泥水平衡法頂管施工工藝關鍵技術解析

□張金剛

（汝陽縣水利局虎盤水庫管理所）

1 引言

頂管法施工工藝是一種歷史悠久的地下管道施工方法，它最早于1896 年起源于美國，中國至1984 年才開始引進在一些大城市市政工程領域應用，并由此使中國的頂管技術上了一個新臺階。頂管施工除了傳統的人工開挖法、擠壓法、水沖法之外，目前比較流行的有氣壓平衡、土壓平衡和泥水平衡三種理論。文章以南水北調中線工程平頂山供水11-1號管線第Ⅴ標段為實測，對這種理論的實踐過程進行初步解析，以供同行應用時借鑒參考。

2 項目概況

標段的代表性穿越項目是大浪河頂管工程，該工程從樁號B2+996.46 開始至B2+874.46 止，頂管長度122 m，混凝土套管DN1400，內穿SP 管DN800。該段地層主要為第四系上更新統沖積成因的重粉質壤土、中更新統坡洪積成因的重粉質壤土、粉質粘土、碎石，其下為上第三系中新統洛陽組的粘土巖、砂礫巖和泥灰巖等，共分為5 層。根據有關規程推薦，泥水平衡式頂管機適用于地下水位以下的粘性土、砂性土，因此設計部門選擇泥水平衡式頂管施工工藝作為技術成果。

該標段類似穿越項目還有穿越河、渠2 處，長度分別為61.20、59.12 m；穿越等級公路和城市道路5處，長度分別為86、66、56、56、46 m。

3 施工工藝流程與主要頂進方法

完整的泥水平衡式頂管系統包括以下8個部分，其主要施工工藝流程圖見圖1。

3.1 掘土頂進

掘土頂進的順利與否，關鍵是選擇合適的頂進機頭。根據地質勘探情況，穿越大浪河頂管層含有較大粒徑的礫石，采取泥水平衡作業需要將其破碎。根據這一要求，施工單位選擇了淮南唐興產的TPN1500 型頂進機頭，這種機頭的刀盤開口較大，開口面積約占全斷面的15%，有利于較大粒徑的卵石順利進入頂管機內。刀盤在一邊旋轉切削土砂的同時，一邊作偏心運動把石塊軋碎（破碎的最大粒徑可達掘進機口徑的40%～45%，破碎的卵石強度可達200 MPa），然后使軋碎的碎石進入泥水倉而從排水管道排出。

圖1 主要施工工藝流程圖

3.2 注漿排泥

3.2.1 優選注漿材料

目前，在頂管工程中應用最廣泛的是膨潤土泥漿。這種泥漿通常是由膨潤土、CMC（粉末化學漿糊）、純堿和水按一定比例配方組成，通常水：土=（4～5）∶1、土：摻合劑=（20～30）∶1、膨潤土濃度約為5%，可廣泛適用于粘性土、粉質土及滲透系數較小的砂性土地區；滲透系數較大的粒砂反砂礫層可采取化學灌漿。

3.2.2 控制注漿壓力

注漿壓力宜通過試驗選取也可根據一般經驗公式推求，公式可參考《給排水管道工程施工及驗收規范》（GB50268-2008）和《給排水工程頂管技術規程》（CECS246∶2008）有關內容，常用注漿設備是液壓泵、活塞泵或螺桿泵。

3.2.3 掌握注漿時間和注漿數量

一般補漿孔的間距通常以每隔3～5 節管段或9～15 m 距離設置一組為宜，每個斷面可布孔3～4個，注漿量一般達4～5倍理論計算量（根據管道外壁與土體之間的空隙范圍計算而得）。

3.3 設備糾偏

在頂管施工頂進中，管道是在地下土層中頂推前進，由于不均一和機頭姿態不穩定等原因，機頭軌跡（標高和軸線）會與設計軌跡發生偏差。為了糾正這種軌跡偏差，目前國內外都是依靠頂管機自帶的液壓糾偏系統而進行糾偏的。

相對于進口機（如海瑞克、伊勢機）的先進糾偏功能，國產機的優點是結構簡單，頂進前幾乎不需要進行任何的調整和調零工作，但缺點卻十分突出，主要是多沒配備與進口機反射誘導同等功能的糾偏反饋系統，只能依靠傾斜儀和糾偏油缸的伸出量來進行間接的判斷。雖然從理論上講，只要通過控制幾個糾偏油缸的伸縮量，就能夠使頂管機逐步恢復到正確的軸線位置，但實際工作中往往由于操作人員的經驗不足、以及土質變化和不同頂管機的結構性能差異等，經常會使控制系統不能直觀、及時、準確地反饋機頭姿態，從而導致糾偏出現偏差。

面對國產機的上述現實情況，施工操作人員制定了具體應對措施：一是“勤”。包括勤觀察與勤動作，即操作手不間斷的觀察顯示屏、指示燈和掌握了解井內情況；二是“微”。指每次糾偏的幅度不能太大，因為突然的大幅度糾偏，往往會造成管接頭開口，甚至導致漏水，或者矯枉過正，導致向另一側偏差，形成“S”型管道，使頂力增大，引發其它問題；三是“標不離靶”。“標”是指激光束，“靶”就是光靶。簡單說，就是在任何時候激光束都不能離開光靶。在頂進過程中，由于各種原因，造成機頭偏差較大時（尤其是水平方向），使得光束離開了光靶，導致控制臺上看不到激光點，遇見這種情況，應該特別的小心處理。一般分兩步糾偏：①調整激光發射器位置，并記錄X和Y方向的偏移值（X，Y）；②糾偏回來后再把激光發射器移動（-X，-Y）即可。

3.4 中繼間接力

中繼間也可稱作中繼站或中繼環。中繼間的結構主要由殼體、油缸、密封件等部件組成。在頂進過程中，中繼間安裝在管道中的某個部位，把管道分成若干個頂進區間。頂進時，先由若干個中繼間按先后順序把管道頂進一段距離，然后由主頂裝置頂進最后一個區間的管道，這樣不斷重復，直到整條管道貫通。中繼間的設置一般根據頂力的變化而確定。通常情況下，第一只中繼間應放在比較靠前的位置，當總的推力達到中繼間總推力的40%～60%時，就應安放第一只中繼間，這主要是考慮在頂進過程中，工具管正面的阻力會因土質條件的變化而發生較大的變化。第一只中繼間以后，每當推力達到中繼間總推力的70%～80%時，可考慮安放下一個中繼間。

4 結語

長距離頂管施工具有許多的不可預見性，影響頂力變化的隨機因素隨時可現，如沿途地質條件的變化等等。因此，很難做好準確的施工設計工作，為不致施工過程中出現較大的偏差，建議設計時多做幾套方案，以隨時應對可能出現的各種問題。比如中繼間設置是否合理，不僅關系到管道頂進能否正常進行，而且關系到工程造價等問題，少了不安全、多了是浪費。文中提到的該標段施工設計具有中繼間內容，但實際上幾處頂管工地上真正按設計要求操作使用的卻很少。因此應重視方案的多樣化比選與論證工作，唯如此，才能保障長距離頂管施工的安全、可靠、經濟和實用。