提高大管徑泥水平衡頂管作業施工速度的策略分析

董永剛

（廣東水電二局股份有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

目前，隨著城市化的推進，城市管網出現許多問題，地下管網工程項目也越來越多，而以往進行開槽施工的工藝會影響道路交通，其工作面也比較大，因此，當下采用泥水平衡頂管作業工藝的工程較多。

1 大管徑泥水平衡頂管作業工法的特點

大管徑泥水平衡頂管作業工法的特點包括以下5 點：①該作業工法本身屬于非開挖施工工藝，因此具有頗強的地下穿越能力，實際施工主要在地下作業，占據的地上工作面不大，在城市進行施工時十分便利，且管道周圍地層進行施工作業時也不會產生過大擾動，基本可維持土體挖掘面的平衡與穩定，實際損失的土層較少，也不會造成地表面的過大變形。②該工法本身作業施工的進度較快，能夠有效進行連續作業，保證施工速度，且施工作業性能較好。③作業工法實際施工的總頂力較小，因此可以實現長距離的頂進，比一般的頂管工法作業更加穩定。④若工作井的實際作業環境條件較好，那么可以安全地進行頂進作業。⑤實際作業過程中對周圍環境的破壞和污染較小，一般不會影響道路交通，不會給周圍建筑物帶來擾動，施工時也不會產生較大噪聲，并且因為所使用的技術比較先進，實際施工具有較高精度[1]。

2 大管徑泥水平衡頂管作業的適用范圍及工藝原理

從大管徑泥水平衡頂管作業適用范圍來看，其一般被應用在多種大型或中型的地下管道施工中，而且其適用的管道類型為鋼管、混凝土管道、球墨鑄鐵管道以及玻璃纖維加強管道等。這種作業工法還適用于多種復雜的土質條件中，尤其是在一些地下水較高或是水壓力值變化較大的土質條件下，能夠發揮出很大優勢。該項工法的工藝原理是利用專用泥水平衡頂管機在工作面上實施頂進，借助泥水壓力來平衡土壓力和水壓力，再利用出泥艙來調節泥水壓力，保證開挖面的穩定性，頂管機最終會將棄土以泥水形式排到機械外，并且在不進行地表開挖條件下將鋪設的管道使用液壓頂從工作坑中頂進，最后直接進行管道鋪設即可。其整體操作為非開挖頂管工程，具有很多優勢，但其實施過程較為復雜，為了盡可能保證施工效益，還需在保證作業質量基礎上提高作業施工速度[2]。

3 大管徑泥水平衡頂管作業施工速度提高的策略分析

為了探析大管徑泥水平衡頂管作業施工的特點，本文以某水利工程的相關作業為案例進行研究。該工程的頂管內徑為2.4 m 左右，主體工程為泥水平衡頂管施工工程，其實施目的在于修復當地水環境。通過案例研究，本文在提高作業施工速度方面具體提出了以下4 項策略。

3.1 嚴格遵循施工工藝流程并把控操作要點

大管徑泥水平衡頂管作業過程中，應先選定相應線路，再對各個標段的接收井以及工作井位置加以明確，隨后依據設計的規范工藝流程來執行施工，同時把控各施工環節的操作要點，即可盡可能提高實際施工速度，具體施工工藝的操作要點如下。

3.1.1 做好施工準備

（1）準備好施工資料。在正式開展施工之前，將圖紙設計交給設計單位開展會審和交底工作。若發現圖紙存在問題，應第一時間要求設計方做好修改，保證后續施工不受影響。還要詳細了解工程施工場地的狀況，包括周圍建筑物分布、地形地貌特征以及一些管線和基礎設施布置情況，并將這些整理為相應資料。同時要勘察工程地質并撰寫報告，還要準備好水文和氣象的資料[3]。

（2）開展施工測量工作。結合實際施工場地的測量控制點高程及坐標來進行現場測量控制點的有效布置，同時也要設置測量的永久控制樁，保證測量工作順利開展。

（3）做好接收井和工作井的施工。其中工作井施工是重點，應當保證工作井具有較高強度，避免頂力和周邊水土壓力導致其發生變形，而且在確定結構形式時也要充分考慮施工區域的地下水狀況以及頂力大小。

