泥水平衡頂管施工的關鍵技術分析

泥水平衡頂管施工的關鍵技術分析

蔣紅，艾思平，張思梅

(安徽水利水電職業技術學院，安徽 合肥231603)

摘要:文章結合具體工程實例，分析了頂管施工的關鍵技術，解決了頂進施工實際問題。

關鍵詞:泥水平衡頂管；施工工藝；關鍵技術

收稿日期：2015-03-06；修回日期：2015-03-12

基金項目：2014高等教育計劃項目(皖教高[2014]號)以賽導教、以賽促學，以賽代考——土建類專業技能人才培養路徑的研究與探索。

作者簡介：蔣紅(1974-)，男，安徽壽縣人，碩士、講師，從事土木工程專業教學與研究。

DOI：10.3969/j.issn.1671-6221.2015.02.005

中圖分類號：TU74

The analysis of the key technology of slurry

balance pipe jacking construction

JIANG Hong,AI Si-ping,ZHANG Si-mei

(Anhui Technical College of Water Resources and Hydroelectric Power，Hefei 231603，China)

Abstract:Combined with the concrete engineering example, This paper analyzes the key technology of pipe jacking construction,which can solve the practical problems.

Key words:slurry balance pipe jacking；construction technology；key technology

頂管屬于非開挖施工技術，借助于主頂油缸及管道間中繼間等的推力，把工具管或掘進機從工作井內穿過土層，并緊隨工具管或掘進機后把管道埋設在兩井之間，最后在接收井內將工具管或掘進機起吊。這一技術解決了城市管道埋設施工中對建筑物的破壞和對道路交通的堵塞等難題，在穩定土層和環境保護方面優勢明顯。對交通繁忙、人口密集、地面建筑物眾多、地下管線復雜的城市是非常重要的。

1　工程概況

某市修建輸水管線，要穿越城市主干道，擬采用泥水平衡頂管法施工。施工時，設立工作井和接收井各兩座，線路全長3085m。頂進管為DN1800的Q235B鎮靜鋼鋼管，公稱直徑1800mm，壁厚18mm，外徑為1820mm。工程地質勘查知：頂管穿越的土層以粒徑較小的砂礫、淤泥為主，含水率、塑性較高，滲透性、地基承載力較低等性質。

2　工藝流程

在泥水式頂管施工中，頂管機頭設有可調整推力的浮動刀盤，在頂管施工中進行切削并支承土體，刀盤的頂推力與正面土壓力保持平衡。機頭密封艙里接入泥水并保持一定的壓力，泥水在挖掘面上可以形成一層不透水的泥膜，可以阻止泥水向挖掘面里面滲透。同時，該泥水本身又有一定的壓力，可以用來平衡地下水壓力和土壓力。通過程序控制泥水與系統閥組的開合，由進泥泵將泥水通過旁通閥送入密封艙內，排泥泵將密封艙內的泥漿抽排到地面泥漿池中，從而實現管道的有序頂進。其工藝流程如下：

(1)頂進設備安裝。頂進設備的安裝流程如圖1所示。

圖1　設備安裝流程圖

(2) 泥水平衡頂管施工工藝流程。施工前期準備→測量放樣、復核→工作井施工→攪拌樁施工→工作井上下設備安裝準備→工具頭吊裝下井、全套設備調試→工具頭穿墻頂進→后續吊放管道→管道頂進、測量控制及糾偏→管道排泥和廢泥漿外運→下一管節吊放就位→下段頂管頂進→管道貫通、回收工具頭→閉水試驗→竣工驗收、清場。

3　關鍵技術質量控制要點

3.1頂進設備安裝

(1)安裝洞口止水圈。 頂管過程中，管子從工作井出洞時，管道外壁與洞口之間預留一定的間隙。如果該間隙未能采取有效的密封措施，地下水和泥砂就會從該間隙中流到工作井中。輕者會影響工作井的作業，嚴重時則會造成洞口上方地表塌陷，殃及周圍建筑物和地下管線的安全，甚至造成事故。

因此本工程采用平板式橡膠洞口止水圈，為保證止水效果，止水圈使用優質天然橡膠制作，厚度20mm，拉伸量>300%，肖式硬度在50±5°范圍以內，為防止水圈磨損，在橡膠板中夾多層尼龍簾線層，以增加止水圈的強度。

(2) 洞口土體加固措施。為防止頂管機進入土體后出現下沉，須對洞口外土體進行旋噴樁加固。加固范圍為沿井洞口側外壁，從管外壁至3.0m內的土體。

3.2后背墻安裝

后背墻是頂進管道時為頂進工作站提供反作用力的一種結構，作用是把主千斤頂產生的推力的反作用力，均勻地分布到工作井的后座墻上，因此，后背墻要求必須具有足夠的剛度。施工方案選用鋼靠背，用鋼板和型鋼焊接成整體結構，外形尺寸為3m×2．5m×0.3m，作用面積7.5m2。

施工時，用起重機將鋼靠背吊到工作井后背處，用經緯儀和線墜配合，使鋼靠背平面與頂進軸線垂直，并用Ф18鋼筋與井壁預埋件焊接固定。鋼靠背距工作井井壁350mm。鋼靠背安裝好后，用模板補齊靠背兩側的空隙，插入鋼筋網片，澆筑強度等級不低于C20后背混凝土。

