泥水平衡顶管法施工工艺研究

泥水平衡顶管法施工工艺研究

冯昌民

中国通号（郑州）电气化局集团有限公司 河南省郑州市 450016

摘要：本文依托洛阳市310国道东段线路改造工程中新增污水管下穿焦柳铁路施工内容为背景，详细介绍了泥水平衡法顶管在施工中的应用，分析了泥水平衡法顶管施工中的常见问题，并提出了针对性的解决措施，取得了良好的施工效果。

关键词：泥水平衡；顶管；施工；工艺研究

0．前言

随着城市管廊配套基础设施建设的发展，管道穿越高速公路、铁路、建筑物等特殊地段的工程逐渐增多，传统的人工掏土顶管施工，因易坍塌、效率低、受周边环境制约等缺点越来越不适合于现场施工，泥水平衡顶管施工基于其机械化程度高、长距离顶进等优点，切实解决了施工中受地形限制、顶管长度限制、施工安全、环境污染等传统顶管存在的各项问题，在我国近年来逐步得到推广和应用。

1．工程背景

洛阳市310国道下穿焦柳铁路工程自西向东依次穿过焦柳铁路上行、下行线，在公路里程K6+878.6处下穿焦柳铁路上行线，相交处焦柳铁路下行里程为K113+768.3，与上行线夹角为70.5°，与下行线夹角为70.8°。根据洛阳市污水管网规划调整，310国道东段需新增污水管下穿焦柳铁路，本次新增污水管在中州渠南北两侧设置，管道内径1.2米，壁厚0.12米，距离既有桥墩小于20cm的，管道采用泥水平衡法顶进施工，全长52米，距离原地面最小距离6.9米，本文对单侧管涵顶进施工进行研究，施工平面示意图如1所示。

图1南侧污水管平面

本工程所处地质情况主要以粉土为主，夹杂砾石、中粗砂，粒径一般在1-4cm，个别5-8cm，含量15%-30%，磨圆度较好，最大揭露厚度1.6米。经调查周围无管线暗埋敷设。圆管涵在铁路东侧设置圆形始发井，井内径10.0m，壁厚1.0m，底板厚1.2m，井深10m，铁路西侧设圆形接收井，沉井内径6.0m，壁厚0.6m，底板厚0.8m，井深9.0m。井壁上均预留顶管孔和污水管道入井口。沉井均采用C45钢筋混凝土结构，抗渗等级P8。圆管涵分节制作，每节长2.0m，内径1.6m，管壁厚0.16m，共26节，涵长52m。

2.泥水平衡顶管施工的工艺原理

泥水平衡式顶管机是利用泥水压力来平衡顶进工作面上的水压力和土压力，采用机械掘进的施工技术，其工艺原理为：当接通机头刀盘电动机的电源开关时，刀盘就被驱动并以均匀速度对土体进行切削，刀盘可以根据土压自动前后移动，在顶进中起机械支撑开挖面的作用，维持挖掘面的土压。通过刀盘切削，将相当于管子顶入土壤同体积的泥土进入泥水仓，土将相当于管子顶入土壤同体积的泥土进入机头泥水仓内，由供水管向泥水仓内供水，泥土在泥水仓内与泥水混合成泥浆后，再由排泥管道排到泥浆池，泥浆经沉淀或分离后泥水可重复利用，残渣外运；掘进过程通过调节循环水压力用以平衡地下水压力。在切土、排泥时同步采用等压油缸持续顶进套管，同时通过机头内设置的4处纠偏油缸进行纠偏，在顶进过程中，加注触变泥浆填充管道周围的空隙，形成一道泥浆保护套，起到支撑地层，减少地面沉降，减少顶进阻力的作用。

