淺談水利工程頂管施工技術應用

薛煜XUE Yu

（江陰市水利工程有限公司，江陰 214400）

1 工程概況

本地涵施工采用頂管為內徑4000mm，壁厚320mm，外徑4640mm，每節長2500mm 鋼筋混凝土管材。荷載等級為Ⅲ級管要求，管道接口采用柔性接頭形式，鋼承口為C型。混凝土等級C50，抗滲等級W10，雙道楔形橡膠圈止水。總長度2×413m，雙排管，兩管凈間距5.66m，縱曲線，曲率半徑800m。

根據地質報告，頂管主要位于②1-3 層淤泥質土、②2-2 砂質粉土、③2 層粉質粘土及③3 層粉質粘土。

2 工程特點難點及處置方式

2.1 難點一

本工程管徑較大，機頭較重，出洞階段機頭容易出現磕頭現象，頂進過程中遇較軟弱土層容易下沉，軸線較難控制。

解決辦法：出洞前在沉井預留洞口內安裝延伸軌道，防止出洞階段出現磕頭現象，最終形成良好的導向。

2.2 難點二

本工程單段頂距較長，頂力較大。

解決辦法：控制觸變泥漿質量，控制注漿量及注漿壓力，使之形成良好的泥漿套，有效減小摩擦阻力；合理布置中繼間，在后靠及管材達到極限強度前及時開啟中繼間。

2.3 難點三

頂管穿越新孟河。河底覆土較小，河底容易擊穿，導致機頭上浮。

解決辦法：施工前仔細復核河底標高，施工時適當減小泥水壓力，防止河底擊穿。

2.4 難點四

本工程頂管為縱曲線頂管，且曲率半徑較小（800m），糾偏比較困難。

解決辦法：進入曲線前及進入曲線后加大測量頻率，發現偏差及時糾偏；為防止糾偏困難，在機頭和設備段之間加設輔助糾偏；進入曲線段及曲線結束區段派專人填塞及取出木契。始終保持頂管軸線與設計軸線吻合。

3 設備選型

3.1 頂管機

頂管施工的質量和進度很大程度受工程所在地的水文、地質及施工條件影響，同時頂管的選用還要考慮減少周圍環境影響。本工程中采用頂管機如下：

頂管掘進機根據本工程的特點，采用DN4000 泥水平衡頂管機（如圖1 所示）。該類頂管掘進機不需要開挖，包含激光、測量、機械、液壓和電控（含PLC）等多種技術，并且融于一體達到技術先進的工程設備，對粘土質、砂土及含小顆粒礫石、卵石等多種土壤條件有較好的適應性。

圖1 頂管機施工現場圖

該頂管機的系統組成主要由主殼體、動力、泥水、液壓、電氣控制等，其主要技術參數如表1。

表1 頂管機參數表

3.2 主頂設備

主頂裝置選用推力油缸14 只，采用雙作用和雙沖程工作，每只千斤頂行程最大為3.5m，最大推力為200t。采用兩列對稱布置方案，主推的最大推力達到2800t。

3.3 注漿系統選型

采用TWB-150 泥漿泵進行地面注漿，主要向管內各注漿中繼站供漿和后續管道補漿；采用SYB50 / 45－II 注漿泵進行管內注漿，主要向機頭部位注漿和管內注漿接力。輸漿總管由φ2″鍍鋅鋼管，配套球閥和水暖管件等組成，采用φ25 高壓軟管將管節上的各壓漿孔接通，形成環形管。

