泥水平衡頂管法在市政管道施工中的應用

李玉鑫

（山西建筑工程集團有限公司，山西 太原 030000）

隨著我國的城鎮化建設越發完善，一些原有的污水管道也需要拆除、擴建。但市政道路涉及到的人員、建筑因素較多，尤其是會影響周遭居民的日常生活。因此相較于傳統的明挖法，泥水平衡頂管法的優勢更加明顯，對施工設備、人員的要求更低，也保障了基礎的施工進度要求。

1 泥水平衡式頂管法概述

在主頂油缸的推進下，掘進機頭逐漸進入止水圈，連接到接收井、在電動機的支持下，切削刀盤不斷轉動，進入土層。在轉動切削刀盤的過程中，粉碎挖掘的石塊等物質，融合泥水艙中準備好的泥漿，在排泥泵的運行下輸送到地面。在這個環節當中，需要按照高精度的土壓平衡設備，讓溺水之間處于平衡狀態，防止造成地面的隆起與沉降。在挖掘機完全進入土層后，才能拆除電纜和泥漿管，將第一節頂進管安裝在掘進機的尾套位置，終止挖掘收回液壓。在此基礎上將另一節管道吊入井中，連接在第一節管道后方，開展后續頂進作業。不斷重復上述環節，在確保所有管道都被頂入土層后，完成泥水平衡頂管施工，如圖1所示。

圖1 泥水平衡式頂管施工

掘進機掘進施工時，主要是借助激光導向控制系統工作。首先由激光經緯儀發射出激光束，利用已經調整好的標高以及方位，對掘進機中的定位光靶進行瞄準，從而捕捉到機內攝像機中的影像，最后將所獲得的影像直接輸送到電腦中，配合挖掘系統工作。作為機械設備的操作者，應該根據實際需要，將掘進機內置油缸的伸縮進行調節，從而保證不會出現偏移，對切削部分頭部位置進行全面調整。掘進操作中，需要對整個管道的水平進行全面控制，保證偏離精度維持在垂直向30cm內即可。工作井施工完畢后，需要借助頂管掘進機將液壓系統運輸至工地上，并做好安裝工作，使其固定在導軌上。微型掘進設備中，主要包括遙控臺、后方主頂、激光定位裝置以及操縱臺、泥水處理以及循環裝置等等，此外，還包括卡車、發電機、起重機以及電焊機等等。

2 泥水平衡式頂管施工優勢

首先，泥水平衡式頂管施工適用范圍廣，其既能夠在地下水壓很高的情況下作業，也能夠在不同的土質中作業，其次，泥水平衡式頂管施工能夠最大化維持挖掘面的穩定性，不會對頂管周邊的土體造成過大的干擾，也不會引起過大的沉降，對土體破壞性較小。第三，相比于其他普通的頂管施工，泥水平衡式頂管施工總推力較小，適合應用于粘土層區域，也常用于長距離頂管施工操作。第四，泥水平衡式頂管施工的坑內作業環境良好，且不易出現塌陷等安全事故，也無需進行吊土以及搬運等危險性較高的作業，其主要依靠管道對棄土進行運輸，安全性相對較高。第五，泥水平衡式頂管施工的作業速度相對較快，可以實現連續作業，工期較短。

3 泥水平衡頂管法施工工藝

3.1 工作井的施工

1）工作前期準備。需要對施工圖紙詳細了解、分析，對照與實際施工場地的差距，檢查設計管線沿線管道的產權歸屬，了解管道埋藏的深度等因素，了解原有管道的走向，保障后續施工的有序開展；2）測量定位。結合設計單位給出的導線點、水準點坐標，分析是否符合實際施工場地和具體要求，提前測量工作井的范圍，做好前期圍擋與處理；3）工作坑開挖。根據施工位置，施工鋼板樁、水泥攪拌樁等支護市政管道，開挖工作坑。一些市政管道工程由于位置特殊，可以嘗試利用沉井工藝開挖工作坑。（施工流程見圖2）

圖2 施工流程圖

3.2 設備的選型及安裝

3.2.1 設備選型

市政管道施工也需要配合合適的頂管設備，才能保障施工的整體質量。頂管設備的頂力需要控制在規范的設計標準范圍內，防止由于頂力不適合，導致頂管距離以及工作坑和接收坑數量上出現偏差。尤其是一些頂管施工的地質曲線比較復雜、半徑相對較小，如果在設備選型上出現差錯，后續管道糾偏也比較困難，所以需要相關設計、施工人員加以關注。