（4）對頂力進行全面估算。在具體施工之前估算總頂力，再依據頂力情況對設備和材料的實際承受力加以驗證，同時明確施工使用工藝。計算頂力過程中需參考給排水工程頂管技術的規程要求，具體計算公式如式（1）所示。

式中：F——標準總頂力值；D——管道外徑；L——管道頂進的設計長度值；fk——管道外壁和土之間的平均摩擦阻力；NF——頂管機迎面阻力。

式中：Dg——頂管機外徑；rs——土重度；Hs——覆蓋層厚度[4]。表1 為管道外壁和土之間平均摩擦阻力的取值。

表1 管道外壁和土之間平均摩擦阻力的取值

（5）做好頂管相關準備工作。首先，要對頂管施工的進洞和出洞位置進行土體加固，保證頂管能夠被順利接收。若實際土質不太松軟，可運用門式加固方法來處理，主要提高頂管道兩側部分一定長度及寬度范圍的土體強度。避免當使用掘進機時，洞口處出現坍塌狀況。若其土質為松軟類型，那么可以有效加固一定頂進范圍的整個斷面。若土質本身比較硬，強度達到標準，那么也可不進行加固處理。土體加固常見的工藝技術包括攪拌樁加固法、注漿加固法以及高壓旋噴加固法[5]。其次，為了確保接收井和工作井能夠到位且順利實施各項工序，還需在井的洞口位置設置封門結構。可以使用一些強度較高的磚料或水泥材料來做封門材料，當掘進機需從井口進入時，再將封門切削即可。最后，在進出洞口安裝止水設施，頂管機在洞口進出操作時可能會出現地下水或泥漿從機械向外涌出的情況。因此為了解決該問題，一定要沿著機械頂進的方向在洞口設置止水設施。一般該設施會被安裝在接收機與工作井側壁的預留洞處，其預留洞的直徑應當略大于頂管機外徑，且要布置好鋼壓環、螺栓以及橡膠圈，洞口止水裝置的平面圖與斷面圖如圖1 所示。

圖1 洞口止水裝置的平面圖與斷面圖

安裝好止水設施之后，還要對頂進后背與軌道實施安裝，保證其安裝位置的誤差控制在5 mm 之內，使其導軌和背鐵之間保持相互垂直。還要安裝機頭，將其吊裝到導軌位置處，再進行調整。采取自控系統來調節時，要保證安裝的實際數值與系統設備中顯示數值的一致性。此外，還需進行工作井頂管調試工作，也需調整其中心樁與高程參數，并檢查泥路循環是否處于正常狀態。

3.1.2 規范頂進施工操作

開始頂進施工前，先要將洞口的封門切削拆除。頂進過程重點控制機頭，當機頭頂進土體時，將進排泥泵和大刀盤打開，隨后將機頭入洞過程中的速度控制為3～5 mm/min，這個過程還需嚴格把控管子的高程和子中心，實際偏差不能超過5 mm，因此速度一定不能過快。當機頭頂進到卸管節位置處時應停止，將頂進設備的動力電纜、進排泥泵、進排泥管以及控制電纜等完全拆開，將頂進油缸縮回即可。隨后將提前安放好密封環的管節吊下，將其對準位置插入，再將控制電纜、進排泥管路以及動力電纜等連接起來，同時也要將壓漿管路接通。啟動壓漿泵、頂管機、進排泥泵以及主頂油缸，再實施頂進操作。當頂進500 mm 左右時開始進行頂進測量，隨后每頂進300 mm 記錄一次高程和中心的參數，將這些記錄內容匯報給技術人員來處理。為了保證頂進的順利進行，還需采取一些管道減阻手段。尤其是對于中大口徑頂管作業，減阻措施很有必要，可以保證管壁頂進更為順暢，例如，可以在管外部上涂抹一些廢油或是石蠟材料，起到潤滑且減少摩擦阻力的效果，在頂管外部和土層之間也可使用合適潤滑劑，這有助于長距離頂進的實現。在頂進過程中也要保證頂力的均勻，且不可出現跳動頂進情況，保證頂進效率的提高。管節位置應當預留出一些注漿孔，一般每隔幾節管節則設置一節注漿孔，這也有助于提高頂進質量。在管節頂進過程中，也需注意觀察多種位置和軸線的指示儀表，并調整其軸線方向，同時結合土壓力來控制實際頂進速度。在實施糾偏時，全站儀所發出的不可見光會到達機頭中心靶，隨后光靶會將偏移情況反饋到控制臺，最后再利用千斤頂來糾偏。實際糾偏操作包括3 項要點：①對于大口徑頂管作業，使用的光發射裝置一般為激光經緯儀，它能準確測量頂管位置，即使在黑暗環境條件下也能有效測量位置位移。②在使用激光經緯儀時也要在工作井內部安裝對應發射器，保證該發射器的方向和坡度符合要求。機頭處則要安裝接收靶標，靶標上存在刻度線，可有效進行偏移的測定。③利用操作室的攝像機來進行激光靶標的觀察，獲取其刻度與方向信息，即可直接得出相應位移量。

