淺談泥水平衡頂管施工技術

鄔皚銘 江嬌杰

中國化學工程第七建設有限公司 四川成都 610100

隨著城市建設的發展，城市地下管線工程不可避免地要在其他建（構）筑物附近穿過。泥水平衡頂管施工技術可突破地質條件限制及周邊環境影響的局限性，不需對表層地面進行開挖而實現管道埋設施工，能穿越地面建（構）筑物、地下管線、道路、河道等復雜環境或特殊施工區區域，技術先進、效果明顯，有廣泛的應用價值。迪拜世博會道路網改造工程項目，根據其砂土、砂礫土且富含地下水的地質條件，結合對周邊環境、工程進度、造價、環保和安全等方面的影響，運用泥水平衡頂管施工技術完成了DN1200mm 市政供水管穿越迪拜供應局天然氣管廊區域，總長度約207m，最大埋深約12m，管材為長度2980mm、外徑1490mm 的混凝土包裹玻璃鋼管。同時，還完成了DN450mm 市政供水管穿越迪拜水電局132kV 高壓電力電纜槽區域，總長度約114m，最大埋深約7m，管材為長度1980mm、外徑865mm 的混凝土套管，取得了較好的社會和經濟效益。

1 技術特點

泥水平衡頂管施工技術具有以下特點：適用地層土質范圍廣，應用范圍廣；選用成套頂管設備，自動化程度高，施工精度高，施工速度快，施工質量好，經濟效益高；泥水平衡控制保證了施工的安全穩定可靠，土體擾動小，地面沉降小[1]；泥水循環利用，分離渣土環保處理，對環境影響小。

2 適用范圍

泥水平衡頂管施工技術適用于各種土質地層及存在地下水、地質變化大等地質環境，應用在交通繁忙、地面建筑物眾多、地下管線復雜等特殊環境或特殊工程地段的管道穿越施工，可達到良好的效果。

3 工藝原理

泥水平衡頂管施工技術是非開挖埋管施工技術之一[2]，是一種以全斷面切削土體，以泥水壓力來平衡土壓力和地下水壓力，又以泥水作為輸送棄土介質的機械自動化頂管施工技術[3]。它以泥水平衡和控制原理為基本，在工作井內利用主頂站施加推力，將泥水平衡頂管機、管道或套管推入穿墻孔；頂管機的刀盤以均勻速度對土體進行切削，被切削的土體進入機頭泥水倉內；再通過送泥泵將具有一定相對密度的泥水送至泥水倉及挖掘面，并在挖掘面上形成泥膜而起到穩定作用；土體在泥水倉內與泥水混合成泥漿后，再由排泥泵排到泥漿箱，經水分離裝置處理后的泥水可重復利用，殘渣按環保要求專門處理。

4 施工工藝流程及操作要點

4.1 施工準備

根據泥水平衡頂管施工工藝流程圖（圖1），首先要熟悉并審查合同文件、設計文件和規范標準，研究施工界限范圍地下管線及建（構）筑物、工程水文地質等原始資料。施工前要進行現場調查，掌握頂管施工沿線的地形地貌、水文地質、建（構）筑物、管線、障礙物及其他設施等周邊環境情況，對原始資料詳細核實確認，必要時進行復核勘測和探坑。建立地面與地下測量控制系統，確?？刂泣c不易擾動并且校核方便，對施工影響范圍內的地表、臨近建（構）筑物及管線設置監測觀測點。施工前應對參與施工的單位、人員進行資格審查，對各級施工人員開展相應培訓教育和安全技術交底。

圖1 泥水平衡頂管施工工藝流程圖

4.2 工作井、接收井施工

按設計要求進行工作井、接收井施工，編制專項施工方案，支護形式應依據其結構形式、尺寸和周圍環境條件等因素確定，還要考慮井外附近材料、設備等堆載力的影響。依據施工條件采取必要的降水施工或土體加固措施。降水施工以保證頂管施工質量、安全為前提，合理選擇相應的降水方法，水位控制在井底至少0.5m 以下。土體加固可盡量利用工作井圍護結構穩固土體，也可補充采用注漿、噴錨等技術措施，還可設置一定厚度的混凝土洞門并安裝止水裝置，必須適時確認止水效果。

依據設計頂力、地形、地質及設備材料等實際條件合理確定后座類型，通常采用現澆混凝土式后座，后座施工允許偏差為垂直高度和水平長度的1%。后座面積應確保反力墻的承載能力滿足頂力要求，后座平面與管道軸線垂直，允許偏差不垂直度為5mm/ m，并且表面堅實平整。反力墻經驗算須滿足設計要求和最大允許頂力的強度和剛度，否則須進行加固處理。

