復雜地質條件下頂管施工效率及影響因素研究

(中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010)

隨著人口快速增長和經濟快速提升，地面土地資源的占用率日益增多，頂管施工技術因不需要地面開挖[1-2]、不破壞地表建筑物[3-4]而在地下工程施工中被廣泛使用。頂管施工分為人工頂管和機械頂管施工[5]，人工頂管施工主要通過人工在管道內進行挖掘的同時由液壓油頂向前頂進，操作簡單靈活且具有挖土保護和糾偏功能，但施工中人的勞動強度大，且具有一定的人員安全風險[6]。機械頂管施工是在我國掘進設備研究水平逐漸提升的基礎上發展起來的，適用范圍更廣、 施工速度更快、管理更加方便、安全性更高[7-8]，目前常用的機械頂管等施工方法有泥水平衡、土壓平衡、氣壓平衡機械頂管等施工方法， 其中泥水平衡機械頂管施工應用最為廣泛。

人工頂管和機械頂管均廣泛應用于地下工程施工，不同的地質條件下兩者的施工效率差別很大，查閱文獻后發現，現有研究較少深入分析人工頂管和機械頂管施工效率的變化規律及其影響因素，而提高頂管施工效率對保障工程質量和控制工程進度有著非常重要的作用。基于此，本文以湖北省武漢市江夏區清水入江二期工程——山洪外引之齊心水庫引流工程為例，結合現場實測數據，研究了人工頂管與泥水平衡機械頂管施工效率的變化規律，深入分析了不同類型頂管施工效率的影響因素，并提出了提升頂管施工效率的建議，可為類似工程提供參考借鑒。

1 工程概況

1.1 工程布置

湖北省武漢市清水入江二期工程——山洪外引之齊心水庫引流工程起點位于武咸城際鐵路東側，途經齊心水庫至向陽巷，全長約1.74 km，服務匯水面積為1.2 km2，終端匯合流量18 m3/s。齊心水庫引流工程下游自齊心水庫新建溢流涵開始，出水沿江花大道向北400 m后向東排入向陽港，管道埋深為6.64～11.38 m。頂管施工段為DK0+216～DK0+765，在DK0+216及DK0+623處設置2座圓形頂管工作井，施工全長約1 092.4 m，鋪設雙排DN2200 的Ⅲ級鋼筋混凝土管，管道接口形式為 F 型鋼承口，頂管段平面布置見圖1。DK0+623～DK0+765早期已頂進完成，本文主要分析DK0+216～DK0+623段頂管施工效率。

1.2 工程地質條件

根據施工勘察報告，現場主要特殊性巖土為素填土、紅黏土和風化巖。素填土主要為人工堆填而成，松散，由黏性土、碎塊石組成，塊石母巖主要為石英質砂巖和石灰巖，塊徑及含量不均，含量在40%～65%之間，粒徑0.6～1.0 m。堆填時間小于10 a。填土呈總體松散狀，欠固結，均勻性及穩定性差，透水性較強。

圖1 頂管段平面布置Fig.1 Layout of pipe-jacking section

該工程頂管地處山體滑坡體，地質情況非常復雜，勘察難度較大加之現有勘察手段鉆孔間距精度較低，且數量有限，難以準確判定地下孤石的情況。為保證施工質量的同時加快施工進度，最終依據勘察報告中所述DK0+316～DK0+400段存在較多石英質砂巖和石灰巖孤石含量，選用人工頂工藝；而DK0+216～DK0+316和DK0+623～DK0+400段以原狀穩定黏土層為主，孤石含量較少，因而這兩段采用泥水平衡機械頂管施工。

2 頂管施工工藝

2.1 人工頂管施工

人工頂管施工主要通過施工人員在管道內挖掘的同時由液壓油頂向前頂進，工人勞動強度大且在施工過程中存在較大安全風險。另外，人工頂管施工易形成地面下沉，工作效率偏低。其優點是簡單靈活，具有挖土保護和糾偏功能，較容易處理地下管線。人工頂管施工技術在地下管線工程施工的應用效果良好[9]，其施工工藝示意見圖2。

