清水河流域城鄉供水工程中泥水平衡頂管技術分析

路 平

（寧夏水利水電工程局有限公司，寧夏 銀川 750000）

清水河流域城鄉供水工程屬于寧夏的重點工程，被國家列為2020～2022 年重點推進的150 項重大水利工程之一，是寧夏目前總揚程最高、輸水距離最長的揚水工程。輸水主管道長196km ，輸水管線下穿344 國道，經過現場踏查及技術經濟方案比選，泥水平衡頂管具有施工速度快、沉降量小等優點，最終采用頂管穿越344 國道，3#公路路涵（344 國道）管線樁號E2+900，344 國道樁號K2053+100，頂管長度78m，輸水管線管內徑1.2m，頂管采用內徑1.6m 鋼筋混凝土圓管涵，頂管管道坡度為0%。

泥水平衡頂管是一種先進的非開挖技術，廣泛應用于穿越鐵路、公路、河流等，其施工占地小，不影響交通及周邊環境，具有精度高、速度快、安全性好等優點，其軸線控制系統全部由電腦系統控制激光定位，基本排除軸線移位現象，在水、電及出泥系統得到保證后，每天掘進25m，邊出泥邊頂進，不會出現塌方現象。

1 泥水平衡頂管施工優勢

泥水平衡頂管機的基本工作原理是利用主軸偏心回轉的運動進行破碎，頂管機刀盤的正面有上下兩個進口，分別是石塊和泥土的進口，正面的開口較大，能夠方便大塊卵石進入頂管機內，開口面積大約占頂管機全斷面的1/6～1/5。

主軸兩側為電動機驅動刀盤，電動機中行星減速器帶動小齒輪，再帶動中心的大齒輪。主軸、大齒輪與軋輥連接構成一個整體。刀盤安裝在主軸左側，電機驅動刀盤轉動時，軋輥也隨之轉動。掘進機工作時，利用刀盤旋轉切削土體，同時作偏心運動粉碎石塊。刀盤旋轉的過程中，泥水倉和泥土倉中的間隙會逐漸變大，并往復循環變化，因此，其能夠粉碎石塊，還能保證進入水泵的泥水隨著間隙的大小變化到達泥土倉中，從而保證掘進機不僅能在砂土中工作，還能在粘土中正常工作。

2 清水河流域城鄉供水工程中泥水平衡頂管施工技術分析

泥水平衡頂管主要由機頭、液壓頂進系統、泥漿循環系統和控制室組成。采用激光系統控制高程和軸線，機頭刀盤掘進，土料進入出土倉通過送水泵進水，以泥漿泵吸泥漿出土的方式出土，邊出土邊頂進。施工工藝如圖1 所示。

圖1 施工工藝

2.1 頂管機的選型

清水河流域城鄉供水工程中采用NPD-B600、NPD-B1000 型泥水平衡頂管掘進機，其具有破碎功能，由揚州廣鑫機械有限公司生產，主千斤頂、頂管機、泥水分離裝置和泥水循環系統成套化。此頂管機具有如下優點：

（1）刀盤帶錐形破碎機，能破碎小于外徑0.3的礫石，適用于砂土、粘質土、砂礫混合卵石土、軟巖等各種土質。

（2）在軌道中安裝主頂油缸，一次頂進長度為100m 或100m 以上；

（3）可用遠程系統操縱頂管機，在控制系統中電視監測并合理控制方向變化，具有較高的準確度。

（4）應用已經完成專利申請流程的RSG 雙光靶方向控制系統，選用工作經驗豐富且專業水平較高的工作人員，有效控制方向誤差，將誤差值降低在10mm 以下。

（5）在應用過程中，泥水分離裝置具有較好的靈活性和密封性能，所占空間較小。

現階段，上述型號的設備裝置應用率較高，應用范圍較廣，相關施工經驗較為豐富，可作參考。運用成熟且可靠性較高的技術手段，在作業過程中對土層的影響較小。

2.2 基坑開挖及支護

（1）依據設計圖紙，工作井、接收井深基坑開挖深度4.5m，坡比為1∶1。

（2）在基坑開挖工作中需綜合應用機械開挖與人工開挖兩種模式。正式開挖前需在最上方設置截水溝，以避免低洼部位積水影響基坑。

（3）基坑開挖時每層厚度不得大于2m，并按照層次與階段逐個挖掘，當開挖標高達到30cm時，需轉換為人工開挖至基底處。在開挖作業中可有效發揮時控效應的重要作用，提高支撐系統施工的安全性，避免出現基坑變形等現象。若在作業過程中出現滲漏等現象，必須應用有效的封堵舉措。當開挖深度達到基坑設計標準高度后，應在4h 內完成混凝土墊層澆筑工作，并在48h 內完成頂管工作坑和接收坑底板澆筑，當底板混凝土強度達到100%后，進行鋼筋混凝土導墻澆筑。

（4）采用注漿加固+噴錨支護加固工作井邊坡路基側，噴射混凝土厚度10cm，Φ10 鋼筋網，注漿導管長2.5m，應用Φ50×5mm 的無縫鋼管作為導管，布置鋼管時，需將距離設置為1.5m，并按梅花狀安放。