4.3 頂管設備安裝和調試

根據工程實際情況選擇性能及參數滿足要求的成套集成頂管系統設備及配套附屬設施，按照設備操作要求及施工便利的原則確定安裝位置，應采取必要的措施并兼顧其經濟性。

在井底安裝導軌，允許高程偏差0～3mm，中軸線位移偏差3mm，兩軌間距偏差±2mm，合理設置支承角，宜為60°。頂進千斤頂應規格相同、對稱安裝且合力作用在管道中垂線上。吊裝頂管機就位如圖2 所示，應貼合導軌，復核頂管機的高程、中線、仰俯角、旋轉角等參數，調整導軌及底盤進行校正，底盤與井底的縫隙使用鋼板襯墊。

圖2 頂管機吊裝就位

頂管機就位以后，連接頂進液壓設備、泥水循環管道、控制電纜、動力電纜和攝像儀等。機頭與各種管線連接應牢固，不得出現滲漏。頂鐵與頂管承插口使用軟木板或木墊圈襯墊。注漿泵優先選用螺桿泵，以更好滿足形成泥漿套的要求。長距離頂進時，可考慮選擇自動注漿系統，自動模塊與控制系統連接，實現自動化遠程控制。測量儀器有獨立固定基座，不能直接固定在設備底盤、后座上，盡量減少移動和調整。

嚴格按照設備說明書及施工方案指導全部設備檢驗和試運行，根據安裝情況進行單機、整機聯動調試，確保設備運行正常及功能處于完好狀態。

4.4 頂進

頂進的操作控制在中央控制室進行，一般情況下應連續頂進，分初始頂進、正常頂進和到達頂進3 個階段。頂進前須進行頂力估算，最大頂力應大于頂進阻力，但不允許超過管材或反力墻允許最大荷載。頂進時側重考慮挖掘、頂進、送排泥的作業順序，以及調整頂進參數。

4.4.1 初始頂進

頂進始發前驗算頂管機和管道后退受力狀態，設置可靠的止退裝置或采取如將管道與井壁相連的止退措施。初始頂進如圖3 所示，應緩慢進行，確保頂管機、管道與洞口止水裝置處于同一軸線，主油缸合力中心宜略低于管中心，過程中要掌握頂進相關數據，作為正常頂進參數的依據。

圖3 初始頂進

初始頂進速度宜小于10mm/ min，合理控制油壓和頂管機土壓力控制值，防止千斤頂退回速度過快；當出現油壓突然增高時，要立即停止頂進，并查明原因，處理后才能繼續頂進。機頭與首節管道連接時，應保證機頭尾部超過500mm 在軌道上，并快速完成連接。

預防頂管機頭部下沉的技術措施：將導軌前端盡可能接近洞口，以縮短頂管機懸臂長度；出洞時要求頂進連續不停頓；設置定心環；頂管機與后三節（或五節）管道連成一體；加固洞口外側土體，確保洞口止水裝置密封可靠。

4.4.2 正常頂進

正常頂進時，應確保設備運行參數較穩定，速度控制平穩但宜小于30mm/ min，杜絕突然加大頂進速度的情況。正常頂進時，側重對刀盤的轉速、扭矩進行合理的控制和調整，以確保泥水循環及分離棄土效果良好。刀盤通常設為高轉速、中低扭矩狀態，具體情況應視土質變化和頂進效果而定。合理控制開挖量與出土量，促使掘進面穩定和泥水平衡，確保頂管機正常頂進。根據控制臺儀表顯示信息，不斷地對土壓力、刀盤位移、切土口大小、糾偏千斤頂行程、泥漿泵和泥漿流向等進行調整，確保頂進正常進行，如圖4 所示。

圖4 控制室操作

4.4.3 頂管管節安裝

管節安裝時應暫停頂進，并對已頂進的管節采取臨時限位固定措施后，才能縮回主千斤頂。管節安裝完成后，繼續頂進。當施工最大頂力可能超過允許頂力時，應按設計采取減少頂進阻力或增設中繼間等技術措施。管節吊裝前要做好準備工作（圖5），預先將泥水循環管道通過配套弧形卡環合理固定在管道內壁，將橡膠密封圈內嵌或外套在預留的環拱槽中，具體情況視管材類型確定。

