長距離頂管施工主要技術措施

摘要：在同一個工作井內，雙向頂進，分別雙管同時頂進604m與614m，由于合理選擇了工具管形式，成功地解決了軸線控制和減阻泥漿等技術難題，只用了95天就完成了全部頂進施工。

關鍵詞：頂管工程 減阻泥漿 軸線控制 中繼間實用糾偏 止轉技術措施 水力機械化施工

一、工程概況

無錫市錫澄供水一期工程3標段φ2200渾水管頂管工程是無錫市錫澄水廠建設工程的一個重要組成部分。頂進總長為2436米，分4段進行頂進，頂管工作井1座，兼顧雙向頂進，其中向東頂進長度為1208m（單根長度604m），向西頂進長度為1228m（單根長度614m），接收井2座，4根長距離頂管均順利進洞。每一頂程均采用雙管平行交叉頂進，交叉頂進的兩個管道的進尺差距為30米。西側頂管管中標高-5.6m，東側頂管管中標高-2.6m，雙管中心間距為6.0米，埋深6.0～8.0m， 采用平坡頂進。頂管材料為鋼管，外徑d2236mm，壁厚為20mm。

二、地質資料

根據地質資料，場地內埋藏的地層有人工填土層、第四系沖湖積層。各地層的野外特征自上而下依次描述如下：

A、人工填土層①：屬素填土，褐黃色、褐灰色，主要由粘性土組成，含植物根莖，結構松散，尚未完成自重固結，層厚0.60～2.60m。

B、第四系沖湖積層：

粉質粘土②： 褐灰色、青灰色，呈很濕，軟塑~流塑狀態，搖震無反應，切面光滑，干強度及韌性中等。場地內各勘探孔均遇見該層。層底標高為-1.65～1.2m，層厚0.9～2.80m。

粉質粘土夾粉土③：褐灰色、灰色，粉質粘土呈很濕，軟塑～可塑狀態，粉土呈松散～稍密狀態。層底標高為-7.75～-1.96m，層厚2.3～6.1m。

粉土夾粉砂④：黑灰色，青灰色，呈飽和，稍密，壓縮性中等，含云母，夾少量粘粒，搖震反映迅速，土面粗糙，干強度及韌性低。

三、工具管選型

根據地質資料顯示頂管所穿越的土層為粉質粘土②和粉質粘土夾粉土③。因此選擇性能優良的頂管機是工程成敗的關鍵，經公司總工室、工程部會同各有關方面論證，認為采用泥水加壓機械平衡頂管機施工是較為合理的選擇。

四、主要技術措施

1.減阻泥漿運用及相應的置換措施

頂力控制的關鍵是最大限度地降低頂進阻力，而降低頂進阻力最有效的方法是進行注漿。頂進時通過頂管機鉸接處及管節上預留的注漿孔，向管道外壁壓入一定量的減阻泥漿，在管道四周外圍形成一個泥漿套，減小管節外壁和土層間的摩阻力，從而減小頂進時的頂力。

泥漿套形成的好壞，直接關系到減阻的效果。為了做好壓漿工作，。頂進時，頂管機尾部的壓漿孔要及時有效地跟蹤壓漿，確保形成完整有效的泥漿套。

由于頂進距離長（600m長），一次壓漿無法到位，需要接力輸送，為此在管道內300m處設一接力站，解決了頂進時同步跟蹤壓漿和沿線補壓漿的難點。

減阻泥漿有關技術參數：地表沉降控制要求一般的頂程

減阻泥漿使用應根據現場土質情況、頂力情況，采取合理的施工工藝，本工程在流砂層中頂管，在頂管過程中泥漿流失嚴重，為確保泥漿套完整，為改善頂力，采用以下3種壓漿方式：

①推進時機頭段跟蹤注漿；

②推進時全條管線補壓漿。

③推進結束后，由于焊接鋼管管口時間過長，需3小時全線補壓漿1次。

減阻泥漿的置換：

全線頂進完畢后，對管線外側的漿套進行水泥固化置換，不同土層水泥配比不一樣，水泥參入一定的固化劑在最后排漿孔向外壓出直到最前排漿孔冒出水泥漿，然后上壓漿孔悶頭，前后壓漿孔封住，置換水泥完成，固化管位，減小頂管土體沿線后期沉降。

