泥水平衡式機械頂管施工抱管成因分析

成曉君

(大同市供水排水集團公司，山西大同 037006)

本工程為大同市城市污水管線連通工程第一醫藥園區污水管線。全長2 000 m，埋深14 m～22.28 m，設置 φ7.5 m 工作井6座，φ3.5 m接收井6座，全線采用DN1 200鋼筋混凝土鋼承口加強管頂管施工。其中第五工作段由于工期緊，故采用泥水平衡式機械頂管施工，其頂程為160 m。在頂進60 m時，機頭無法頂進，加大頂力后，造成液壓油泵燒壞。在維修液壓油泵時，由于機頭停歇時間長，且當時氣溫在－10℃左右，致使泵管、泥漿池等設備結冰，管壁摩擦力增大，造成已頂進的管壁全部抱死，無法前進。經各方研究決定進行反向頂進，在反頂60 m時，機頭又無法前進。最后采用大開挖形式，取出機頭。究其成因我們可從以下幾個方面來分析。

1 工藝原理

泥水平衡式頂管施工技術是利用泥水力來平衡壓力和地下水壓的一種頂管施工方法。其基本原理是由掘進機頭內電機驅動刀盤旋轉，按預先設定的壓力使刀盤緊貼在被切削的土體斷面，切削的土體通過掘進機頭面上的小孔進入封閉的泥水倉內，土體粉碎的過程中，機頭不斷前進。進入泥水倉內的粉碎土與送水泥漿泵輸送進的泥漿(或清水)形成濃度更高的泥漿，再由排泥泵排出泥水倉，通過泵管排到地面上的泥漿池中。泥漿池中的泥漿經過沉淀形成淤泥，通過挖掘機將其清理外運。上部較清澈的泥水由送水泵再送至泥水倉，并經機頭內旁通壓力調整閥及調整排泥泵轉速來調整進水壓力大小，使其平衡地下水壓及挖掘面壓力，盡量使掘進機刀盤在平衡壓力下工作，從而可防止由于挖掘面的失穩，造成地面沉降和隆起。而本工程在開挖后發現，此段為火山巖土質，用挖掘機進行開挖也十分困難，故刀盤在運動中，將其破碎是非常困難的。如果當時的氣候條件正常及其他工藝能保障的情況下，加大頂力，減慢頂進速度，保證泥水平衡的情況下是可以通過此地層的。但施工單位沒有充分考慮此段地形的復雜程度及惡劣的氣候條件，且部分工藝未按操作規程執行，導致機械頂管失敗。由此可見，地質情況、氣候條件及施工工藝是否合理對頂管施工的成敗起關鍵性的作用。現場施工情況見圖1。

2 施工工藝

施工工藝流程:測量控制→工作井、接收井施工→后座頂板安裝→導軌拼裝→千斤頂、油泵、頂鐵安裝→密封及注漿→管道頂進→出土。

1)測量控制。

施工單位在工作井壁上設置了管道軸線控制樁和臨時水準點、工作井護樁，準確測量了掘進機中心軸線和標高偏差，并將測量儀器固定在千斤頂架子中心，建立了臨時測量系統。所以分析其抱管原因與此項無關。

2)工作井、接收井施工。

因本段埋深深度在14 m～22.28 m，工作井及接收井采用沉井工藝。施工單位嚴格按照沉井工藝施工。即井位測量定位→基坑開挖→分節高度的確定→刃腳支墊層→刃腳鋼筋的綁扎→刃腳模板支設→刃腳混凝土澆筑及養護→井壁鋼筋的綁扎→井壁混凝土澆筑及養護→刃腳墊架拆除→挖土下沉→土方吊運→測量控制與觀測→封底。故經分析產生抱管的原因也與此無關。

3)后座頂板安裝。

施工單位設置的后座頂板采用25號工字鋼焊接成一堵墻，為頂管的反力提供一個垂直的受力面，正面焊一塊4 cm厚鋼板，使各工字鋼受力更均勻。工字鋼墻的空隙中灌滿混凝土，形成一道由鋼板、工字鋼和混凝土組成牢固和剛度很大的復合后背墻，承受千斤頂傳來的頂進反力(因工期緊、工作井多故可吊裝重復利用，節省資金)。后背墻安裝無誤后，在后背墻與井壁間澆筑混凝土，并墊一層8 cm厚的木板，以使井壁受力均勻。故經分析產生抱管的原因也與此無關。

