市政工程施工中泥水平衡頂管施工技術的應用

張前華

（贛州市金淼建設工程有限公司 江西 贛州 341000）

市政工程通常是在城市空間開展，施工現場涉及大量的建筑、道路及其他的公共基礎設施等，這些設施的存在會對施工產生不利的影響，部分施工內容會影響道路交通，甚至需要拆除地表建筑以保證工程施工的順利進行。在市政工程地下管道施工中，應用泥水平衡頂管施工技術則可規避這一問題，其無需進行地面開挖，通過工作井與接收井，使用頂管機直接在地下頂管作業，施工對地面事物影響較小，施工質量和施工效率表現良好。但是，在實際的應用中，需著重考慮地質條件，明確適用范圍及技術應用的關鍵點，以此來保證市政工程的頂管施工質效。

1 市政工程實例

以某地排水工程為例，污水管道總長為2876m，管徑為500～1650mm，管道埋設深度為1.60～6.25m。由于管道鋪設沿線存在公路及通水箱涵，部分施工段無法使用明挖施工方法，需要應用泥水平衡頂管施工技術。在前期的地質調查中獲知，施工路線的土質結構如下：第一層主要是雜填土，部分地段存在淤泥；第二層為砂質粉土、粉質黏土等；第三層為淤泥粉質黏土、砂質黏性土，并且淺部黏（粉）性土層中存在潛水。本文以其中一段頂管施工為例，進行泥水平衡頂管施工技術的應用分析，該段長度為142m，采取兩段頂管施工方案，在施工路段的兩端各設置一個接收井，中間設置作業井，井點選擇了沉井施工方案，為了保證井點作業的安全性，井的底部采用鋼筋混凝土進行加固處理，井壁進行高壓旋噴樁施工，以為泥水平衡頂管施工做好準備。

2 泥水平衡頂管施工前期準備

2.1 選用頂管機

頂管機在選用之前，需進行頂管施工作業現場的實際調查，并征求施工技術人員的建議，選擇性能規格符合頂管施工的頂管機。該工程選用的是泥水平衡式頂管機，其具有非常好的自動平衡性能，尤其是頂進過程中沉降控制精度高，可控制在1cm 以下，頂進速度快，實現泥水加壓與地下水壓的雙向平衡，確保泥水平衡頂管施工的安全可靠進行。并且，頂管機本身配備了檢測儀器，可進行頂進參數的實時測量，以為頂管施工作業提供參考，進一步保障頂管施工的質量。

2.2 注漿設備系統配置

泥水平衡頂管施工泥漿主體材料為膨潤土，需事先配置完成，使用2臺液壓注漿泵作為注漿設備，一臺注漿，一臺補漿，同步協同進行泥水平衡頂管施工作業。另外，機內設有儲漿箱，尺寸為2m×0.9m×1m；地面也設有儲漿箱，體積為2m×1.5m×1m。泥漿在預制過程中，膨潤土與水需充分攪拌，攪拌時間要超過0.5h，然后將泥漿放入地面儲漿箱，儲存大約6h，等到泥漿發酵完全后，使用注漿泵泵送至壓漿管道內。在泵送之前，還需再次攪拌發酵后的泥漿，以防止泥漿在管道中的摩擦力過大影響到壓漿效果。整個注漿系統由單缸液壓注漿泵、液壓動力站、輸漿總管組成［1］，總管使用高壓軟管與壓漿孔進行連接，液壓注漿泵施加壓力將泥漿通過輸漿總管泵送至壓漿管道，以輔助頂管施工作業。

2.3 泥水循環系統

2.3.1 泥水循環系統分析

一是注漿管。主體注漿管選用鋼管材質，管徑參照頂管機的接口進行選擇，轉彎位置則使用軟管連接。

二是輸水電機。根據施工設計中地下水壓力進行選擇，電機輸出的泥水壓力要高出其30kPa左右。

三是泥水濃度。其關系到頂管過程中的排泥，應參照工程地質條件進行確定。在土層滲透系數不大的情況下，泥水比重應小于1.0；如果是中等水平，則要提高比重，增加膨潤土的添加量，維持泥水的均衡，應在1.05～1.10；如果系數較大，則泥水比重還要增加，需提高至1.10～1.20，以保證頂管作業過程中的泥水濃度，維持泥水壓力的穩定。通過泥水比重的嚴格控制，可確保泥水頂管過程中的平衡，加快泥膜形成的速度，保持工作面的穩定。由于泥水處于不斷的循環狀態［2］，會損失一定量的黏土，需注意在泥水平衡頂管過程中不斷添加適量的黏土，保持泥水比重的穩定，以確保頂管作業的質量。

