泥水平衡式頂管施工技術在排水管道施工中的應用

張 勇 鄧力銘 周田園

（中國五冶集團有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

市政工程作為城市建設、發展的重要部分，包含城市道路、地下管線、隧道以及污水處理等工程，該類工程和人們的生活和生產存在緊密關聯，是保證人民生活水平的基礎條件。市政地下工程在施工過程中，為避免明挖開挖對周圍建筑物、公路造成影響，頂管施工則被大量研究和應用。頂管施工作為一種暗挖施工方式，具有較好的地層適應能力以及經濟性，并且可極大程度避免施工影響周圍建筑環境。但是，應用該技術時，作業面在施工時會導致土體發生擾動，影響施工效果，而泥水平衡式頂管施工技術不會造成這樣的影響。泥水平衡式頂管施工技術屬于一種機械自動化頂管施工方法，具有施工效率高、可連續頂進、安全性高等優勢，采用全斷面的方式完成土體切割，并利用泥水壓力進行土壓力和地下水壓力的平衡以及棄土輸出。通過該方式進行施工，能夠極大程度降低土體和管道之間的摩擦阻力，保證開挖面土體的穩定性，可有效避免發生垮塌現象。本文以某地區的市政地下排水管道工程為例，分析泥水平衡式頂管施工技術的應用及效果。

1 工程概況

某地區排水管道施工選用了泥水平衡式頂管施工技術。該工程穿越多條城市主干公路，并且施工范圍內存在密集住宅樓，必須避免施工造成公路和建筑的沉降[1]。

該排水管管道總長為5km，管徑為2m，管道材料為鋼筋混凝土管道，施工時采用分段施工完成。本文僅以其中的第2段頂桿施工為例，該施工段的頂進長度為805m，平均覆土厚度為8.5m左右，該區域的地下水水位在地面下2m左右。對該施工范圍內的地質情況進行鉆探勘測，獲取土層結果，如表1所示。

表1 土層的鉆探勘測結果

2 泥水平衡式頂管施工技術

2.1 泥水平衡式頂管施工工藝布置

結合上述地質勘測結果可知，該施工環境的土層屬于淤泥地質，并且地下水豐富且水位較高，容易導致頂進施工過程中，發生掌子面坍塌以及地表沉降等問題。因此，本文結合地質勘測結果、水位情況以及施工需求，采用泥水平衡式頂管施工技術完成排水管道施工。該施工技術的工藝布置如圖1所示。

圖1 泥水平衡式頂管施工技術工藝布置示意圖

2.2 施工設備選擇

為保證頂管施工效果，避免發生坍塌以及地表沉降，選擇巖盤破碎式頂管刀盤作為該工程使用的頂管機。該頂管機可有效避免滾刀磨耗、脫落造成的頂進效率降低甚至無法頂進等情況發生，并且該頂管機的動力性能更佳，二次破碎能力較好，可有效避免排泥管堵塞。

2.3 施工關鍵工藝控制以及參數計算

2.3.1 頂管施工參數計算

泥水平衡式頂管施工過程中，需精準掌握管道允許頂力Fd、頂進阻力F1、迎面阻力F2，以此保證管道頂進施工效果。如果管道外徑用D1表示，管道的頂進長度用L表示，管道外壁和土體的單位面積平均摩阻力用fk表示，則Fd、F1、F2的計算公式為：

式中：

φ1、φ2、φ3、φ5——依次分別對應強度折減、強度提高、材料脆性以及強度調整系數；

fc——管道受壓強度設計值；

Ap——管道的最小有效傳力面積；

γQd——分項系數；

Dg——頂管機外徑；

γg——土體容重；

Hg——覆土厚度。

除上述施工參數外，頂管施工過程中的泥水壓力P也尤為重要，該壓力能夠影響開挖斷面土體的穩定性，P的計算公式為：

式中：

γs——水容重；

h2——頂管機頂部和地下水位的高差值；

h1——地下水位和頂管機底部的高差值；

Δh——泥水壓力高出地下水的水頭差；

γ——泥漿容重；

h3——頂管機外徑。

依據上述公式計算泥水平衡式頂管施工技術的相關參數，保證頂管施工效果。

2.3.2 基坑導軌安裝控制

采用型號為YD-2000泥水平衡式頂管機進行排水管道頂管施工，在施工過程中，基坑導軌的安裝是保證頂管機施工的基礎。該導軌的間距為12m，長度為6m，在安裝前需先確定和校正管道中心位置；施工過程中，需定時進行該位置校核，以此保證導軌的安裝精度。導軌安裝完成后，需將副導軌安裝在預留洞內，并且其軸線高程和主導軌一致，以此避免機頭進洞后發生低頭現象，影響頂管施工效果[2]。