3.泥水平衡法顶管施工工艺流程

按照设计要求将沉井结构及沉井后背旋喷桩加固做完以后开始进行顶管设备选用及安装。

3.1顶管施工工艺流程图

图2 施工工艺流程图

3.2 顶进设备的选用

本工程根据计算顶力数据，拟采用泥水平衡顶管机TP2000型顶进设备。顶进设备主要包括千斤顶、高压油泵、顶铁、顶管机及排浆设备等。

千斤顶是掘进顶管的主要设备，考虑到为避免千斤顶故障而影响工程进度，故采用两套设备。千斤顶在工作坑内的布置采用两台并列式，顶力合力作用点与管壁反作用力作用点应在同一轴线防止产生顶时力偶，造成顶进偏差。

高压油泵由电动机带动油泵工作，经分配器，控制阀进入千斤顶，各千斤顶的进油管并联在一起，保证各千斤顶活塞的出力和行程。顶铁是传递和分散顶力的设备。要求它能承受顶压力而不变形，并且便于搬动。顶进设备布置图见图3。

图3顶进设备布置图

3.3 设备安装及试运行

泥水系统、注浆系统的安装:泥水分离系统及注浆系统应靠近工作井边，安装在地面上适当的位置，符合便投料和排放所需落差的工艺要求，可以减少排泥管路过长而产生的管路摩阻力。注浆系统尽量使用螺杆泵以减少脉动现象，浆液应保证搅拌均匀，系统应配置减压系统。

顶管设备安装：在安装前必须测量好顶管轴线，设备机身托架采用钢结构，在安装时严格控制轴线与高差，轴线控制在3mm以内，高差控制在0～+3mm以内，两轨内距±2mm。在安装调平时确定砼后靠背的位置，后靠背采用20mm厚钢垫板，砼采用商品砼，后靠背的砼厚度100cm。采用20t吊车将工具头下到导轨上，就位以后，装好顶铁，连接好各系统并检查正常后，校测工具头水平及垂直标高，然后安放中继节，再次测量标高，核定无误后，开动工具头进行试顶，待调整好各项参数后即可正常顶进施工。

配套设备安装：工作井总电源闸箱及用电设备必须执行三相五线制，且安装漏电保护装置，工作坑及管内使用36V以下的照明设备。顶管机头内应设有应急照明电源，顶管机机头、工作坑及地面设备之间设置通讯联络设备。使用激光经纬仪或激光指向仪与安装在顶管机内的激光目标靶共同组成方位误差测量系统，对顶进的高程的轴线误差进行全过程的监控。工作井内测量仪器的基座不能固定在主顶装置底盘、工作井后背或其他可能在顶进受力时产生变形或位移的基础上，应安装在独立的固定基座上，以减少重复移动和调整次数。

设备试运行：所有设备安装就位后检查合格后，进行顶管机电路、油路、注浆系统的安装调试。设备试运行之前，应对设备的安装，各种管线、电缆的连接进行检查，确认安装和连接无误后方可接通电源。设备的试运行应遵照设备说明书进行。通过试运转查找和消除设备可能存在的所有问题，确认其处于完好状态。

3.4 顶管机始发

顶管机出洞前必须对所有设备进行全面检查，并经过试运转无故障。将顶管机推进洞口距井壁0.1m处停止，仔细检查顶管机姿态，确保顶管机水平及高程偏差都在设计要求的范围内，中心偏差不得大于3mm，高低偏差0～+3mm。若达不到上述要求，也应拉出顶管机，作第二次出洞。

继续推进顶管机进入土体，根据顶管液压系统的参数，结合理论数据，顶出推进土压力控制系数。继续推进顶管机，在安装第一节管前，应将顶管机与导轨之间进行限位焊接，以免在主顶缩回后，由于正面土压力的作用将顶管机弹回。

缩回主千斤顶，吊放管节。割除限位块，前三节与顶管机连接用刚性连接后，继续顶进。

3.5 顶进

顶管机机头的方向主要受导轨安装方向控制，一方面要减慢主顶推进速度；另一方面要不断地调整油缸纠偏。

严格控制前5m-10m的管道顶进偏差，其中心偏差不得大于3mm，高低偏差0～+3mm。在顶进过程中坚持“勤测、缓纠”的原则。纠偏角度保持在10′～20′，不大于1°。如果产生偏差，及时纠正。纠偏应逐步进行，坚持“缓纠、慢纠”的原则。