管道允許頂力計算公式1所示，結合管道設計埋深、使用的管道材質、壁厚和挖井等因素，計算管道的允許頂力。公式2為管道頂管頂進阻力的計算公式，D為管道外徑、L為管道設計頂進長度、f為管外壁與土的單位面積平均摩阻力；迎面阻力的計算則參照公式3。

3.2.2 設備安裝

先安裝好導軌、止水圈等基礎設備，然后在安裝千斤頂、頂鐵，才能在全站儀測量導線的支持下，確定具體的平差。借助三角形原理開展定向測量，從地面將坐標傳遞到地下。按照已經設計好的方向，安裝激光經緯儀，在后續的管道施工中也不能移動位置，確保推進機與管道中心中軸線重合，才能讓設備與頂進坑底板固定好。

3.3 入洞

在頂管設備實際入洞之前，也需要做好基礎性的測試，確保泥漿的數量和密度滿足實際需求。泥漿制備影響著頂進施工的有序推進，泥漿需要有一定比重的黏土成分，才能滿足施工的實際需求。在現階段，市政管道施工常用的泥漿材料為泡沫、聚合物等，膨潤土作為一種黏土礦物，其強大的膨脹性、觸變性也發揮了明顯的作用。在泥水平衡頂管施工環節，經常應用5%濃度的膨潤土泥漿。

結合市政管道實際的施工要求和頂管施工現場情況，需要選擇適合圖紙的泥漿密度，才能推進施工的有序進行。不同土質的相對密度也有明顯差別，黏土和粉土泥水的相對密度為1.025～1.075之間；粉砂和細砂泥水的相對密度在1.047～1.125之間，需要根據工程需要合理選擇與調配。

先選擇施工工程需求的泥水相對密度。在實際施工環節，結合實際施工情況和需求，適當調整泥水的相對密度，平衡好泥水壓力，發揮出泥水平衡頂管法的真正作用。在機械設備的支持下攪拌均勻泥水漿液，灌入專門的儲漿罐放置一天一夜。膨潤土顆粒吸收了充足的水分后，檢測膨潤土泥水的粘度、比重等數值，在達到標準后開展后續施工。

3.4 頂進

技術人員先檢查好千斤頂、頂進鐵的安裝，確保安裝合理并對稱，才能在頂進作業時防止產生偏心力。先安裝橫頂鐵、順頂鐵、環頂鐵；然后啟動千斤頂油泵，打開閥門開始回油；在此基礎上進一步添加頂鐵、下管，完成整個泥水平衡頂進作業流程。

3.5 出洞

在實際的泥水平衡頂管施工中，最容易發生事故的就是出洞環節。需要施工人員、設計人員對出洞區域附近的土質有一定了解，必要時需要及時加固出洞口。一些市政道路工程由于距離建筑物較近，可以應用高壓旋噴樁來加固出洞區域的土質，保障出洞的整體安全。如果在頂管設備出洞階段，出洞口范圍內的土壤擾動，也會影響控制頂管的方向，嚴重時甚至會產生一定的安全事故。所以，就需要先降低周圍土壤對頂管出洞的干擾，確定出洞后工具管的準確位置，才能保障出洞的安全推進，進而發揮出泥水平衡頂管法的優勢。

3.6 設備拆除

先安裝的設備在拆除環節要延后，先拆除后安裝的設備。著重拆除主體設備，先以地下設備的拆除為主。借助起重設備的支持，將各種設備轉移出施工現場。

3.7 泥漿置換

在順利貫通頂板的基礎上，借助一定濃度的水泥漿置換填充固化，置換泥漿的量要在頂管觸變泥漿量之上，防止土層出現較多損失。

3.8 竣工測量

在施工結束之后，在激光引導技術的支持下，判斷管道軸線、管底標高是否符合相關標準，對照設計圖紙和要求開展竣工測量。

4 施工需注意的問題

作為地下隱蔽工程的一種，市政管道的頂板施工復雜性較高，并且對施工技術的要求也比較復雜。尤其是要做好施工前期準備，準確判斷、深入了解施工圖紙與方案。而在具體的施工中，則需要關注以下四點注意事項。

1）在掘進頂管時，需要有專業的工作人員，實時記錄進水壓力和泥艙壓力數值，在第一時間采取有效處理與補救。這樣才能確保挖掘面施工的穩定性、安全性。過大的泥艙壓力容易堵塞管道，而泥艙壓力太小也會導致周圍土層的流失、沉陷等問題；2）頂進施工應當保持連續性，要結合實際要求，配備充足的泥漿生產儲備量。在特殊情況下頂管掘進需要停工，要第一時間判斷泥水流向，防止由于土層存在縫隙，導致泥水流失。在停工時間過長的情況下，就需要關注地下水滲透、頂力增加等因素。做好洞口止水作業，用密封檢查等方式避免出現漏水，開展頂管機械出洞；3）對泥水的濃度、相對密度也要實時監測，尤其是要控制好進排泥泵的流量和壓力，防止淤泥堵塞排泥管，確保施工的有序推進；4）在實際頂進施工環節，如果實際情況與設計存在明顯偏差，需要第一時間停止頂進，判斷造成偏差的具體原因，開展有針對性的糾偏。