2.3.2 注意事項

一是在泥水平衡頂管過程中持續循環泥水，導致泥水中的黏土處于消耗狀態，所以，應密切關注泥漿的粘度，頂管過程中隨時測量，及時添加黏土，以將粘度維持在22～35Pa·s；二是注意泥水壓力的控制，通常要大于地下水壓力30kPa 左右；三是頂管之前先進行內循環的檢測，并進行泥水壓力的改善，確定壓力穩定后，檢查外循環，評估頂管作業的情況；四是頂管機頂進作業不斷切削土層，需要泥水循環不斷地排土，需在這一過程中使用渣漿分離器及時將泥漿中的渣土去除；五是每完成一段頂管作業后，泥水循環系統不可立即停機，應等待3min 后再關閉系統；六是頂管作業結束后，先關閉系統的截止閥，然后才可拆下泥漿管。

2.4 觸變泥漿減阻系統

觸變泥漿減阻系統由螺桿注漿泵、高速攪拌筒、儲漿箱組成。總管管徑與注漿泵相同，選用的是G50 鋼管，機尾配置壓力表，支管材質為耐壓橡膠，注漿孔縱向按照4 根管道的長度進行設計，并且注漿孔中安裝球閥，壓漿孔組分別設置在管道頂部與兩側，每個位置安裝3組。

2.5 工作井施工

泥水平衡頂管施工的工作井采用的是沉井施工方案，井底加固處理使用的是鋼筋混凝土樁。在鋼筋作業過程中，預埋鋼板，然后再進行混凝土澆筑，以方便于井底導軌的安裝。所以，在預埋鋼管作業中，采用了加固措施以增加錨固強度，防止導軌運行過程中發生位置偏移。導軌與鋼板采用焊接進行連接，需注意焊接作業質量的檢測，并對導軌進行加固，保證導軌運行過程中的穩定可靠。主頂油缸架的安裝誤差要控制在5mm 以內［3］，選擇拼裝結構，保證結構良好的承載力。整個工作井的井壁進行高壓旋噴樁作業，并進行強度與剛度的檢測。其中，承壓壁（后背墻）需要承擔頂管作業時產生的反作用力，需進行頂管后背處理，使用50b型工字鋼焊接，與井壁之間設置墊板，以保證承壓壁可完全承擔這些反作用力，促進頂管頂進施工作業的順利開展。

3 泥水平衡頂管施工技術的應用要點

3.1 安裝導軌與節管

導軌的軌道高15cm、內距1m，為鋼制定型導軌，由鋼軌、橫梁、墊板等組成，順著注漿管道的坡度安裝。在安裝過程中，要保證軌道處于中心線之上，盡量減少安裝位置偏差。導軌與預埋鋼板連接時，選擇使用的是槽鋼焊接，導軌鋪設前，道床必須墊平、搗實。導軌安裝的質量要求是位置準確，安裝牢固，可完全承擔頂管作業形成的壓力，不會發生變形、位移等問題，以及兩條導軌對稱平行等高。并且，在頂管作業過程中，進行導軌高程、中線位置、中心標高等各項參數的觀測，隨時進行頂進的調整，最大限度地降低頂進軸線的偏差。安裝節管作業時，在工作井上設置起重設備，由其將球墨鑄鐵管吊入井中，在起吊之前，進行鐵管的質量檢查，確定有無裂縫、平直度是否合格，最后準確地吊裝在軌道上，并注意對準管口。

3.2 安裝頂鐵

在完成球墨鑄鐵管安裝后，在頂進側的鐵管口安裝U形頂鐵，增加管口受力范圍，形成對管壁的保護作用［4］。頂鐵與管口大小相吻合，保持其中心線與管道軸線的相切合，頂鐵與管道之間增設木板，作為接觸面受力的緩沖，保證兩者受力的均衡，完成安裝后，立即鎖定，同時清理干凈導軌與頂鐵表面。在頂管作業過程中，頂鐵附近不可有人員滯留，并高度關注頂鐵的工作狀態，及時發現頂進異常，保證頂管作業的安全。

3.3 進洞技術要點

首先，在工作井中確定頂管洞口位置，然后向前挖大約50cm，啟動頂管機，將機頭緩慢向洞口移動，直至刀盤完全進洞后，安裝好止水圈。啟動頂管機運行，測量土壓為0.1MPa、出漿機土壓為0.08MPa時，頂管機開始進入頂進作業狀態。在頂管機刀盤切削土層時，機頭轉動形成反作用力，使軌道與其之間的摩擦力增加，機頭頂進軸線易出現偏移，應在頂管機入土之前，在軌道上安裝限位設備，并將頂進速度設定小于50mm/min，防止刀盤旋轉形成過大的作用力。在頂進超過2m后，如果機頭旋轉不夠順暢，緩慢增加頂進速度，機頭未入土之前，土壓應維持在40kPa左右，直至機頭完全進入土中，開始下第一節管并進行封閉處理。