（5）應用噴錨支護接收井邊坡路基側，噴射混凝土厚度10cm，Φ10 鋼筋網，距離設置為20cm×20cm，注漿導管長2.5m，應用Φ50×5mm的無縫鋼管作為導管，布置鋼管時，需將距離設置為1.5m，并按梅花狀安放。

（6）頂進后，靠背設1.0m 厚后背樁和1.5m厚M10 漿砌片石后背墻。工作井和接收井的井底均設20cm 厚C20 鋼筋墊層和50cm 厚砂礫墊層。

2.3 出土方案

出土方案應用全自動化泥水輸送方式，將土方放置在機艙內，經泥水攪拌后形成泥漿，再應用泥水泵將其抽離，以實現高效率排土。根據實際需求，在沉井上方設置沉淀池，以完成泥漿沉淀工作，并根據文明施工基本要求及渣土處理辦法外運泥漿沉淀后的剩余物質，以降低對周圍環境的污染。

2.4 后靠背導軌及后頂的安裝

（1）在明確軸線位置的前提下，在與井壁距離100～200mm 的位置放置后靠背，放置時，需根據實際情況進行上下左右的調節，使得中心與軸線完全重合，調整方法如圖2 所示。

圖2 后靠背導軌調整圖

（2）完成導軌安裝后，需在洞口處預留副導軌安裝區域，預留位置需與部分主導軌高度相同且為平行狀態，以避免出現機頭低頭現象，如圖3 所示。

圖3 副導軌安裝圖

（3）枕木、鋼支架或混凝土墊層，需根據增高裝置控制機頭重量和選擇增高量。

2.5 泥水系統的安裝

泥水系統包含泥漿池、沉石箱、排泥泵等。

（1）設置泥漿池位置時，可以并聯法作為基礎原則，縮短工作井與泥漿池的距離，如圖4 所示。縮短工作井與泥漿池的距離，可有效降低因排泥管路較長而形成的管路摩阻力。

圖4 泥漿池并聯圖

（2）設置沉石箱的主要目的是促進塊狀物沉淀，避免排泥塊狀物進入排泥泵而出現堵塞或質量問題。

（3）排漿系統應配置減壓系統，在排泥泵出口1m 處和機頭注漿處安裝壓力表，保證漿液攪拌均勻。

3 清水河流域城鄉供水工程泥水平衡頂管施工技術注意事項

清水河流域城鄉供水工程地質具有濕陷性，保證開挖直徑1 920mm，混凝土管外徑為1 920mm，施工過程由液壓千斤頂頂進，采用泥水平衡出土方案，應用泥水平衡頂管施工技術需要注意以下幾方面：

（1）導軌安裝過程中，必須復核管道的中心位置，兩根導軌必須高度一致且平行，導軌面中心標高必須在設計管底標高拋高的允許范圍（一般為0.5～1cm），安裝導軌的坡度必須與設計管道的坡度一致。

（2）工作坑混凝土基礎面標高等于管底標高減去導軌的總高度。

（3）后墻面應與管道頂進軸線相垂直，必須有足夠的強度和剛度，承受和傳遞全部頂力，采用現澆鋼筋混凝土作為后座墻，頂管施工時應保證后座墻全截面均勻受力。

（4）頂進施工時，應將前2m 作為頂進試驗段，通過前2m 的試驗熟練掌握頂管機在該地層中的操作方法、推進各項參數的調節控制方案，掌握觸變泥漿注漿工藝，并通過試驗段及時、有效地分析、調整施工參數，保證全段頂管施工安全、順利進行。

（5）應用4 臺千斤頂協同工作，千斤頂的規格需完全一致，每臺千斤頂的頂力需大于200t，壓力需小于額定工作壓力的70%。

（6）4 臺千斤頂的作用合力點與管道中心相垂直，且位于后座中間位置，以減少后座傾覆、偏斜。

（7）安裝油泵裝置的過程中，必須檢查各項保護措施是否完備，反復核對壓力表等裝置的運行情況，在保證所有裝置正常的情況下進行試車。

（8）啟動千斤頂時，頂進速度應緩慢，通過控制閥門逐步增大油路壓力和油量，在管道頂動時方可加快頂伸速度，操作人員必須集中注意力，正確啟閉閥門，控制油路壓力。

（9）工具管的長度一般為1.0～1.6m，尺寸、剛度和強度必須符合要求。工具管、法蘭圈、溝管依次相連，必須牢固穩定，拆裝方便，頂進過程中，法蘭圈與溝管不能脫節。

（10）對于土質情況不良的地區，應做好沉降觀測，必要時采用注漿方式加固地基。

（11）頂管工作完成且驗收合格后，拆除導軌、后背和頂進設備，之后土方回填基坑，并進行夯實處理，確保不發生沉陷。

4 結語

泥水平衡頂管技術相較于人工頂管適用范圍更廣，該技術適用于黃土、砂礫、卵礫石等地質情況，每天頂進速度約25m，是人頂管速度的5倍左右，速度快、安全性高，尤其適用于穿高速、高鐵、國道等車流量大的道路，邊掘進邊頂進，不需人工進洞操作，安全性高。