TWB-150 泥漿泵主要參數：

注漿流量：150L/min

注漿壓力：4MPa

往復次數：81 次/min

吸漿管直徑：89mm

排漿管直徑：59mm

注漿流量：Q＝80L/min

注漿壓力：P＝4MPa

油泵型號：10SCYl4—lB Q＝10ml/r p＝31.5MPa

電機型號：Y112M—4 N=4kW N=1450r/min

3.4 進排泥系統

排泥泵采用SP（1）型高揚程砂礫泵。進水泵采用30kW 泥漿泵。

3.5 垂直運輸機械

Ф4000 頂管機頭自重75 噸，采用400 噸汽車吊進行安裝及吊運。

Ф4000 管節自重30 噸，采用40 噸門機吊裝。

4 工藝流程（圖2）

圖2 工藝流程圖

5 設備安裝

頂管基座采用鋼結構的預制構件，根據管道設計軸線準確放樣確定頂管基座位置，然后吊入井下按照測量放樣的基線安裝固定。根據頂管設計軸線，實測洞門中心位置，居中放置基座上的導軌，采用支撐加固，從而確保基座穩定不變形。（見圖3：工作坑內布置圖）

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圖3 工作坑內布置圖

5.1 后靠安裝

采用特制鋼制后靠，緊貼工作井井壁，和主推油缸正好形成90 度夾角，用混凝土填實空隙。

5.2 導軌安裝

頂管導軌為裝配式導軌，軌距2.35m，導軌定位首先要考慮穩固和正確，還要保證頂進施工中承受住各種荷載，確保導軌不產生變形、位移和沉降。二根軌道必須經常復核，確保相互平行和等高，確保頂進軸線的精度，導軌的坡度應符合管道設計坡度要求。

導軌安裝的精度應滿足以下要求：

軸線位置：±3mm

頂面高程：0-+3mm

兩軌內距：±2mm

5.3 主頂設備安裝

主推油缸固定在油缸架上，在主推油缸近處設油泵站，并搭設防雨棚確保油泵站不受天氣影響，油路安裝確保接頭擰緊不漏油，保持順直。

5.4 頂管機安裝

根據現場條件采用汽車吊吊裝頂管機機頭，并由專人指揮，保證平穩和避免沖撞，機頭安放在導軌上后，應測定前后端的中心方向偏差，并作好記錄，機頭與導軌的接觸面必須平穩、吻合，機頭必須對電路、油路、泥漿管路和操縱、監測系統進行逐一連接，各部件連接牢固，不得滲漏、安裝正確并對各分系統認真檢查和試運行。

5.5 地面準備工作

①在頂管頂進施工前，首先進行施工接電、通水和通道安裝，然后按要求進行排水和照明等設備的安裝。②按照本工程施工要求，備齊施工材料、機具以及設備。管節等消耗材料必須備有足夠的余量。③測量控制網必須在井上和井下同時建立，并且必須經復核無誤后才能認可。④注漿設備安裝調試。

6 穿越河道技術措施

頂管頂進至105m 左右時到達新孟河底部，頂管穿越土層為②1-3 層和②2-2 層。

這兩層土特性為：

②1-3 層主要是灰色淤泥質粉質粘土，夾②主要是砂壤土薄層，呈流塑-軟塑狀態。

②2-2 層主要是灰色砂質粉土，重粉質砂壤土，局部粉細砂，局部還偶爾夾雜著粉質粘土薄層，呈稍密-中密狀態。

頂管施工前指派專人對河床標高進行復測，確定覆土深度是否符合頂管施工要求。

頂管進入新孟河時，根據河底到管頂的覆土深度及時調整好泥水壓力及注漿壓力，防止因壓力過高而擊穿河床，導致河水倒灌事故，頂管在河底穿越時，派專人觀察河內情況，如發現河內有少量冒泡現象，立即減小泥水壓力及注漿壓力，如發現有大的冒泡現象，應立即通知相關部門，分析研究應對措施。

本工程頂管機械采用機械式泥水平衡型，平衡開挖面的土體主要采用壓力倉的泥水壓力，確保頂管機正前方達到支護開挖面的作用。頂管施工的關鍵是平衡壓力的設定，主要由推力、推進速度和出土量三者的關系決定是個非常重要的環節。