注浆应和顶进同步进行，其原则是先注浆，后顶进；随顶进，随注浆；以保证管外围泥浆套的形成，充分发挥减阻和支撑作用。在顶进过程中避免长时间的泥浆停注，保证顶进过程中的全部管段充满良好的泥浆套。

顶进过程中根据顶力变化和偏差情况随时调整顶进速度，速度一般控制在50mm/min左右，最大不超过70mm/min。

管道顶进至离工作井前方内壁50cm时，应卸载，收回油缸和垫铁安装管节，然后继续顶进。

加注触变泥浆：顶管机外径宜比顶进管子外径大2~6cm，注浆后使土体与管子间形成10~30mm厚的泥浆环。顶进过程中，加注触变泥浆填充管道周围的空隙，形成一道泥浆保护套，起到支撑地层，减少地面沉降，减少顶进阻力的作用。

顶进中严密注意顶进时的方向及顶力的大小变化，对于顶管处于不良地层时，出现机具两侧的受力不均匀现象，应及时调整机具的工作状态，以保证顶管方向准确。

顶进千斤顶，观察工作仓的土压力表，调节渣浆泵的流量达到工作仓的泥水平衡，当进泥和吸泥泵稳定工作时，调节进泥和吸泥的泵量，使工作仓内应保持一定压力，仓内泥水压力应与地下水压力相平衡，泥水压力过大，地面隆起;泥水压力过小，地面沉陷，所以控制顶进与出泥的速度相当关键。然后操作油缸进行顶进，直到顶进一节管。拆除供水、排泥管路，采用吊车将下一节套管安装到作业坑内，套管接口位置设置止水胶圈，套管接触位置为减小应力集中，沿套管对接位置安装5mm后五合板缓冲垫片，重新安装好排泥和供水管路，检查机具、设备正常后，启动顶管机机头和千斤顶，继续顶进，再次顶进，重复以上步骤，直至顶管完毕。

顶完一节管后，停止电源，关闭进出泥系统旁通，千斤顶回油，活塞回缩，拆开所有管线(电力电缆、信号线、油管、进出泥浆管、触变泥浆管)，吊装下一节套管，安装好所有管线、管路、电源后，继续顶进。

泥水处理系统处理，通过向刀盘注入含有一定浓度的泥浆，通过大刀盘切削工具头前方的原状土，与注入的泥水搅拌，泥水通过吸泥泵排到地表泥水处理系统处理，泥浆可以反复循环使用，处理好的泥沙用泥浆车外运。

3.6 机头进洞

在顶管到达距接收井4m时，停止第一节管节的压浆，并将压浆位置逐渐后移，保证工具头在出洞前有4m左右的完好土塞效应，避免在出洞过程中减阻泥浆的大量流失而造成管节周边摩阻力骤然上升。同时适当减慢顶进速度，加大出土量，逐渐减小正面土压力，以保证洞口处结构稳定和工具头设备完好。

工具头顶进至出洞段前，应对顶进的轴线、里程进行复测，确保顶管顺利出洞。机头推进到距接收井约2.0m处，拆除接收井洞口处的工字钢及砖墙，洞口处的土体开裂并向外凸出，仔细测量机头上、下、左、右的四个方向，与出洞口的大小、位置合适时，启动主顶油缸继续推进。待工具头出洞后，顶至机壳边与洞圈内边同一平面处停止顶进，及时封堵洞圈，以防洞口漏浆。

顶管施工完毕后进行污水管道安装，污水管道安装前应对顶管与沉井井壁进行连接，随后通知业主进行污水管道基础施工、管道安装及检查井施工。污水管道铺设完成后，套管采用吹填细砂，随后对洞口进行砖墙封堵，随后进行沉井回填，回填时与污水检查井施工同步进行。回填时采用小型夯机进行分层夯实。

4.泥水平衡法顶管施工中常见问题的处理措施

4.1.管道顶进偏位过大

原因分析:机头纠偏系统发生故障;每次掘进机长度与所顶管子直径不成比例;掘进机纠偏长度小，纠偏力度不够;机头测量系统故障，测量数据失真;不能及时纠偏，位移偏大后纠偏幅度过大造成二次偏位;信号传输错误;土质变化较大，开挖面失去稳定性。