圖2 人工頂管工藝示意Fig.2 Sketch of manual pipe-jacking technology

2.2 泥水平衡機械頂管施工

泥水平衡機械頂管施工是在頂進管道前安裝機械切削式頂管機，施工時將加壓的泥水送入機頭內的泥水壓力室，以保證開挖面的穩定，同時將刀盤切削下來的土砂以泥水的形式由排泥管道輸送到地面的頂管工法。泥水平衡頂管工法的應用越來越廣泛，主要是因為采用泥水平衡理論設計的頂管機具有雙重平衡功能，即它的全斷面大刀盤能自動平衡頂進正面土體的土壓力，穩定土層的同時向前掘進[10]。相比其他頂管方式，此方式極大提高了管道施工質量和施工效率，減少了人工勞動力。本文中的機械頂管特指泥水平衡機械頂管，施工工藝示意見圖3。

圖3 泥水平衡機械頂管工藝示意Fig.3 Sketch of mechanical pipe-jacking technology

3 施工效率及影響因素分析

3.1 人工頂管與泥水平衡機械頂管施工效率

圖4為實際施工工程中單邊管道人工頂管和泥水平衡機械頂管頂進時間-頂進長度曲線圖，圖5為單邊全標段人工和泥水平衡機械頂管施工速度變化圖。由圖4～5可知，人工頂管施工頂進初期(DK0+316～DK0+326)和末期(DK0+390～DK0+400)速度極低(0.8m/d)，全段平均頂進速度為2.5m/d。人工頂管頂進速度呈現出先慢后快再顯著降低的特征，且人工頂管曲線圖較為曲折，頂進速度不穩定，起伏較大。

圖4 人工和泥水平衡機械頂管頂進時間/頂進長度曲線Fig.4 Manual and mechanical pipe-jacking time and length graph

泥水平衡機械頂管頂進速度遠大于人工頂管，整體頂進速度為10.6m/d，其中DK0+216～DK0+316和DK0+623～DK0+400段平均頂進速度分別為8.3

圖5 人工和泥水平衡機械頂管頂進速度條形圖Fig.5 Bar chart of manual and mechanical pipe-jacking velocity

m/d和11.7m/d。機械頂管頂進速度初期和末期亦較低，呈現出先慢后快再顯著降低的特征，其中DK0+216～DK0+316段后期頂進速度顯著降低為4m/d，DK0+623～DK0+400段后期頂進速度顯著降低為5 m/d。

3.2 影響因素

將影響該工程頂管施工效率的5個主要因素——人工、材料、機械、環境和測量整合成魚骨圖(見圖6)，分別分析人工和泥水平衡機械頂管施工效率的影響因素。

圖6 人工頂管和泥水平衡機械頂管效率原因分析魚骨圖Fig.6 Efficient analysis of manual pipe-jacking andmechanical pipe-jacking

(1) 人工影響。施工人員的施工經驗、技術培訓等是人工頂管和泥水平衡機械頂管施工中的主要因素。人工頂管中施工人員是主要勞動力，泥水平衡機械頂管也需全程人工，但僅僅是操作維護相關設備。施工準備時現場施工人員均應接受培訓和交底，否則會導致，作業操作不當、施工效率大幅降低、甚至無證人員上崗的違規行為。現場查閱該工程三級交底和培訓資料，了解到交底和培訓資料完善，人員資格證書齊全且具備長期頂管施工經驗。

(2) 材料影響。頂管管材的抗壓性能、吊裝效率和供貨是否及時極大影響頂管施工效率。該工程采用直徑2.2 m的鋼筋混凝土管，管材質量達標。根據計算，可知頂進中最大頂進壓力小于管材最大抗壓值，符合規范和設計要求。管材由吊車吊裝進入工作井，因交通問題，頂管后期管材出現供貨不足現象，這影響了施工效率。