3.4 頂進施工技術要點

在完成進洞準備后，將安裝好的第一節球墨鑄鐵管進行頂進作業，使用千斤頂施加作用力，促使第一節鐵管進入挖好的土洞中，完成第一節鐵管頂進后，留出大約0.4m左右，用于與第二節鐵管連接。將千斤頂退回，拆除頂鐵［1］，進行第二節球墨鑄鐵管的安裝與頂進，重復上述施工過程。當機頭即將到達接收井之前，大約在25m的位置時，進行軸線的檢測，以確定機頭在接收井中的位置。為了保證進入接收井的安全，應與工作井使用相同的封堵措施，在接近接收井的洞口時，將機頭出口位置的井壁挖開，在進洞后，立即分離機頭與節管，同時，使用水泥砂漿填充管壁與土層之間的縫隙。

3.5 出洞技術要點

機頭在即將到達接收井之前，在接收井出洞口的位置，找準時機，也就是頂管土壓、水壓消失的情況下，機頭停止作業，在接頭管的中心位置打入一根鋼釬，然后檢查好頂進軸線，開動主頂油缸接著進行頂管［5］。當機頭露出后，關停頂管機，開始進行接收作業，將機頭取出放在托架上，在接收井上方使用起重設備吊出，完成整個頂管作業流程。

3.6 設置監測與通信系統

泥水平衡頂管施工需要地上與井下之間的作業協調，應保持通信的通暢，因此，地上指揮中心、接收井、工作井、頂管機等各配置一部對講機，用于頂管作業過程中的溝通交流。此外，為了保證頂管作業的安全及作業指揮調度協調的時效性，在施工現場的地面、井下、管道等位置設置了實時監控系統，提高施工過程的管控力度。

3.7 頂管測量質量控制

3.7.1 軸線測量

頂管作業比較容易出現的問題是頂進軸線與設計軸線出現偏差，應在頂進過程中隨時進行軸線的測量。一般來說，每頂一個節管測量一次，但是，為了避免出現頂進偏差，應根據頂進作業的實際表現隨時進行測量，并要做好復測工作，以便于及時糾正偏差，加快頂進的進度。在頂進軸線測量中，選擇使用激光經緯儀跟蹤頂管機中的光靶，測量人員可以隨時獲取頂進的軸線測量數據，每完成一節頂管作業，回測一次軸線數據。高程測量的是頂管機中心標高，然后參照設計標高，借助水準儀進行測量和調整，以形成對頂進高程的有效控制。

3.7.2 頂管動態測量

頂進的節管必須保持與設計軸線的一致性，為了避免節管出現位移偏差，需對頂管進行動態測量，以便及時發現推進偏差并進行糾正。在節管推進土層之前，每前行30cm，測量一次，完全進入土層之后，每前行100cm，進行一次頂進姿態的測量［6］，以提高調整的頻次，實現推進軸線的精確控制。在動態測量過程中，一旦發現軸線偏差，立即進行調整，并且在出洞、進洞等關鍵施工環節需要保證測量的精確性，并合理增加測量頻率。

3.8 監測措施

3.8.1 地表監測

地表監測主要是在頂管的初始時期，在頂管設計軸線的位置，間隔4m 設置監測樁，主要監測的內容是地表隆起或是沉降，統計記錄頂進過程中的這兩項參數，以作為調整頂管機作業參數的依據，主要有推進速度、土壓力等。

3.8.2 沉降監測

使用水準儀對監測點的高程進行測量，測量高程數據與原始高程進行比對，并繪制出沉降曲線，預測曲線的發展趨勢，設定沉降閾值，當發現沉降量超出該值后，應立即停止作業，然后對獲取的數據進行匯總，開展調整措施的分析，制訂出有效的解決方案。

3.8.3 監測頻率

根據頂管作業的進度進行監測頻率的設定，一是頂管機頂進初期，在距離監測點約20m時，進行3次以上的監測；二是頂管進入監測點20m 范圍后，每過1h監測1次，當監測到沉降或隆起參數不穩定的情況下，增加監測的頻率，開展持續性的監測，將監測的數據進行整理、匯總、統計，繪制出變化曲線，預測發展結果，并上報給項目管理部門進行研究解決。

4 結語

在市政工程中應用泥水平衡頂管施工技術，具備以下優勢：一是該技術不受地表事物的限制，在施工沿線設置工作井與接收井，地下作業對土層擾動較小；二是頂管施工與明挖施工相比，開挖與回填作業量少，加快了施工進度；三是在管道埋設深度過大的情況下，泥水平衡頂管施工的成本低、施工操作簡單、施工效益表現良好。基于此，在市政工程管道工程施工中，結合施工沿線的土質狀況及地表建筑和公共設施情況，深入分析研究該施工技術，明確技術應用的要點，保證技術應用的準確性，對于市政工程施工有著積極的影響。