3.3頂進方向控制

由于鋼管柔性不足，發生偏差后糾正困難，因此緊隨掘進機后設置三只承插連接短鋼管。鋼管長度2.2m，管節間設置帶密封圈的承插口進行連接，兩節鋼管間可以產生最大約20的夾角，以克服鋼管頂進方向不易控制的缺點。

由長距離頂管自動測量導向系統為頂管施工測量導向，操作臺上實時顯示有高精度的頂管機偏差和姿態數據。

在推進過程中，必須注意偏差發展的趨勢。糾偏的原則是：務必讓偏差保持在較小的波動范圍內，并且做到勤測勤糾，小幅度糾和看趨勢糾。嚴格控制糾偏角度，嚴禁大角度糾偏。

不間斷分析管道頂進中偏移軌跡的變化，確定合理的糾偏幅度。導向系統設有歷史軌跡曲線查詢和實時軌跡曲線顯示，可直觀地分析判斷頂管機的偏差趨勢。

嚴密監視頂管機高精度傾斜儀的讀數變化，分析判斷機頭軌跡發展變化。傾斜儀讀數是采取高程糾偏措施的主要依據，同時也是評估糾偏效果的重要數據。

頂管機糾偏油缸的油路上，設有壓力監控裝置，通過分析監控裝置的數據來分析頂進中的不平衡外力的狀況，預測頂管機的前進軌跡，為采取糾偏提供輔助參考信息。

頂管機剛產生偏轉時，就必須用改變刀盤的轉向來校正，校正方法是頂管機向哪個方向發生偏轉，刀盤就朝哪個方向轉動。頂管機設有高精度傾斜儀，能精確顯示頂管機0.01度的旋轉角度變化，可及時判斷頂管機的偏轉和校正效果。若改變刀盤轉向的校正方法效果不佳時，可采取加快推進速度、降低螺旋輸土機轉速、適當提高控制土壓的方法。

頂進至穿越河流以及靠近橋樁的區間時，密切注意偏差發展方向，防止頂管出現上浮趨勢。保持頂管機趨勢的穩定，防止頂管機碰上橋樁。此時應減少糾偏頻率和糾偏角度，拉緊頂管機和后方的柔性鋼管。

導向系統設有遠程監控裝置，在地面就可監控頂管機的實時各種導向信息。導向系統整合了頂管機的控制儀表信息，可以顯示頂管機的姿態、糾角度以及偏油缸行程等信息。現場技術員及工班長應及時掌握頂管機的信息，發現異常現象及時停止頂進。

一旦發現頂管機自身的糾偏動作效果不佳，偏差數值急劇發展無法控制時，須在頂管機與第一節承插管之間增設150t液壓千斤頂進行輔助糾偏。

3.4中繼間的密封施工

在長距離頂管施工中，要設立中繼間如圖2所示。用于縮短管節長度，從而減少千斤頂和后背的數量。頂進距離長，中繼間往復運動次數多，對中繼間密封件的要求極高。中繼間密封件一旦失效，將對頂管工程造成災難性后果。首先地下水、泥砂進入管道影響影響施工作業。再則進入的泥砂加速了密封件的磨損，產生惡性循環。大量的地下水和泥砂流失將會造成地面沉降增加，嚴重的會造成地面建筑或地下管線及構筑物損壞。最后中繼間的滲漏破壞了減阻觸變泥漿套的完整性，使頂力猛增，甚至導致頂進施工失敗。

中繼間密封件一般采用橡膠件，橡膠耐磨性好則彈性差，反之彈性好則橡膠的耐磨性差。為解決這個問題，中繼間密封采用如圖3所示的內外組合形式，內圈為可充氣的彈性橡膠氣囊，外圈為橡膠耐磨環。充氣環上設有充氣嘴，通過充氣嘴向充氣環充氣，使充氣環內保持0.4MPa的壓力。耐磨環就會緊貼中繼間殼體行成一道可靠的密封，如圖3所示。

圖2　中繼間布置 圖3中繼間密封示意

為了保證密封的可靠性，中繼間設有兩組密封。頂進時僅左邊一組密封充氣工作，如果密封磨損需要更換，才向右邊充氣環內充氣，然后把左邊的充氣環放氣泄壓，縮回中繼間油缸，拆除左邊的法蘭就可更換密封耐磨環了。

管道頂進結束后，先拆除中繼間油缸等設備，再使用火焰切割拆除承力構件和各種筋板，然后將中繼間頂推使前后段合攏，最后將后段的環形內襯板與前段殼體進行焊接，徹底封閉中繼間的活動部分。焊縫為角焊縫，質量標準與鋼管對接焊縫相同。中繼間前后段與焊接的環形內襯板厚度均為18mm，與頂進用鋼管相同，與正式管道等強度。

4　結束語

頂管施工由于在地面以下進行，施工難度較大。在施工過程中，只要做好以上關鍵技術，搞好注漿減阻并注意通風換氣，制定詳細的施工方案、組織可靠的技術交底，團結協作、創新攻關，就一定能解決超長大口徑頂管施工技術問題。隨著我國城鎮化建設的加快，為適應舊城改造，既有交通水利設施改建要求，頂管施工作為一種優質高效的工程技術實施方案，有著廣泛的用途和廣闊的發展前景。

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(責任編輯陳化鋼)

綠色建筑

綠色建筑是指在建筑的全壽命周期內，最大限度地節約資源(節能、節地、節水、節材)、保護環境和減少污染，為人們提供健康、適用和高效的使用空間，與自然和諧共生的建筑。

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