(3) 機械影響。頂管工藝中機械設備的調試、選用和本身性能對頂管效率影響較大。人工頂管中油缸頂力的大小需和人工挖掘速度配合一致。機械頂管中如果機械設置不當導致頂力不足或排泥速度慢，頂管效率均會大幅降低。該工程所使用機械均根據勘察資料定制，符合規范和設計要求。在DK0+390～DK0+400段人工頂管施工期間因油缸故障導致頂力不足，降低了頂進效率。

(4) 環境影響。對于人工頂管和機械頂管，地質條件均為影響施工效率的決定性的因素。該工程頂管段地處山坡上，地質情況非常復雜，現有的勘察技術很難準確判定地質情況，補充勘查資料顯示，頂管段存在石英砂巖孤石，導致泥水平衡機頭根本無法頂進，施工效率極低。最終采取更換挖掘工具、人工頂管施工等措施，完成了該孤石段頂管施工。

(5) 測量影響。測量工作是頂管工程施工質量的關鍵，將直接影響到管線線形的平順，甚至影響到頂管的順利貫通，因此需精細實施，確保無誤。人工頂管由測量人員將管道中心作為頂管中心的測量基線，將地面上的臨時水準點作為頂管高程測量的臨時水準點。泥水平衡機械頂管采用激光經緯儀進行測量，將激光經緯儀置于管口正中，激光通過管道打到機頭倉內“靶”上，操作人員可以在操作室影像屏幕上實時監測。無論是人工頂管還是泥水平衡機械頂管，都要做到勤測量、勤糾偏、微糾偏。該工程頂管測量資料齊全，復檢記錄完善，儀器檢測記錄合格，全過程施工測量均滿足規范和設計要求。

文獻和相關施工經驗表明，人工頂管的理想頂進速度是5 m/d，泥水平衡機械頂管是10～15 m/d，而該工程中實際頂管效率明顯偏低。將頂管施工效率穩定的每一段樁號對照人、材、機、環、測五大影響因素列出示于表1，未產生影響的因素標記“√”，產生影響的因素標記“×”。

從表1可以看出泥水平衡機械頂管頂初期效率正常，而頂進至接近人工頂管區域時，效率大幅降低，這是因為受人工頂管區域內的地質條件影響顯著。人工頂管頂進初期，地質情況的惡劣程度超出預期，導致施工人員準備不足，頂進效率較低，在DK0+326～DK0+390標段時更換了施工工具和措施，如電鎬、風鉆和火燒等，施工效率明顯提高，但DK0+390～DK0+400標段因深度增加導致人工在管內施工困難增大，頂管管材出現短缺，隨著頂進距離的增加，排泥速度減慢等問題，施工效率再次大幅降低。綜合所有影響因素，對該工程頂管施工效率影響最大的因素是環境影響，也即地質條件。

表1 齊心水庫引流工程頂管效率低的五大因素分析Tab.1 Five influence factors of low pipe-jacking efficiency in Qixin Reservoir drainage engineering

4 結論與建議

本文以江夏區清水入江二期工程——山洪外引之齊心水庫引流工程中人工頂管與泥水平衡機械頂管施工為例，分析復雜地質條件下不同類型頂管施工效率及其影響因素，并據此提出提升頂管施工效率的建議，主要結論與建議如下。

(1) 泥水平衡機械頂管施工效率遠高于人工頂管，且泥水平衡機械頂管頂進速度比較穩定，當地質條件較好時應優先選擇泥水平衡機械頂管施工。當地質條件較差如遇大型孤石等機械頂管無法使用時，可選用人工頂管施工。

(2) 地質條件是影響頂管施工效率的最主要因素。施工準備階段需重視頂管施工勘察工作，地質條件復雜地段有必要進行補勘，并根據施工過程中獲取的地質資料及時調整施工方案，以提高施工效率。

(3) 當遇大型孤石等采用人工頂管施工時，在保障管內施工安全的情況下，可以采用電鎬、風鉆和火燒等措施提高人工頂管施工效率。

(4) 頂管施工中施工人員是影響施工效率和安全的關鍵因素之一，施工前期與過程中要注重施工人員的技術培訓和交底。