浅谈超长顶管工程施工技术

浅谈超长顶管工程施工技术

缪兵 罗云红 钟佑承

云南省铁路集团有限公司 云南 昆明 650000

摘 要：随着我国经济持续增长，城市化进程不断加快，深埋管线的现实需求也日渐迫切，为顶管施工工艺搭建的舞台已经稚形展露，顶管施工技术在我国已经拥有大量工程实践案例，无论在顶管施工技术上还是顶管机械设备上都取得了很大进步，但与此同时，仍显现出许多待解决的问题。本文通过对某项目的顶管施工，对长距离顶管施工过程中出现顶力不足、方向失控、塌方等问题的研究，提高顶管施工的安全性及准确性。

关键词：顶管工程；泥水平衡； 纠偏
1.工程概况

管道穿越城市道路，因为单顶顶距较长，结合地质勘察报告以及现场实际调查情况，采用泥水平衡法进行顶管施工，顶管长度管长650米，DN1350钢筋混凝土套管，工作井尺寸为8.5m×5m，接收井尺寸为5.5m×3.5m。套管与钢管内缝隙采用防水材料封堵。
2.泥水平衡的原理及特点

泥水平衡顶管工艺基本原理是将已调成一定浓度和比重的泥水，通过送泥水系统送至顶管机头前挖掘面处，泥水在挖掘面上形成一层不透水的泥膜，可阻止泥水向挖掘面里面渗透，同时调节泥水压力来平衡地下水压力和土压力，达到稳定挖掘面的目的；顶管机头前进的同时刀盘切削土体，被切削下来的残土与泥水充分拌和后，由排泥系统输送至地面泥水分离设备进行处理，分离出的残土被运走，泥水再送入送泥水系统循环使用。

泥水平衡顶管施工特点：① 适用的土质范围比较广，如在地下水压力很高以及变化范围较大的条件下也可适用；② 可有效的保持挖掘面的稳定，对所顶管周围的土体扰动比较小，因此施工引起的地面沉降很小；③ 与其他类型顶管相比，泥水顶管施工时的总推力比较小，尤其是在粘土、砂土层表现得更为突出，适宜较长距离顶管；④ 工作坑内的作业环境比较好，作业也比较安全。由于它采用泥水管道输送弃土，不存在吊土、搬运土方等容易发生危险的作业；可在大气常压下作业，也不存在采用气压顶管带来的各种问题及危及作业人员健康等问题。⑤ 泥水输送弃土的作业连续不断地进行，其施工进度快，能有效的保证工期。
3.泥水平衡设备系统构成

3.1泥水平衡顶进系统

泥水平衡顶进系统主要由以下几部份组成：① NPD泥水平衡顶管机；② 机内控制柜；③ 洞口止水圈；④ 环形护口铁；⑤ 马蹄形顶铁；⑥ 主顶油缸；⑦ 主顶油泵；⑧ 激光经纬仪；⑨ 后背板；⑩ 基坑导轨；⑾ 油缸架子

3.2泥水平衡进排泥系统

它主要由以下几大部份构成：① 泥水分离设备（沉淀箱及分离器等）；② 进水泵；③ 排泥管；④ 进水管；⑤ 基坑旁通；⑥ 流量计；⑦ 排泥泵；⑧ 进排泥泵控制柜；⑨ 进排泥软管；⑩ 流量调节器软管；⑩ 流量调节器。泥水平衡进排泥系统图如下：

泥水平衡进排泥系统图

针对地质特点，工程顶管均采用用的NPD1350泥水平衡顶管掘进机施工，配备进口刀具和减速机，可满足长距离顶管需要。同时该机对挖掘面的土压平衡控制精确，操作简易，施工过后的地面沉降很小。工程实际监测结果表明，施工过后的地面沉降量控制在-10mm~5mm范围内，效果较好。

