泥水平衡頂管施工工藝探討

馮 斌

（長沙市公共工程建設中心，湖南 長沙 410000）

0 引言

頂管施工在如今的市政、長輸管道的施工中應用尤其廣泛，是一種非開挖敷設管道的施工方法。頂管施工主要是在土層下面進行工程的作業，不需要進行大面積的開挖，對施工周圍環境的影響較小，施工的工期較短。頂管施工的范圍比較大，比較適用于土質好、挖掘面穩定、地面沉降較小的情況[1]。該方法主要借助頂進設備在工作坑內產生的頂力，將管道與周圍土壤產生的摩擦力消除，根據設計的線路將管道安裝到位，之后將多余的土方清理干凈，并及時運走[2]。完成一段管道施工之后，再繼續頂進下一段管道。整個工作原理就是利用主頂油缸、中繼間的推力，將工具管或者是掘進機通過工作坑向土層進行推進，直到進入接收坑內被吊起為止。隨著工具管或掘進機進入接收坑，管道也隨之進入接收坑，在兩個工作坑之間進行埋設[3]。圖1 為泥水平衡式頂管工藝原理。

圖1 泥水平衡式頂管工藝原理

1 施工工藝流程及操作要點

1.1 施工準備

在進行施工前，相關人員需要熟悉合同文件、設計文件、規范和標準，根據相應的施工工藝圖和施工流程進行嚴格審查，防止在施工過程出現一系列的問題。另外，施工前應進行現場勘察，掌握管工程建設周圍的地形、水文地質、地上及周邊建筑物、地下管道、障礙物等環境，再對原始信息進行詳細的核實確認，必要時，重新進行工作坑的調查和勘探。地面和地下勘察控制系統應到位，以確保控制點不易受到干擾，同時還有利于相關人員開展檢查工作。施工影響區內的地表、相鄰建筑物和管道應設置監測觀察點。參與施工的單位和人員應當進行施工前資質審查，同時對各級施工人員進行相應的培訓教育和安全技術交底[4]。

1.2 測量、糾偏

管道測量需要在觀景臺上安裝激光經緯儀，經緯儀發射的激光束提前預設好位置，且滿足工程施工過程中的要求。發射的激光束用作引導圓柱體的參考線。測量控制的原理是在機械掘進過程中，掘進機測量目標的中心始終與激光光斑的中心重合，以確保掘進機頂部的推進方向符合設計方向。如果掘進機在施工過程中發生偏轉，相應的激光光斑將遠離目標中心。偏差測量目標的圖像將傳輸到控制臺上的監視器，使檢查員能夠檢測偏差并采取糾正措施。糾偏磨削應按照“經常測量、頻繁磨削、多次微調”的原則，磨削角度應小于0.5°，并提前設置偏差警告角。在拉管機的上、下、左、右方向安裝校正油缸，通過4 組油缸進行4 個方向的校正工作，觀察并持續測量目標圖像。若偏差超過20 mm 且有擴大的趨勢，則應停工進行偏差測量。應緩慢校正偏差，以便逐漸將管道連接重置為零，不允許大幅度的糾偏作業[5]。

1.3 頂進工藝

頂管是否成功的關鍵在于頂管進出洞的環節處理上，所以，在掘進機進洞之前，必須做好洞口的防護工作。通常在預留洞的周圍打入膨脹螺栓，間距保持200 mm，然后將超過預留洞600 mm 的橡膠圈沿著外邊150 mm 的位置在膨脹螺栓上進行固定。掘進機進洞之前，將多余的橡膠圈放在預留洞內部，然后才能讓掘進機進洞。要做好地下水和流砂的處理，防止其涌入井內，以保護預留洞的洞口。在掘進機頭進洞之前要對所有設備進行全面的檢查，確保試運轉沒有問題，止水膠板安裝位置核對無誤，外夾板安裝牢固才能進洞。進洞的時候，要觀察止水膠板，確保其均勻壓入，沒有出現翻轉和破損等現象。掘進機出洞的時候，要嚴格地對出洞時的頂進偏差進行控制，中心偏差要控制在50 mm 以內。如果以上條件不符合，就需要將掘進機拉出來，再次進行調整。

1.4 中繼站技術措施

充分利用中繼站的技術措施，可以有效解決泥水平衡頂進施工中頂力不足的問題，適用于長距離施工。在連續頂進的過程中，管道的摩擦阻力也會增加，此時，使用中繼站可以有效分擔主站的開機壓力。管道可通過設置多個中繼站分段施工。此時，總站只負責最后一段管道頂進，可以有效保證管道頂進的施工進度。

1.5 地下管線沉降保護措施

在從管道外的第一段鋼管進入土層時，施工還需要保證核對的切割頭推力值與泥漿壓力差值保持在合理狀態。合理使用泥水平衡工藝能夠調節開挖的結構穩定性。通常情況下，當該工藝運用在較軟弱地層時，施工人員能夠將平均地層結構損失控制在2%以下，從而有效減少泥漿發生板結的概率。此外，廠家要對驅動裝置通電誤差趨勢進行科學分析，通過合理地調節糾偏角度，將驅動系統的誤差控制在30 mm 之內[6]。圖2 為施工工藝流程。