3.2 處理好頂管作業的常見問題

大管徑泥水平衡頂管作業具有一定復雜性，因此在頂進操作時常常會遇到多種問題。為了有效提高施工速度，還應處理好頂管作業的常見問題，提前制定應對手段。例如，管道接口常出現漏水及破損問題，對于這種問題，要保證加固工作的有效性，建立起復核制度，全面保證加固到位，發現存在破損隱患時及時保養，且對于使用的相應設備要做好調試，保證機頭滿足設計所需，還要加強現場施工測量，保證不同部門之間溝通順暢，及時發現位移類風險隱患，同時相應技術人員應遵循“多次測量、微量糾偏”的原則開展工作，盡可能將危害降到最低。頂管周圍也常出現大面積沉降或隆起問題，這可能與機械操作不夠規范有關，在進行處理時，應全面考慮作業區周圍的建筑物與其他設施狀況，實施必要的保護措施，并且安排專業人員全面觀察作業時的千斤頂推力，一旦發生異常問題，要第一時間停止頂進，探析異常原因并及時處理，保證推力能夠維持前端土體壓力處于動態平衡狀態。本工程頂管作業中還存在進出洞口封閉時間過長問題，對其采取的改進處理手段為將打樁機上的拉森鋼板樁作為支護防止水進出洞口，最終實現單個井位進或出洞口時，控制封閉時間小于10 h，進而有效提高整體作業效率。

3.3 從頂管機著手提高作業效率

首先，在使用液壓頂管機之前，一定要做好內部清理工作，保證機械干凈后方能夠使用。同時要做好設備檢測工作，適當調整需要更改的地方，讓機械的實際作業更為順暢。其次，正式操作頂管機施工時，應保證頂管機軸線不要偏離允許誤差，以免影響頂管機的工作速度。最后，要盡量避免頂管機停機過長時間，使用中若出現問題要以最快速度解決，保證最佳的實際工作速度。對于本次研究的水利工程項目，共設置了4 臺頂管機組同時實施頂進作業，但現有進度無法切實滿足工期要求，因而通過對實際施工的記錄來探析影響頂管機作業速度的因素，發現主要有以下兩個方面因素：①設備故障率較高；②作業時的泥漿清運不夠及時。因此，提出有針對性的處理手段：①保證定期開展設備檢查工作，同時也應配置備用頂管機設備，在設備發生故障時及時接替工作，避免影響進程。②使用挖掘機來配合清理沉淀后的泥漿，讓泥漿比重的抽吸盡可能達到最佳狀態，也要對泥漿比重進行跟蹤測定，并確保每車泥漿抽吸時間控制在2 h 內。

3.4 處理好施工障礙并提高作業人員素質

在具體頂管作業過程中，若工作面出現障礙物或塌方情況，若發現作業出現管位偏離、傾斜或變形情況，應當停止工作，立即解決障礙，處理好后再實施作業，這樣可有效保證作業質量及效率。此外，為了進一步提高大管徑泥水平衡頂管作業施工速度，還需提高技術人員素質，選擇具有豐富經驗的操作人員，把控頂管作業各類注意事項。

4 結語

綜上所述，大管徑泥水平衡頂管作業工藝有著許多優勢，在當前的頂管工程中常被使用，該項工藝的實施無須進行基坑開挖，且不會產生較大噪聲和污染，比較適合在城市中使用。經分析，本文提出了大管徑泥水平衡頂管作業施工速度的提高策略，包括嚴格遵循施工工藝流程并把控操作要點、處理好頂管作業的常見問題，從頂管機著手提高作業效率以及處理好施工障礙并提高作業人員素質。