NPD型泥水平衡顶管机采用一种新颖的多边形偏心结构，顶管机的刀盘和泥土仓均采用多边形棱体、且刀盘轴线与主轴之间有一个偏心距，顶管机具有结构简单、轧碎卵石效率高、主轴、减速机泥水密封性能好，泥土仓内的高塑性粘土不易堵塞等优点。

顶管机是一种土压平衡和泥水平衡的双重平衡顶管机，切削下来的泥土在泥土仓内形成土压的塑性体，以平衡土压力；另外，在泥水仓内建立高于地下水压力10~20Kpa的泥水压力，以平衡地下水压力；同时，把进水添加粘土等成分的比重调整到一定范围内，可以在挖掘面是砂的土质中形成一层结实的不透水泥膜，此时的泥水压力又可以同时平衡地下水压力和土压力，所以该型顶管机施工过后的地面沉降很小。
4顶进施工

工作坑内设备安装完毕，经检查各部处于良好状态，即可准备进行出土和顶进。首先将管子下到导轨上，就位以后，装好顶铁，校测管中心和管底标高是否符合设计要求，合格后即可进行顶进施工。，其操作过程如下:

（1） 安装好顶铁挤牢，管前端到一定长度后，启动油泵，千斤顶进油，活塞伸出一个工作行程，将管子推向一定距离。

（2） 停止油泵，打开控制阀，千斤顶回油，活塞回缩。

（3） 添加顶铁，重复上述操作，直至需要安装下一节管子为止。

（4） 下顶铁，下管，在混凝土管接口处放木垫圈，以保证受力均匀。

（5） 重复以上操作。

泥水平衡式顶管的出土采用全自动的泥水输送方式，被挖掘的土通过在机舱内的搅拌和泥水形成泥浆，然后由泥浆泵抽出，高速排土。在沉井上部砌沉淀池。沉淀的余土外运需按文明施工要求和渣土处理办法，运到永久堆土点，不得污染沿途道路环境。

5顶进过程的控制要点

5.1顶进过程的方向控制要点

1、有严格的放样复核制度，并做好原始记录。顶进前必须遵守严格的放样复测制度，坚持三级复测：施工组测量员→项目管理部→监理工程师，确保测量万无一失。

2、布设在工作井后方的仪座必须避免顶进时移位和变形，必须定时复测并及时调整。

3、顶进纠偏必须勤测量、多微调，纠偏角度应保持在10′～20′不得大于0.5°，并设置偏差警戒线。

4、初始推进阶段，方向主要是主顶油缸控制，因此，一方面要减慢主顶推进速度，另一方面要不断调整油缸编组和机头纠偏。

5、开始顶进前必须制定坡度计划，对每一米、每节管的位置、标高需事先计算，确保顶进时正确，以最终符合设计坡度要求和质量标准为原则。

6、顶进纠偏是采用调整4台纠偏千斤顶组的办法，进行编组操作，若管道偏左则千斤顶采用左伸右缩方法，反之亦然，如果同时有高程和方向偏差，则应先纠正偏差大的一边，顶进时必须严格控制机头的走向，随时纠偏，控制好管道的线形。

7、纠偏时应做到在顶进中纠偏，采用小角度分次逐步纠偏，勤调微纠。纠偏工作尚应在仿真分析的指导下进行。

8、在顶进中顶管机头发生旋转时，可采取在管内的相反方向增加压重块或在中间站提供旋转纠正力矩等方法，直到正常，以防止偏转增大，影响后续工作。
5.2减阻施工要点

顶管随着距离的增长，管道经过不同的土质时，摩阻力上升的很快，一旦顶力超过混凝土管所承受的极限时，混凝土管就有可能破坏，因此管壁外的减阻是工程顺利完成的必要措施。

通常我们采用在混凝土管周围注触变泥浆，将混凝土管与土之间的干摩擦变为湿摩擦，达到减阻的目的。一般混凝土管壁与砂层土体的摩擦力达2～3t /m²，而采用触变泥浆减阻后，摩阻力可以减少到0.3～1.2 t/m²。在长距离混凝土管顶进中，必须采取触变泥浆减阻措施，以增加一次顶进长度。