頂進土壓力的設定值主要以頂管機切口處地面變形量來控制，一般宜控制在+3～+5mm。確保地面變形監測數據不會出現無變化的假象，同時及時監測地層滯后變形。

具體操作時應采取以下措施：

①土壓力控制。

設立地面沉降實驗段，一般在頂進初始階段15m 的時候。土壓力設置過大地面就會隆起，土壓力設置過小會引起地面沉降。

土壓力按下式控制：

P 設=P 靜+0.03MPa

P 設——設定的開挖面土壓力值；

P 靜——靜止土壓力值。

土壓力按以上公式設定后，在試驗段記錄地面沉降測量記錄來確認合適的土壓平衡壓力值，同時密切關注沿線覆土深度和土質情況，做到及時調整。

施工時操作人員密切注意土壓力表顯示的壓力值，如發現土壓力值小于設定土壓力，則加快主頂頂進速度，減慢刀盤轉速（本工程機頭為變頻設置，刀盤轉速可在0～1.4 轉/分調整），減小出土速度；如發現土壓力值大于設定土壓力，則減慢主頂頂進速度、加快刀盤轉速、加快出土速度。

頂管頂進到位后，馬上停止轉動刀盤，否則造成主頂停止頂進而刀盤空轉后迎面土壓力減小。通過注漿孔壓注適量的觸變泥漿，確保泥水艙的泥水壓力保持在設定壓力。

②泥漿濃度控制。

用于頂管的進泥泥漿采用濃泥漿，以達到支護土體的作用。泥漿比重保持在1.2-1.3 之間，如泥漿比重小于1.2，則加入膨潤土充分攪拌后再進行使用。

③注漿量及注漿壓力控制。

漿液壓注量：根據以往經驗：管道外周環形空隙的漿液壓注量應達到1.5-2 倍，按單邊1cm 設置管外空隙。計算得出頂進的每一節管道機頭部位的理論壓漿量為：

3.14×4.64×0.01×（1.5～2）×2.5=0.54～0.73（m3）

每一節管道機頭部位的實際注漿量必須大于計算得出的注漿量。

施工過程中各部位的土質情況、注漿壓力以及頂力情況的不同，后續管道補漿須采取不同的補漿量。

注漿壓力控制：

注漿壓力在頂進過程中根據各部位土的天然重度，還有覆土深度制定，一般應控制在1.1-1.3γH；施工時必須詳細的記錄觸變泥漿的壓注量、注漿壓力等，同時注漿壓力依據根據地面沉降監測報表及時加大或減小。

④控制糾偏幅度。

操縱人員要控制管道偏差在盡可能小的范圍內，必須及時認真分析機頭偏差量，仔細謹慎糾偏。一旦進入河道面，應杜絕大的糾偏動作，防止因糾偏幅度過大引起路面沉降。

⑤管材供應及拼裝。

管材供應必須及時，同時留有余量，否則機頭在道路下停頓時間過長引起泥水艙內泥水壓力減小造成沉降。

管材進場時須嚴格驗收，對不合格管材進行退貨處理。

管節安裝時，滑動部位為了減少摩阻，可均勻涂薄層硅油等，潤滑材料須對橡膠無侵蝕性。承插時使用外力時必須均勻，橡膠圈不能位移和翻轉，更不能露到管外。

前三節必須有注漿孔布置，后面有注漿孔的管節必須每隔一節放置。

⑥泥漿置換。

管道頂進結束，觸變泥漿立即用水泥漿液進行置換，防止出現滯后沉降。水泥漿的水灰比應適當減小。

7 總結

①頂管在穿越填土處，應防止冒漿現象發生，合理設置頂進壓力，放慢頂進速度，加強監測，以便必要時采取相應的措施。②頂管工作面局部同時遇到兩層土時，因兩層土的阻力有所差異，應注意防止頂管偏向，施工中應遵循勤糾微調的原則，保證管道不發生偏糾。③頂管頂進過程中必須詳細記錄土體變形和地面沉降監測數據，同時做好地面建構筑物的變形監測工作，同時采用適當措施控制地面沉降控制量在允許范圍內，確保安全。