4)導軌拼裝。

施工單位在導軌拼裝時，使導軌和工作井底板預埋鋼板焊接，符合規范要求。并隨著管道頂進荷載的變化及時校正導向軌。從導軌安裝上來說未出現偏差，故不會導致抱管現象發生。

5)千斤頂、油泵、頂鐵安裝。

施工單位采用4臺200 t/臺千斤頂作為主頂，千斤頂行程為1.4 m。千斤頂動力由油泵提供。千斤頂后端用道木和分壓環將反力均勻作用于后背墻傳至工作井。前端頂進分壓環，頂鐵將頂力傳至管節。分壓環制作具有足夠的剛性，與管端面接觸相對平整，無變形。故產生抱管的原因與此無關。

施工單位的油泵設置應符合規范要求，在開頂前，進行了試運轉。但因工期緊，工作面展開多，設備供應不足，故未配備備用油泵。此段頂進過程中遇到堅硬土層需加大頂力，頂力超出一定限度，導致油泵燒壞，卻不能及時更換油泵。延誤工期兩天兩夜。造成機頭及已頂進管段間歇時間長，使管周圍土體坍塌形成抱管現象。

6)洞口密封及注漿。

機械頂管長距離頂進時，必須采用注漿工藝，利用觸變泥漿套減少頂進過程中管壁與土體之間的摩擦力，減少土體變形沉降和隔水。且需在井壁上預埋鋼板焊接螺栓。頂管進洞前安裝止水膠板，并用外夾鋼板夾緊固定，形成施工洞口止水圈。施工單位在油泵燒壞后，停止注漿，且在洞口處制作的密封圈不夠嚴實，導致已注入的觸變泥漿從密封圈溢出洞口外，加大了管壁與土體之間的摩擦力，且使土壓倉內的壓力失衡。因此分析施工單位未按規程操作此工藝是導致抱管的一個重要因素。

7)泥水平衡頂管掘進。

在頂管掘進這個環節中，頂管施工前，需進行詳細調查研究，根據場地地質情況，編制可行的施工方案。施工單位在工期緊，且地質勘察不準的情況下，頂力計算失誤，遇火山巖土質，正面土體壓力過大，增大主千斤頂負荷，導致油泵燒壞。經分析此原因為導致抱管的直接原因。

8)出土方案。

采用泥水平衡式頂管機出土，需要在頂管機中注入含有一定泥量的泥漿，通過大刀盤切削頂管機前方的原狀土，與注入的泥水攪拌，泥水通過吸泥泵排到地表泥漿池中沉淀，表層泥漿可以反復循環使用，沉淀下的泥沙用汽車外運。沖泥和吸泥泵穩定工作時，調節沖泥和吸泥的泵量，沖泥艙內應保持一定壓力，艙內泥水壓力應與地下水壓力相平衡，泥水壓力過大，將增加主千斤頂負荷。施工單位在燒壞油泵后，停止了沖泥和吸泥泵的工作，因此沖泥艙內壓力失衡。更重要的是當時氣溫在－10℃左右，泵管停止循環，泵管及泥漿池里的循環泥漿結冰，故發生了連鎖反應，最終導致管壁被土體抱死，無法頂進。

3 結語

泥水平衡式機械頂管掘進機能夠保證安全、優質、高效地完成頂進施工任務。但在頂管前，必須進行詳細的調查研究，在了解土層變化情況、地下水位情況及外部氣候條件下，編制可行的施工方案，在施工過程中嚴格控制施工工藝，按規范執行。把頂管不利因素降到最低，且不能憑經驗盲目頂進，否則會造成很大的經濟損失。

[1] GB 50268-97，給水排水管道工程施工及驗收規范[S].

[2] 周錦輝.淺談泥水平衡式機械頂管施工工藝[J].大科技，2011(1):86-87.