触变泥浆通过制造、储存、压浆系统，从工具头处压入触变泥浆，形成一定厚度（12mm左右）的泥浆套，间距8m设一道补浆孔，使顶管在泥浆套中向前滑行，减少摩阻力，根据压力表和流量表，计量桶控制用浆量，压力控制在自然地下水压的1.1～1.2 倍。制备泥浆的配比须经试验，以确保泥浆性能良好，必要时可加其他外加剂。

1）压浆数量和压力

第一次压浆量为管道外周环形空隙的1.5~2.0倍，压注压力根据埋设深度和土的天然重量而定，在顶进过程中，还应根据不同的土质条件和覆土厚度变化等适当调整压浆量和压力。

2）压浆孔的布置

每一压浆断面设置3个压浆孔，按圆周120°布置。压浆孔应在工厂加工好。

注浆断面的位置，拟在机头及其后面每隔8米均设置。为使泥浆能及时将管壁空隙灌满，灌浆速度要与顶进速度相适应，注意观察，防止跑冒，并保证泥浆达到量。

为达到良好的减阻目的，在施工操作上必须“先压浆后顶进、边压浆边顶进、停顶进勤补浆”的办法维持泥浆套的性能。

6顶管施工纠偏控制

在顶管施工中，管道高程、轴线偏差控制的质量高低是顶管施工成败的关键所在，若管道偏差过大会带来诸多不良影响，轻者顶力增大，重者管内漏水漏浆，甚至导致整段管道无法使用，所以，纠偏是顶管施工中极为重要的一环。简单来说，机械顶管只需通过控制几个纠偏油缸的伸缩，就能够使顶管机逐步恢复到正确的轴线位置。但工程中由于操作人员的经验、土质差异以及不同顶管机结构和控制上的不同，经常会导致纠偏出现偏差。顶管施工过程的纠偏策略如下：

6.1勤纠微纠，多校正轴线 

对于顶管施工来说，理想的顶进线路当然是完全沿着设计轴线顶进，但在实际施工中由于各种原因，造成了顶进轴线实际是一条曲线。为了使实际轴线尽可能的趋向设计轴线，纠偏的幅度要小，纠偏的动作要勤。 

在施工过程中，轴线的校正非常重要。所有测量数据都是建立在轴线正确的基础上，如果轴线错误，就有可能导致纠偏错误，如不及时纠正，就会导致严重后果。在实际施工过程中，由于各种原因会造成轴线发生偏差。所以在顶进一定的里程以后一定要校正轴线。 

6.2 纠偏措施要有针对性和预见性 

工程地质情况复杂，有时相隔很近的距离地质情况大不一样。对付不同的地质所采取的纠偏措施也不一样。在土质较软的情况下，由于机头较重，机头容易下沉，特别是在淤泥中，机头下沉非常快。在这种土质中，可以采取加大下部油缸伸出量和加快顶进速度的办法来避免机头下沉。而在土质较硬的情况下，特别是在机头上下部土质不一样，下部土质比上部土质硬的情况下，容易抬高机头，在这种土质中，应适当的加大上部纠偏油缸的伸出量，控制顶进速度，让刀盘把前方的硬土磨空再顶进。正是由于地质变化较快，我们的纠偏措施更加有预见性，在顶进之前做好详细的地质调查，心中有数。同时在纠偏幅度较大的情况下，随时注意反纠偏，防止纠偏过大。 

6.3顶进中发现管位偏差10mm左右，即应进行校正。纠偏校正应缓缓进行，使管子逐渐复位，不得猛纠硬调。

6.4思想上高度重视纠偏 

总结以往顶管工程多次质量事故的发生，其中一个很大的原因就是没有在思想上引起足够的重视，没有预见到事故发生的可能性。质量事故的发生是一个渐进的过程，在这一过程中，施工人员及时发现并采取相应的纠偏措施是可以有效阻止管道偏差扩大的。