1）置換泥漿采用水泥和粉煤灰混合，兩者比例為7：3。

2）用量按填充管壁與土層之間間隙d的1.2倍，最大不超過d的1.5倍。

3）拆除注漿管路后，應將管道上的注漿孔封閉嚴密；

2、中繼間應用

本頂管工程頂進斷面主要為④層砂質粉土夾粉砂，隨后的頂進主要在⑤層淤泥質粉質粘土和淤泥質粘土中進行。因土層變化較大，頂進阻力在各土層中不同，考慮到長距離頂管的特殊性并結合以往同類工程的施工經驗，原施工組織設計中600m頂程擬按150m間距布置1只中繼間進行接力頂進，每段頂管擬布置3只中繼間，4段頂管計劃使用12只中繼間。

中繼間由前殼體、千斤頂及后殼體組成。前殼體與前接管連接，后殼體與后接管連接，前后殼體間為承插式連接，兩者間依靠橡膠止水帶密封，防止管道外水土和漿液倒流入管道內，鋼殼體結構進行精加工，保證其在使用過程中不發生變形。中繼間殼體外徑與管節外徑相同，可減少土體擾動、地面沉降和頂進阻力。中繼頂的鉸接處設置4只注漿孔，頂進時可以進行同步注漿，減小頂進阻力。

中繼間的布置部位如下表：（不計入中繼間本身長度）

注：第一頂程為往西兩段頂管（1#、2#），頂管單根長度604m；

第二頂程為往西兩段頂管（3#、4#），頂管單根長度614m；

對于長距離頂管來說，為減小頂力，確保順利進洞，其關鍵時在頂管頂進過程中向頂管外側壓注潤滑泥漿以形成高質量的泥漿套。

在實際頂進施工中，由于減阻泥漿運用合理，頂管軸線控制較好，頂管頂力得到了有效的控制，中繼間位置先后兩次根據實際頂力情況作了調整，最終1#頂、2#頂、4#頂每段頂程只設置了2只中繼間，3#頂只設置了1只中繼間，4段頂管累計使用了7只中繼間，比計劃使用12只中繼間，節省了5只中繼間，節約了資金，也減少了后期處理工作。并且在實際頂進過程中7只中繼間均未啟動，各段頂管均順利進洞，施工中最大頂力小于8500kN。

3、測量及軸線控制

在頂進過程中，經常對頂進軸線進行測量，檢查頂進軸線是否和設計軸線相吻合。在正常情況下，每頂進1m測量不少于1次，在出洞、糾偏、到達終點前，適當增加測量次數。施工時還要經常對測量控制點進行復測，以保證測量的精度。

在實際頂進中，頂進軸線和設計軸線經常發生偏差，因此要采取糾偏措施，減小頂進軸線和設計軸線間的偏差值，使之盡量趨于一致。頂進軸線發生偏差時，通過調節糾偏千斤頂的伸縮量，使偏差值逐漸減小并回至設計軸線位置。

施工過程中，及時了解工具管的趨勢對糾偏十分有利。如果軸線偏差較小，且趨勢較好(沿設計方位)，就可省去不必要的測量和糾偏，提供更多的頂進時間；如軸線偏差較小，但工具管前進趨勢背離設計軸線方向，則要及時進行有效的糾偏，使工具管不致偏離較大。

測量采用高精度的全站儀，激光經緯儀和水準儀。工具管內設有坡度板和光靶，坡度板用于讀取工具管的坡度和轉角，光靶用于激光經緯儀進行軸線的跟蹤測量。

4、實用糾偏、止轉技術措施

在施工過程中，要根據測量報表繪制頂進軸線的單值控制圖，直接反映頂進軸線的偏差情況，使操作人員及時了解糾偏的方向，保證頂管機處于良好的工作狀態。

在實際頂進中，頂進軸線和設計軸線經常發生偏差，因此要采取糾偏措施，減小頂進軸線和設計軸線間的偏差值，使之盡量趨于一致。頂進軸線發生偏差時，通過調節糾偏千斤頂的伸縮量，使偏差值逐漸減小并回至設計軸線位置。在施工過程中，應貫徹“勤測、勤糾、緩糾”的原則，不能劇烈糾偏，以免對管節和頂進施工造成不利影響。

本工程測量所用的儀器有全站儀、激光經緯儀和高精度的水準儀。頂管機內設有坡度板和光靶，坡度板用于讀取頂管機的坡度和轉角，光靶用于激光經緯儀進行軸線的跟蹤測量。

止轉措施：

由于采用大刀盤泥水加壓平衡頂管機施工，不可避免會引起頂管機旋轉，繼而帶動管節旋轉，影響施工，可以設置止轉板將相鄰管節串連起來，留有適當的間隙。同時在頂進工程中通過大刀盤的反向旋轉以在特殊管二側備置平衡塊克服管節的旋轉。

