水泥漿并具備一定的壓注壓力時，可以停止壓注前段管節的水泥漿，保證觸變泥漿完全被惰性漿液置換。

3 泥水平衡式頂管施工技術重難點

3.1 頂管穿墻

頂管穿墻在頂管施工中屬于難點，因此對頂管穿墻的技術質量控制應足夠重視。1）施工人員應當結合頂管穿墻的工藝質量要求，對現場做好勘察記錄工作，再對現場施工中記錄的各類參數數據進行綜合分析，科學的制定穿墻施工方案，為頂管穿墻施工工藝的應用，提供科學的方案支持，明確頂管施工流程。2）根據現場實際過程中的施工需求，確認止水板的位置，對后續施工的正常開展提供良好的支持。最后，施工人員在頂管穿墻施工結束后，應當做好現場管道的檢查工作，確保現場管道的完整，以保證施工質量。

3.2 頂管出洞

在頂管施工過程中，容易出現出洞偏斜的問題，導致頂管施工質量受到影響。施工單位應當結合施工質量保證需求，利用專業的工具，科學調整頂管施工路徑，以確保出洞作業符合要求，不僅可以提高頂管施工的效率，還可以規避部分施工問題，有助于提高頂管施工質量。

3.3 注漿減阻

頂管施工技術的關鍵就是注漿，施工單位應做好頂管施工注漿工作，有助于促進市政工程建設效果的提高。因此，施工單位在進行注漿的過程中，應當基于控制泥漿損失的需求，合理進行降壓處理工作，從而保障頂管施工順利推進。

3.4 頂管糾偏

頂管施工中刀盤切削土層過程中產生的扭矩主要與頂管機殼體與土層之間的摩擦產生力矩達到力矩平衡。，當2個力矩無法平衡時，頂管機將由扭矩產生的力發生滾動偏差。如果滾動幅度過大會導致激光靶無法保持在正常位置，對糾偏、測量以及出土造成不利影響，頂管軸線也會因此產生偏斜。

方向偏差如下。1）頂進施工中由于頂進千斤頂在各個部位設定參數時出現偏差，造成頂進方向產生偏差。2）由于開挖面土體的性質存在差異，也易產生方向偏差。即使開挖中土體性質十分均勻，由于頂管機自重對其自身產生向下低頭的趨勢，也會對方向有一定影響，因此在頂進施工中，應密切監測控制豎直方向產生的誤差，對偏差值及時修正，控制頂進方向偏差不超出允許范圍。

3.5 閉水試驗

閉水試驗在頂管施工效果檢測中為一種重要方式，通過試驗檢測頂管施工過程中的密封性，能在施工存在問題時及時發現。

合格標準為外觀檢查合格，不得有漏水現象，且進行試驗測得的滲水量應不大于允許滲水量。允許滲水量如公式（3）所示。

式中：為允許滲水量（m/24h·km）；D為管道內徑（mm），由設計圖紙查得管道內徑為400mm、500mm。

當D為400mm時，=0.046×0.4=0.018 m/24h·km。

當D為500mm時，=0.046×0.5=0.023 m/24h·km。

因此試驗測得的滲水量不應大于上述計算值，通過閉水試驗開展質量檢測工作，保證施工質量，提升頂管施工效果。

4 結論

該文對頂管施工中各施工環節及施工重難點進行研究，建立理論模型，對頂力及后背墻受力進行計算，驗證了后背墻不會被頂力產生的作用力破壞，對試頂進實驗段進行監控量測證實了試頂進階段取得成功，同時對各施工環節提出針對措施，在不斷實踐中提高施工技術水平，提升施工質量。