泥水平衡頂管技術在粉砂巖及細砂地層中的應用

李 有 發，楊 瑞 英，徐 應 中，鄭 道 明

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 都江堰 611830)

1 工程概況

樂山市新一中片區道路工程黑橋至王河園竹公溪道路位于樂山市王河村與盤龍村之間。道路污水管干線為DN1000承插型二級鋼筋混凝土管，埋深5.5～10 m，縱坡0.08%，管道全長1.66 km。其中WS1～9段及WS35～38段沿線地層分別為中等風化泥質粉砂巖、細砂層，管中線距路旁民房約10 m，距竹公溪河約3 m，且管底高程低于河內枯期水位，原規劃采用挖明溝法埋管。

如果采用明挖施工，污水管不但嚴重影響市區交通，而且拆遷范圍大，成本高，破壞竹公溪河河堤，污染大，降排水費用高，經方案對比后最終決定采用泥水平衡頂管法施工。選用NPD1000泥水平衡頂管 機，外 徑122 cm，總 長360 cm，重6.5 t，切削刀盤驅動電機功率為2×15 kW，4個糾偏油缸推力為42 t，糾偏角度為2.5°，糾偏泵功率為1.5 kW，進排漿管徑為100 mm。

2 施工工藝流程

施工工藝流程見圖1。

3 施工方法

3.1 施工準備

3.1.1 管 材

采用F式承插型二級鋼筋混凝土管(圖2)。管道允許頂力計算公式為：

[Fr]=A×бc/S

式中 [Fr]為許用頂力，kN;бc為管體抗壓強度，kN/m2；A為加壓面積，m2；S為安全系數。

采用25 t汽車吊裝、卸車。管材供應及時并滿足施工強度。

圖1 泥水平衡頂管施工流程圖

圖2 管道承插口銜接圖

3.1.2 減阻泥漿的配比與拌制

設置尺寸為(長)2.5 m×(寬)2.5 m×(深)1 m半埋式循漿池、沉淀池各一個。

因減阻泥漿中的膨潤土膠質價一般要求在80以上，故進場后先檢測膠質價，根據檢測結果確定配合比。配制時先在攪拌器內放入適量水，開動攪拌器并緩慢投入膨潤土，拌和≥30 min形成泥漿，然后在貯漿池內發酵約10 h。期間間歇性攪拌防止其離析。泥漿性能指標為：比 重 為1.1～1.16；用漏斗粘度計測量的粘度>30 s；失水量 ≤25 mL/30 min；穩定性為無離析水，pH值<10。

3.1.3 工作井及后背墻

該工程所設鋼筋混凝土工作井之長、寬均為5 m，邊墻、底板均厚50 cm，混凝土為C35W6，沉井法施工。采用分層臺階形挖土自重破土方式沉井，每層挖深40～50 cm。墻上預留頂管孔，M5水泥砂漿砌磚封閉。工作井后靠背采用鋼扳，用膨脹螺栓連接井壁且其表面平順并垂直于管道軸線，不允許后背墻產生相對位移和彈性變形。頂管的頂力計算公式如下：

F=F0+f0×L1

式中F為總推力，kN；F0為初始推力，kN；L1為頂管單次頂進長度，m；f0為每m管子與土層之間的綜合摩擦阻力，kN/m。

F0=(Pe+△P)×π/4×Bc2

式中Bc為管外徑；Pe為挖掘面前的土壓力；△P為附加壓力。

f0=R×S+W×f

式中R為綜合摩擦阻力，kPa；S為管外周長，m；W為每m管子的重力，kN/m；f為管子重力在土中的摩擦系數。

后座的反力或土抗力為總推力F的1.2～1.6倍，該工程取1.5倍，采用下式計算。

R=a×B×{r×H2×(Kp/2)+2c×H×

式中R為總推力之反力，kN；a為系數，取2.5；B為后座墻的寬度，m；r為土的容重，kN/m3；H為后座墻的高度，m；c為土的內聚力，kPa；Kp為被動土壓系數；h=工作井深度-后背墻高度；φ為填土內摩擦角，查表取值。