处理措施：掘进机进场后，要派专人对其进行调试、保养、维修、检修完成后集中验收；机头设计充分论证后反复试验，性能稳定后方准许出厂；进行施工队、项目部、监理三级测量复核制度；经常对工作井的位移进行测量复核；勤测量、微纠偏原则；随时确定机头动态曲线图，以曲线图来指导纠偏工作。

4.2.顶管区域周边地面发生大面积沉降

原因分析：掘进机正面土压失衡引起的沉降与隆起；管道外周空隙引起的沉降与隆起；管道与周围土体摩擦引起的沉降与隆起；管道接口渗漏引起的沉降与隆起。

处理措施：施工前应对距离管道较近的建筑物和其他设施制定切实可行的加固保护方案，仔细研读该工程地质勘察报告，了解地质情况，结合工程实际选用正确机头。随时观察千斤顶的顶推力，发现异常及时找原因，保证顶进推力与前端土体压力动态平衡。施工时随时检测管道高程和轴线偏位情况，发现偏差要及时纠正，避免发生较大偏位后大幅度纠偏造成土体大面积移动引起沉降，避免纠偏力过大造成管道破损、管端碎裂、接口密封失效，从而使顶管泥浆顺管道流失造成地面大面积沉降。顶进过程中由于工具管直径比顶管直径大，所以顶进过程中应及时足量地注入满足要求的润滑支承材料，保证管道四周空隙泥浆压力符合要求。顶管完成后及时用水泥浆或粉煤灰浆等进行置换。管道承口插口之间选用合格密封圈，承口钢板保证圆度，谨防渗漏。

4.3.顶推力突然变大

原因分析：管道周围地质情况突然变化造成土层塌方或工具管前端遇到管线或较大石头，使阻力增大；减阻介质膨润泥浆配比突然变化或注浆管堵塞，减阻效果下降，使摩擦阻力骤然加大；顶进设备油泵、油缸、油路或压力表等出现故障；顶进施工中因各种原因停顿时间过长，润滑泥浆失水失去减阻效果。

处理措施：做好护壁，随时用探头监测机头前障碍物情况，遇见管线要进行改移；顶管顶进过程中，必须密切检测顶进轴线和高程，及时纠偏，使管道轴线被控制在合理范围以内；顶进施工前应派专人对顶进设备进行调试、保养、维修、检修完成后集中验收；顶进停止时间间隔不能过久，发生故障应及时快速排除。

4.4.管道接口渗漏

原因分析：在运输、装卸、安装过程中管节破损或管节和密封材料质量不满足技术标准；管道顶进过程中纠偏不及时或纠偏不到位造成轴线偏差过大，进而造成接口错位、管口破裂、橡胶止水圈封闭不严；管道接口或止水装置选型不符合要求

处理措施：渗漏较小可用环氧树脂水泥砂浆抹到渗漏处，如管口破裂渗漏严重则需要大面积化学注浆的方法进行处理。

5．结语

泥水平衡顶管施工在保证质量的前提下可缩短工期，且能有效保持挖掘面的稳定，对管体周围的土体扰动也小因此适用于长距离的管道施工中。本工程的顶管施工，由于各个技术环节考虑充分、全面，质量措施得当、管理到位，施工任务圆满完成，可为类似工程提供参考。

参考文献

[1]刘冠哲,刘洪宇,曹国书.泥水平衡法顶管施工工艺的工程应用[J].市政技术,2011(s1):103-105.

[2]许磊,易立新,刘永生.泥水平衡顶管施工中若干技术问题的探讨[J].资源环境与工程,022(s2):61-66.

[3]张红乾.浅谈泥水平衡法顶管施工工艺及应注意的问题[J].科学之友(03):19-20.

[4]袁运光,李雷.泥水平衡顶管施工工艺在污水管网敷设中的应用[J].珠江水运,2019(12).