7.进出洞控制

7.1洞口止水密封措施

顶管过程中，无论是从工作坑进洞还是出洞，砼管与洞口间都留有空隙，如封闭不严，地下水、触变泥浆和泥砂均从该间隙中流入坑内，影响坑内作业，严重时造成洞口塌落，造成安全事故。同时做好前后封闭是顶管能否用好减阻的重要措施，否则触变泥浆在管外壁形不成减阻的泥浆环套，达不到减阻作用，因此洞口必须做好止水密封这项工序。

目前止水方法有多种，一般采用现浇砼方法，在洞口位置浇注300mm厚钢筋砼止水墙，浇注面积根据顶进管径大小确定，一般大于外管径，1.0m范围，在墙外侧安装3道止水橡胶圈，橡胶圈内径及外径根据砼管外径确定，各橡胶圈中间用10mm厚钢板做为隔挡和固定橡胶圈之用，止水圈橡胶采用10mm~12mm厚橡胶圈，止水圈橡胶质量应达到拉伸度≥300％，邵氏硬度在50，+5°范围内。

止水橡胶圈安装，可采用在砼墙上预埋地螺栓或打孔安装膨胀螺栓，固定止水圈压板。压板胶圈中心应和砼管中心同心。

7.2洞口加固措施

机头进出洞口工作是一项很重要的环节，要加倍认真对待，确保其安全性、可靠性。根据专家认证意见，机械顶管施工必须考虑洞口处土体加固，确保施工安全，针对这一意见对原方案进行修改，结合该项工程地质水文情况，为防止洞口处土体塌陷，对进洞口处采用超前小导管注浆加固措施，对出洞口处采用垂直注浆加固措施。

7.3 进洞口小导管注浆加固措施

由于顶管所处地层基本在砂层，土质松散地下水较严重，在开设洞门前，采用超前小导管注浆加固措施，对洞门前地基土壤进行改良加固，具体施工方案：在洞口上部180°范围内，顺顶管方向布设长3.0m ф48的注浆花管，花管间距为50mm，采用风动凿岩机或夯管机，将花管打入土中，花管倾角为5°~8°适宜。注浆前用压缩空气将管内积物吹净，并将管尾部及孔口周边空隙封堵严实，注浆利用预埋的花管向土内注入浆液，浆液采用改性玻璃浆液现场配置，已配置制好的浆液需在规定时间内用完，注浆中随时检查各连接管件的状态，防止跑浆，对注浆速度严格控制，注浆压力不小于0.2MPa。

7.4 出洞口垂直注浆加固措施

出洞口处地基加固，采用垂直注浆加固，注浆范围长度3.0m，宽度根据管径大小为，管外径2.0米，深度为管顶以上高度，布点间距为2.0m，采用梅花形分布注浆材料采用水泥浆，浆液配合比按0.6：1水灰比进行现场配置。注浆时做好每个孔记录，注浆加固完成后，必须对注浆效果进行检查，以确保注浆质量，检查方法有分拆法、钻孔检查法和雷达检测法。
8.结语

顶管施工技术作为非开挖施工法中重要的一支，一直以来受到业界的热切关注。这种依靠尽可能小的开挖面积，达成较长距离地下管道铺设目的的施工技术，能够穿越公路、铁路、河流和地面建筑，对环境和交通不会造成影响，同时不会引起一般市政工程常有的噪音，粉尘，振动和废气。与开挖施工法相比之下，这种明显的优势使得顶管施工技术在短期内迅速被人们所接受，并广泛应用到污水截污、公路铁路过路、自来水管道、供气管道等各种类型的地下管道穿越工程中。

参考文献：

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[2]伊易，长距离顶管管道失稳分析.建筑施工。

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