3.2 頂管施工

3.2.1 測量放樣

專業測量人員按圖3所示布置設備安裝及頂進過程測量控制點。施工中嚴格執行三級復測制度，即施工組測量員→項目管理部→監理工程師。

圖3 測量點位示意圖

3.2.2 安裝及調試

(1)安 裝。

安裝順序為：后靠背→導軌及后方頂→預留洞口內副導軌→洞口止水裝置→泥漿系統→電路系統→后方頂液壓系統。

后靠背中心與軸線重合，距井壁10～20 cm，該空隙采用C30混凝土回填。機頭增高裝置采用鋼支架。機頭下井后刀盤距磚封門約1 m，放置平穩后校核導軌標高，誤差≤5 mm方可鑿除磚封門。頂進前，在洞口處安裝一道環形橡膠止水圈。

(2)調 試。

頂管機下井前進行一次安裝調試。機頭的土壓控制主要通過頂速進行調節，每次初頂時先調節好送水壓力，然后打開機內止水閥、轉動刀盤、關閉機內旁道，待流量達到80%額定值時方可頂進，送水壓力通過機內壓力調節完成。

3.2.3 掘進機頭入土

頂管機調試正常后開始頂進施工。先破除預留洞口封門，然后開動頂管機刀盤，用主頂油缸緩慢將頂管機推入土中。在該過程中，應控制頂進速度并在頂管機左右兩側加設腳撐，防止刀盤嵌入砂土中不轉而頂管機殼體旋轉。

3.2.4 下管、頂進

掘進機頭入土深度達安裝一節管子長度后暫停頂進。在機尾部焊限位塊，縮回主頂千斤頂，拆除機頭后方管路，下管。管子采用25 t汽車吊吊運至井下導軌上，人工就位。拼裝完畢,在工具管后管節內安裝工具管輔助設備。

管節就位恢復頂進機管路后，千斤頂就位后割除限位塊，先開動頂管機刀盤，然后開動主頂油缸繼續頂進。如此反復,直至接收井。

3.2.5 減阻泥漿及置換封孔

泥水平衡頂管施工中的觸變泥漿減摩管理是重點。采用多點對稱方式，通過頂管機頭尾部的同步注漿與頂管管節上預留的孔向管節外壁和周圍的土體空隙中注漿。

(1)壓漿設備。

注漿管路共兩道。主注漿管為φ50鋼管，從泥漿站直通機頭，主管每間隔10 m設一個三通連接注漿支管；支管為φ25高壓橡膠管，支管上設3～4個三通，連接管壁上預留的注漿孔。注漿泵、螺桿泵主、支管各一個。在每個注漿斷面上均加設一組控制閥。在泥漿出口處設隔膜式壓力表。承插口注漿情況見圖4。

圖4 注漿示意圖

從機尾開始，每隔2 m設1道、共3道注漿環，以后每隔6 m設1道注漿環，每個中繼站的后2節管均須設補漿環。由注漿總管至每道注漿環的支管須設1道球閥，每個注漿孔須加設1道球閥；機具尾部的注漿總管前須加設1只壓力表。

在正常頂進施工時，只對第一注漿環的3個注漿孔注漿，其余注漿閥門關閉。注漿時，從工作井開始向機具方向進行，逐道對注漿環進行補漿。距離在100 m范圍內，每頂進2 m補漿一次，距離在100 m以后，每頂進8 m補一次漿。中繼站及管道彎折處加強補漿，補漿必須在頂進的同時進行。

(2)泥漿置換。

在單段頂管完成后，及時采用水硬性材料置換管道外壁原注入的膨潤土泥漿，使管道外壁形成強度較大的漿壁，以承受上覆土壓力。必要時，采用摻入膨脹劑的水泥漿以減少沉降。本工程置換的泥漿為0.6∶1純水泥漿，注漿量按計算孔隙體積的150%控制，單位長度注漿量計算如下：