5、水力機械化施工

Φ2236mm輸水管頂進距離分別為604m和614m，采用大刀盤泥水加壓機械平衡頂管機施工，因此泥水系統的配置是工程成敗的關鍵之一，根據類似長距離頂管施工的經驗并結合本工程的特點，作如下安排。

利用工地原有的池塘，進行必要的加深，留有足夠的容量，筑壩分隔成清水池和泥漿沉淀池，并用2根Φ6”鋼管連通泄水。在清水池旁設置2臺5級泵向管路供水，2臺交換使用，泵口出水壓力為P=1Mpa，流量Q=150m3/h。在供水管路上設置1臺接力泵，確保頂管機的泥水壓力，滿足長距離供水的要求。高壓供水管路采用Φ6”無縫鋼管，法蘭連接，在中繼頂處用橡膠波紋管過渡，以適應中繼頂之伸縮，滿足頂管施工的工藝要求。

排泥管采用Φ4”無縫鋼管，卡箍式活絡接頭連接，在中繼頂處用中壓橡膠波紋管過渡。廢棄泥漿用2臺管道泵串聯水平輸送，管道泵電機功率N=7.5KW，轉速n=1450r/min，流量Q=100m3/h，第1只管道泵設置在頂管機尾部30m處，其后每隔200m左右設置1臺。在工作井內設置2臺渣漿泵，其中1臺備用，揚程H=28m，功率N=37KW，流量Q=190m3/h，主要擔負泥漿的垂直輸送。廢棄泥漿經過沉淀后，上部的清水經過連通管進入清水池可循環重復利用。

施工時必須嚴格控制進入頂管機泥水倉的泥水壓力和流量，及時利用旁通閥進行調整，使之與廢棄泥漿的排放保持平衡，泥水倉內始終保持一定的壓力，補償機械平衡的不足。

由于在施工中不可預見的因素存在，諸如突發停電和設備故障等原因，造成泥水倉內的泥水壓力下降，達不到平衡效果。為此必須在工作井附近的地面上設置1只容量為25m3的泥漿箱并儲滿清水，通過管道與供水管路并聯，中間設置蝶閥。

正常時，供水管路的泥水直接進入機內泥水倉，由于蝶閥關閉，泥漿箱內的清水不會外溢。一旦遇到意外事故，供水系統停止工作，開啟蝶閥使箱內的清水通過供水管路進入機頭泥水倉，同時迅速關閉排泥系統所有的泵，由于頂管機與地面有落差，使機頭泥水倉內保持一定的壓力，從而達到混合平衡的效果，確保切削面土體的穩定和頂管機的安全。

6、防止機頭下沉技術措施

為了防止較重的頂管機在出洞時產生嗑頭現象，可以采取以下方法克服：

① 機頭出洞時，適當抬高頂進標高1~2cm，頂進時下部千斤頂先加力往前頂，適量出土，直至頂管機順利出洞；

② 機頭后方焊接壓重管法使機頭保持平衡。

③ 加壓后出洞仍出現磕頭現象，則可以打開糾偏油缸。糾偏油缸根據機頭下沉量適量伸長。

7. 頂管過程中遇到流砂技術措施

如頂管過程中，出現不良地質情況，頂進土體含水量較高，遇到流砂，或機頭前方出現流砂，可以采取如下辦法進行處理：頂進時暫停出土，加大后頂壓力，同時加氣快速頂進，悶頂機頭與前方土體接觸充分，將前方土體充分密實，打開高壓水槍，水壓盡量小一點，讓水分和泥土緩慢流出，直到機頭穩定。

五、結束語

本工程由于工具管選型得當，技術措施合理、施工中使用用中繼間接力頂進，軸線偏差符合規范要求。頂進2236mDN2200鋼管只用了95天，取得了良好的社會效益及經濟效益。

減阻泥漿的成功運用，極大地減小了側向摩阻力，為快速頂進和軸線控制創造了有利條件。在流砂層中實施頂管施工，為確保形成良好的泥漿套應注意補壓漿，特別是在每次開頂前，以及鋼管焊接時同樣需要進行全線補壓漿。

糾偏時應注意，管道出現偏移有一定的慣性，糾偏的效果也要在一段距離后才能反映出來，因此在糾偏時要不斷反復的調整工具管的糾偏角度，在管道回到中線時，工具管前進方向的角度也應與中線一致，否則就會造成糾偏過量。

頂力大小和機頭軸線走向有關，軸線直，漿套形成的好，則總推進頂力在測算值范圍內，頂力則小，否則同樣也會使頂力加大。

通過本工程的施工，為更長距離或更大口徑的頂管施工積累了經驗。