圖5 管節吊裝準備

使用移動吊車將管節調運至導軌上（圖6），重新可靠連接泥水循環管道，檢查調整密封圈使其滿足要求，并與前一段管節承插連接安裝。頂管管節安裝時，要確保管壁和接口處無滲漏、無灰塵、無油污，管道內部干燥、清潔無雜物。繼續頂進前，必須檢查每節管道中線位移、管底高程和接口情況，確保符合設計和質量驗收要求。及時按照管節實際安裝順序對其進行連續編號，并明顯標注在管節外壁。頂管機后應連續設置4 節帶注漿孔的管節，往后每隔一段距離放置一節帶注漿孔的管節。小于1000mm 的管道在兩端預埋注漿管。

圖6 吊裝管節下井安裝

4.4.4 到達頂進

當頂管機頂進至離接收井約3 倍管經范圍內，須降低頂進的速度，以減少管道的正面阻力，盡可能減少對周圍土體擾動，避免對接收井造成不利影響，確保頂管機能平穩進洞。加密復核測量頂管機的方位，確認頂管狀態、預估頂管機出洞時的狀態，確保頂管頂進是按照預定線路和方案實施，且能準確無誤的進洞。頂管接收應準備好枕墊或接收導軌，進洞后應適當繼續頂進，直到管道超出洞口至少0.5m。

4.5 泥水循環及減阻注漿

泥水循環和減阻注漿是泥水平衡的最為關鍵的環節，它們幾乎與頂進作業同時進行。循環泥水的比重、黏度參考試驗確定值或施工實際情況調整。嚴格控制和調整泥水流速、壓力和比重等參數，確保掘進面快速形成泥膜并保持穩定狀態。利用泥水分離裝置（圖7），對泥水分離進行有效管理，并及時將排放顆粒進行二次處理。

圖7 泥水分離裝置

觸變泥漿是最常用的減阻注漿材料，將添加膨潤土制成的觸變泥漿泵送注入管道與土體環空內，起到潤滑作用從而降低頂進阻力，使頂力得到合理控制。觸變泥漿注漿流程：造漿靜置→注漿→頂管頂進進（同步注漿）→頂管停止頂進→停止注漿。觸變泥漿注漿原則：先注后頂、隨頂隨注、及時補漿。觸變泥漿的配合比根據試驗確定。觸變泥漿實際注漿量往往比理論注漿量大，要避免過量注漿而造成管道上浮或失穩的情況發生。注漿壓力須合理控制，按不大于0.1MPa 逐步加壓直到升至控制壓力。注漿時如出現故障、堵塞、滲漏等情況，必須經處理后才能繼續頂進。當較長停頓后恢復頂進時，須加大補漿量、連續補漿或增加補漿點。

4.6 頂進后處理

當頂管管節為工作管道的保護套管時，在頂管頂進接收完成后，應盡快將如圖8 所示套有墊圈或U 型滑輪的工作管道推送進入頂管完成安裝。頂進后，還需進行泥漿置換，采用現場拌合水泥漿及時置換頂進過程中注入的觸變泥漿，或對套管與工作管之間的空隙使用泡沫混凝土填充，同時采用彈性密封材料對壓漿孔及時進行封堵。

圖8 帶墊圈的玻璃鋼工作管

4.7 測量與監測

泥水平衡頂管施工應遵循“勤測量、常監測、微糾偏”原則，進行全過程測量與監測。測量控制基準點、臨時水準點、管道軸線控制樁和高程樁等控制點，它們在使用前有可能發生位移、沉降、變形，應及時復核并定期校核。使用全站儀或激光經緯儀連同頂管機內激光靶組成誤差測量系統，對頂進高程和軸線全過程測量糾偏，激光靶的感光元件將位置信息反饋至控制室。

是否采取糾偏措施應由糾偏測量情況、偏差大小、偏差產生原因及發展趨勢來確定。頂管機糾偏不能追求零偏差，偏差大于2 倍中誤差時可考慮糾偏。通過對頂管機糾偏系統的相鄰千斤頂進行成對動作控制達到糾偏目的。糾偏在頂進中進行，且須保持掘進面穩定，應做到小角度逐步糾偏，先糾高程后糾中線。

初始頂進時應不間斷測量，到達頂進時進洞前30m 應加密測量，每頂進300mm，測量不應少于一次；正常頂進時，每頂進500～1000mm，測量不應少于一次；糾偏量較大或頻繁糾偏時，應適當增加測量的次數。對每個管節接口處進行水平軸線和高程測量，如有錯口應立即測出相對高差。對地面沉降，建筑物的沉降、位移和損壞，地下構筑物及管線的沉降、位移及滲漏等重點監測。在穿越線路20m 范圍內，設置2m×2m的網格測量坐標點矩陣，使用水準儀對原始地面進行測量，施工過程中使用全站儀或GPS 測量設備進行沉降監測。