2.3.3 入洞控制

完成參數計算后，則進行頂管施工。頂管設備實際入洞前，需對泥漿數量以及密度進行檢驗，判斷其是否滿足施工需求。泥漿需選擇具有一定比重的黏土成分，并且結合實際工程需求，合理調整泥漿相對密度，實現泥漿壓力平衡，保證泥水平衡頂管施工效果。

在使用泥漿前，需采用機械設備對其進行攪拌，使其充分均勻后，將其灌入專用的儲漿罐內，靜置24h后檢測泥漿的黏度、比重等性能參數，確保其滿足應用標準后才能使用[3]。泥漿性能控制標準如表2所示。

表2 泥漿性能控制標準

泥水平衡式頂管施工整體流程為：引點測量→工作井施工→后墻安裝→井下基坑導軌安裝→地面輔助設備安裝→頂管掘進機吊裝就位→掘進機出工作井→頂進施工→頂管機進接收井。頂進施工過程中要嚴格控制頂進參數（見表3所示）。

表3 頂進參數標準

2.4 沉降監測

依據上述內容完成排水管道的頂管施工后，分析該施工技術的應用效果。本文采用設置沉降監測點的方式分析采用該施工技術后的沉降情況。

在施工段內，沿施工線路設置30個監測點，設置位置為軸線兩側5m處；存在建筑物的監測點則設置在轉角處[4]。參考相關工程標準，確定地表沉降值上限為50mm，建筑物沉降上限為40mm；兩者的風險預警值分別為40mm和32mm；變形速率上限值為4.2mm/d。

2.5 閉水試驗

閉水試驗是衡量頂管施工效果的重要標準，能夠衡量頂管施工的密封性，閉水試驗主要采用滲水量描述，其計算公式為：

式中：Di——管道內徑。

該工程的允許滲水量為0.025m3/（24h·km）。

3 測試結果分析

3.1 沉降結果分析

依據上述監測方法，獲取30個監測點的地表沉降結果和建筑物10處位置的沉降結果，如表4和表5所示。

表4 地表沉降結果

表5 建筑物10處位置的沉降結果

分析表4和表5可知：該工程采用泥水平衡式頂管施工技術完成排水管道施工后，施工段內沿線地表的沉降結果均在風險預警范圍內，均小于40mm，其中地表不同位置的最大沉降值為33.6mm；施工后14d，存在建筑物位置的最大沉降為23.9mm，均在32mm范圍內。因此，該工程泥水平衡式頂管施工技術應用效果較好，能夠避免地表和施工范圍內建筑發生較大沉降；極大程度保障了公路和建筑物的使用性能，滿足施工需求[5]。

3.2 滲水量分析

依據上述計算方法獲取頂管的滲水量，如表6所示。

表6 頂管的滲水量計算結果

分析表6可知：采用泥水平衡式頂管施工技術完成排水管道施工后，在不同時間段內，滲水量結果均＜0.025m3/（24h·km），其中最大滲水量為0.022m3/（24h·km），滿足施工標準。因此，泥水平衡式頂管施工技術在市政地下工程施工中，具有較好的施工效果[6]。

4 結束語

市政工程是關系民生和城市建設發展的核心工程，該工程包含多種地下工程項目，為避免傳統明挖開挖施工對于周圍建筑物、公路造成影響，同時保證流沙和淤泥地質的施工安全，其地下工程均采用泥水平衡式頂管施工技術。該項目的實踐證明：泥水平衡式頂管施工技術在地下工程的施工中，具有較好的應用效果，能夠極大程度降低地下管道施工引起的地表沉降以及建筑物沉降，滿足施工需求。