5 泥水平衡頂管法在市政污水管道施工中的具體應用

5.1 施工步驟

1）勘測引點，在上述操作全部完成后開始進入工作井施工；2）對具體位置進行勘測取樣；3）對相應裝置進行布置，包括液壓控制系統等；4）開始準備安裝地面輔助裝置；5）把全部的頂管掘進機都安裝在了規定地點上，以待為下一次建設時所用；6）根據相關規定對激光經緯儀進行適當設置；7）將掘進機先開出工作槽，而后才開始頂進；8）頂管單位主體進到接受坑。

5.2 具體應用要點

5.2.1 做好地面準備工作

在開始施工前，工作人員就必須嚴格地依照工程要求對水、電等設備以及其他設施加以布置，并重點配置照明設備。另外，必須把毛渣石所需的場平全部鋪好。并預留必要的空隙以便于安裝相應物料，包括建筑物材料、建筑機械用具等。

工程施工之前，各種施工材料、機具和其他器材均要準確齊備，防止由于上述原因而影響施工進度。管節之間要保持一定余量，這樣才能在正常情況下使用。同時井上以及井下都要建立測量監控網絡，待經過審批并上報給工程監理人員后就能夠使用。

5.2.2 做好井內布置工作

井底基礎設計工作內容相當多，其中較為關鍵的項目有后椅背、油泵動力站等。而頂管基座在一般情況下都會選用鋼結構預制構件，但其具體位置則要求工作人員必須根據設計圖中所標注的水平方向軸線來完成放樣，并且切忌產生偏差。安放頂管基座時，工作人員要根據測量放樣中的規定來找準位置，然后逐步吊入到井下等其完全到位后，才能安放穩固。由于導軌大多都位于基座上面，因此工作人員也必須根據設計軸線布置來加以布置，基座設置時一般都設置在洞口中心處，為確保導軌的安全穩固，工作人員還要設置支柱，使之更加穩固，以保證基座不會發生任何變化。

5.2.3 后座墻結構施工

后座墻也可以叫做后背壁，其主要功用是當管道頂進時，可以給螺旋千斤頂提供一定的反作用力，從而使得螺旋千斤頂也能正常發揮作用。施工階段還需要確保后座墻體穩定不可以發生任何的破壞，不然頂進施工就會被停止。而后座墻的具體規劃方法也必須根據設計規范來制定，這一施工環節十分關鍵，相當于頂力計算，所以施工者一定要多加注意。

影響頂力的原因甚多，可分成客觀原因和主體原因二種。客觀原因包含管道類型、直徑多少、頂距長度、浮土厚薄、土壤的類型、地下水位、管節比重大小等，而客觀因素則包含施工誤差、頂進方式、中途停止與否、是否使用過潤滑油等。影響頂進力的重要客觀因素，在各章中都做了說明。現在將重點探討影響后座墻剛度的主觀原因。1）頂進偏差。在頂進工作過程中，因為土質、裝置人員的動作等原因，造成了管子的走向或高度出現偏離，這些偏差就叫做頂進偏差，又稱誤差。這些偏差都將引起頂力上升。施工人員需要具備豐富的經驗與強大的技術能力，第一時間采取有效措施，防止偏差進一步擴大，用正確、高效的矯正方式，將偏差范圍控制在允許區間，甚至從根本上避免出現偏差。這樣，及時頂力出現上升，也在可以承受的范圍內。不過，在偏差出現后，因校正易操之過急而致使管道上產生折線段、錯口等問題，并由此造成頂力的上升，使后座墻發生損壞現象；2）中途停工。頂進作業一進行，在中途就不會停下來了。如果在停頓后繼續施工，頂力也會明顯增加。但使用注漿潤滑，施工中的頂進壓力就會降低不少。

此外，后座墻在施工上對剛度也有一定要求，首先，需確保后座墻在受到最大頂力時不會出現變形的情況。其次，在材料選擇時，要保證彈性較小，避免對后座墻進行壓縮，出現變形情況。

6 結語

由于市政管道工程環境、要求的特殊性，必須發揮出泥水平衡頂管法的優勢，應用于前期準備到后期竣工驗收的各個環節，從根本上提升管道施工質量，降低對周圍建筑及居民生活的影響。