5 設備與管材

泥水平衡頂管施工技術使用的設備、材料均應符合合同約定和設計要求。頂管系統設備主要包括頂進系統及導軌、頂管機及中繼間、泥水循環系統、注漿系統、控制系統、測量與監視系統等，還應配置起重設備、井區排水、辦公室、休息室、通風、供電、通信及安全設施等附屬設施[4]。該技術使用的管材為混凝土包裹玻璃鋼管或混凝土套管，預制參數如圖9 和圖10 所示。

圖9 混凝土包裹玻璃鋼管預制尺寸表

圖10 混凝土套管預制尺寸表

6 質量控制

頂進管道應按合同約定質量標準進行質量驗收，主要控制中線位移、管底高程和相鄰管間錯口的允許偏差，每管節至少檢驗1 次。頂進距離不大于100m，中線位移允許偏差50mm，管底高程允許偏差-40～30mm；頂進距離大于100m，中線位移允許偏差100mm，管底高程允許偏差-60～40mm；相鄰管間錯口允許偏差不大于2mm。

通常采取以下質量控制措施：原材料和設備進場符合規定程序，并經驗收合格，計量器具和檢測設備經檢定、校準合格；制定質量計劃及檢驗試驗計劃，嚴格落實技術交底，確保施工質量滿足施工方案、合同規范和設計圖紙要求；制定交接班管理制度，做好頂管施工記錄資料及交接記錄；針對不符合項應立即報告，并采取糾正和預防措施。

7 安全措施

堅持“安全第一，預防為主，綜合治理，持續改進”的安全生產方針，建立健全安全生產管理組織機構及安全生產管理制度，落實全員職業健康安全環保責任制；對施工活動的危害和風險進行評估，提出有效防范措施；嚴格落實安全技術交底，開展安全教育培訓；確保施工現場安全通道、安全圍護、安全警示標志等安全措施落實到位；吊裝作業時，井內與地面應分別配一名起重信號工進行指揮；夜間頂進施工，必須符合夜間施工安全管理規定，夜間照明須滿足安全要求；落實建（構）筑物、地下管線安全保護技術措施；配置通風設施和氣體檢測報警裝置，確保每人所需通風量不小于30m3/ h；現場張貼緊急聯系電話、消防疏散應急預案及設施。

8 環保措施

嚴格遵守工程所在地環境保護相關法律法規，制定并遵守環保規章制度，加強環境保護控制與治理；編制環境保護計劃，嚴格落實環保技術交底，加強環保教育培訓；材料堆放整齊，標識清楚，保持施工文明、環境整潔；避免油料污染；廢土、渣土和廢泥漿集中堆放，及時外運處理；夜間施工應采取措施減少聲、光的不利影響；合理控制施工期間噪聲，必要時采取降噪措施。

9 效益分析

泥水平衡頂管施工技術突破了管道埋設受周圍環境或特殊情況影響選擇施工方法的局限性，最大限度避免了對施工范圍內建（構）筑物、地下管線設施等產生的影響或破壞，確保了頂管施工安全，施工產生的廢土、渣土、廢泥漿和噪音等危害也得到了最大限度地降低。穿越天然氣管廊、高壓電力電纜槽等頂管工程的成功執行，為類似條件下同類工程施工的決策建議和技術指標提供了參考，有利于促進非開挖埋管施工技術的進步，具有明顯的環境效益、技術效益和社會效益。

該技術具有廣泛的土層適用范圍，采用成套集成設備及優化創新的施工工藝，技術先進，易于操作，工程進度快，施工精度高，提高了頂管施工質量，避免了施工程序或方法不當而增加成本，一定程度上降低并控制了工程造價，具有較好的經濟效益。

10 結語

結合迪拜世博會道路網改造工程項目采用泥水平衡頂管施工技術穿越天然氣管廊、高壓電力電纜槽遷改市政供水管的工程實例，闡述了泥水平衡頂管施工技術的特點、適應范圍和工藝原理，詳細介紹了具體工藝流程和操作要點，并說明了質量、安全、環保措施。該技術采用成套集成設備和新型管材，進一步拓展了適用范圍，并有效保證施工質量、安全及環保，也提高了施工效率和進度，創造了較好的效益。泥水平衡頂管施工技術的成功實施，對相關的各類地質條件和工程環境下頂管施工技術深入研究和應用具有一定的參考價值，具有較高的社會、技術、經濟效益。