V=πDwtL×150%

式中V為單位長度注漿量；Dw為管道外徑；t為管道與地層間隙理論厚度，取0.03 m；L為管道單位長度，1 m。

注漿壓力根據管道深度H和土的天然重度γ而定，經驗為2～3γH，土層的注漿壓力宜為0.1～0.3 MPa，砂卵石層的注漿壓力宜為0.1～0.2 MPa。

(3)封 孔。

泥漿置換完畢，封堵注漿孔，采用與預留注漿孔配套的封堵。

3.2.6 渣土排運

泥水平衡式頂管出土采用全自動泥水輸送方式，棄土經機艙內的攪拌與泥水形成泥漿，由泥漿泵抽出排至泥漿池內，經沉淀后采用防漏自卸汽車出渣。

3.2.7 出洞措施

接收井完工后，實測預留洞門坐標，根據實測標高安裝頂管機接收基座。當機頭靠近接收井時，加強測量的頻率和精度。當頂管到達距接收井約6 m時，開始停止第一節管節的壓漿，并在后續頂進中逐漸后移壓漿位置，以保證頂管出洞前形成約6 m厚的完好土塞。

當頂管機切口進入接收井洞口加固區域時，適當減慢頂進速度，調整出土量，逐漸減小機頭正面的土壓力，確保頂管機完好和洞口結構穩定。

3.2.8 施工要點

(1)一般采用拉桿將機頭與其后5節管固定成整體，防止機頭因自重下沉。本工程為巖石地層，故僅固定3節。

(2)頂進前必須事先計算每節管每m的位置、標高，以便于施工中進行控制。

在初始頂進3節管后停機進行正常糾偏。糾偏原則為“先糾高程、后糾中線、小角度連續糾偏”。必須勤測量、多微調且應有一定的提前量。糾偏角度應保持在10′～20′，不得大于0.5°。當機頭傾角偏離設計要求±5%之內且激光點偏離靶心≤1 cm，或高程中線誤差在±2 cm以內時，可不作調整。

(3)應連續頂進，暫停時間應小于12 h，若停頂超過12 h，須每隔4 h至少向工作面注漿一次。重新開頂前，應注漿液量≥0.2 m3/m2。

(4)當監視器中光點發生顯著變化時，測量人員應到坑下對經緯儀重新復核校正并認真查找原因。測量人員校核激光經緯儀頻次≥2次/班次，并保留校核記錄。

(5)頂進中，土質愈硬，糾偏時頂進速度宜慢。向下糾偏(機頭位置偏高)時，頂進速度宜慢不宜快；向上糾偏(機頭位置偏低)時頂進速度宜快不宜慢。因土質疏松引起機頭下沉產生偏離時，宜采用悶頂糾偏，其糾偏距離視糾偏效果和頂力上升量而定。

(6)頂進施工過程中，操作人員必須準確、清楚、完整、及時、詳細記錄頂管的各項數值。記錄數據≥1次/根，≥6次/班次。在交接班時，無論該管是否完全頂進均應記錄，必須履行交接班手續。

4 結 語

泥水平衡頂管技術是一種替代城市內開槽挖埋式鋪管的先進技術。據樂山黑橋至王河園竹公溪道路(污水干管)工程頂管施工效果看，該技術施工占地面積小，征遷少，避免了阻斷交通影響；可用于地下水壓力高及變化范圍較大的地段，且減小了基坑降排水及相應的環境污染；挖掘面穩定，對頂管周邊的土體擾動小，頂管引起的地表(路面)沉降亦比較小，而且避免了深基坑高危施工；采用泥水管道輸送棄土，連續作業，日進尺約15 m，工作效率高；主控制在地面進行操作，操作人員的環境得到了改善，值得類似工程借鑒。