圖2 施工工藝流程

2 泥水平衡頂進施工工藝

2.1 普通泥水平衡頂進工藝

泥水平衡頂進是利用泥水壓力來平衡頂進工作面的水壓力和土壓力，采用機械掘進技術。通過掘進機的掘進刀盤掘開土層，將削切下來的土壤在泥水艙與水混合成泥水砂漿，排泥管不斷地把摻有棄土的泥水砂漿排出泥水艙。而泥水砂漿艙也要保證相應的壓強，使掘進機在有泥水壓力的情況下向前鉆進。

該工法層次明確，操作簡單，工作安全，易于掌握，能夠對復雜多變的地下狀況進行迅速反應。頂管在地面運行，安全、直觀、簡單。適合的土壤范圍廣泛，軟泥、黏土、細砂土、砂礫土、硬壤土等均能應用。施工精度高，上、下、左、右均可補偏救弊，最大糾正偏離角達到2.5°，且能做較遠距離頂進。對管體周圍的土體擾動較小，地面沉降少，道路交通及構筑物相對安全。操作坑內施工環境較好，采用泥水輸送棄土，沒有吊土、搬運土方，施工無安全風險。但該工藝要求土中的礫石直徑不大于6 cm。圖3 為泥水平衡頂管施工工法。

圖3 泥水平衡頂管施工工法

2.2 巖石機頂進工藝

巖石頂管頂進是一種以全斷面切削土體，并將土中的大顆粒礫石進行粉碎，以泥水砂漿加壓結構來均衡土壓與地下水壓的壓力差，并將泥水砂漿作為輸送棄土介質的機械自動化頂管施工法。

巖石頂管機頂進系統主要由掘進機（包括二次破碎設備）、作業平臺和附屬設備組成。可編程控制柜安裝在機頭內部，地面操作平臺發出動作信號控制機頭動作，隨著工具管的前進，切割盤不斷旋轉，進水管不斷供應泥水，排泥管不斷排出泥漿水箱中混有廢渣的泥漿。

掘進機刀盤由位于主軸左右兩端的電機驅動。當掘進機工作時，刀盤旋轉以切割土壤和砂礫，同時進行偏心運動以壓碎石頭。只有當泥倉與泥倉間隙較小時，碎石才能進入泥倉，并從排水管排出。一般情況下，刀盤每分鐘旋轉4～5 次，刀具旋轉1 次，偏心破碎動作達20～23 次。由于機器的特殊配置，因此它的破碎能力可破碎直徑6 cm 以下的石塊，破碎的強度可達100 MPa。遇到風化巖層或大粒徑礫巖需要二次破碎，第一次掘進滾刀破碎將礫巖破成大塊，進倉后二次破碎將大塊礫巖破碎成直徑小于6 cm的小塊與泥漿一起排出，即使是直徑16 cm 的石塊也可以絞碎。若出現較大孤石，由于并非全斷面流砂，可采用加大泥漿濃度、加大刀盤旋轉速度并同時降低機頭推進速度的方式，將較大石塊絞碎，之后恢復頂進。

需要注意的是頂進過程機頭容易出現下沉。如果工程的施工地段在粉細砂土的區域，在頂進過程中很容易出現頂管機偏下走的情況，即使及時地進行糾偏處理也很難進行改善。其主要的原因是頂管機本身的重量過大，在工作的時候很容易產生過于劇烈的振動，從而影響土質，使其液化，進而削弱了其應有的承載力。或者由于碰上了兩個不同性質的土層，而下層的土質太軟，泥水壓力很難進行有效的控制。為了解決這個問題，最好的方法就是放慢施工的進度，將泥漿濃度調低，或者將頂管機的機頭略微向上進行調整，就能較好地解決機頭下沉的問題。另外，泥水管容易出現堵塞。在施工的過程中有時會出現泥水管的沉淀或堵塞的問題，這樣就會影響泥水管當中泥水的正常流動，進而影響頂管機的正常推進。出現這樣的問題主要原因是排泥泵的效率過低，不能產生足夠的流量，使臨界的流速高于泥水管內的實際流速，從而出現泥水管堵塞的現象。同時，在頂管機停止工作的時候，沒有將管內進行徹底的沖洗也會堵塞泥水管。針對以上的問題，可以通過以下的應對措施來進行有效的解決：①進行泥漿的凈化，使泥漿的沖擊力得到提升，結合施工的具體情況，適當地加大送水量；②全面檢查排泥泵的性能，及時更換那些不符合標準要求的排泥泵，在停止推進作業的時候，認真沖洗排泥管道，避免出現管道的沉淀和堵塞。

3 結語

綜上所述，隨著現代城市建設的不斷完善和發展，泥水平衡法頂管技術已經比較成熟，其安全性和可靠性均有保障，而且施工的優勢比較明顯，因此使用范圍比較廣泛。隨著我國建筑施工工藝的不斷發展，頂管施工的作用將更加突出，其應用效果也會更好，這就需要相關的施工技術人員不斷進行泥水平衡頂管技術的探索，嚴把質量關，使泥水平衡頂管施工工藝得到更廣泛的應用。