泥水平衡式頂管法在市政污水管道施工中的應用

摘 要：泥水平衡式頂管法具有對土體擾動小、可連續出土、頂進效率高且適用于長距離頂進等優點。本文結合泥水平衡式頂管法在漳州臺商投資區角江路污水工程中的實際應用，提出泥水平衡頂管施工技術方案與技術流程，并分析了泥水平衡施工技術要點，包括工作井施工、頂推力計算、后背墻計算、頂管頂進、泥漿減阻措施等，為后續類似工程施工提供借鑒。

關鍵詞：市政污水管道；頂管施工；泥水平衡；頂推力

中圖分類號：TU 99 " 文獻標志碼：A

泥水平衡式頂管法以全斷面形式對土體進行切割，通過泥水壓力使土體、地下水壓力之間平衡與連續出土，可顯著減少土體與管道摩擦力，保證土層開挖整體穩定性，防止出現坍塌。本文以泥水平衡式頂管法在漳州臺商投資區角江路污水工程中的實際應用為例，對泥水平衡式頂管法應用進行重點研究。

1 工程概況

1.1 項目簡介

本項目位于漳州臺商投資區，起點位于林美大道與角江路交叉口處，污水管沿角江路敷設，最后接入角江路恒蒼小橋處現狀污水管。其中，W3～W4段污水管位于角江路南側已拆遷空地，該段因周邊建筑較多，為減少對周邊建筑影響，本段污水管采用頂管施工，污水管為Ⅲ鋼筋混凝土管DN1000，壁厚t為100mm，長度為139m。管材應符合《頂進施工法用鋼筋混凝土排水管》且混凝土強度等級不宜低于C50，接口采用A型鋼承口管。采用環氧煤瀝青，二底二面，干膜總厚度不小于300mm。

1.2 地質條件

本項目地勘參考《漳州臺商投資區角江路（楊厝至林美大道）拓寬改造工程》地勘報告。根據鉆探揭露，擬建場地自上而下分述如下。

素填土：分布不均，厚度為0.70～3.30m。主要由黏性土組成，局部含少量砂。褐黃色、灰黃色，松散，稍濕～濕。回填時間約3年～5年，密實度及均勻性差，未經專門碾壓處理，尚未完成自重固結。在該層校正后標貫擊數為6.0擊～10.0擊，平均值為7.6擊，標準值為6.5擊。

雜填土：分布不均，厚度0.60～3.80m。主要由碎石、磚等組成，充填少量黏性土，局部含生活垃圾。褐黃色、灰黃色，松散，稍濕～濕。

淤泥：厚度為0.60～14.80m，系沖海相沉積而成，呈灰色、青灰色，流塑，成份主要由黏、粉粒組成，含少量有機質及少量貝殼，具腥臭味，切面光滑，韌性好，干強度高，無搖振反應，該層屬高壓縮性軟土，力學強度低，工程性能差。

粉質黏土：分布不均，厚度為0.60～4.50m，系沖海相沉積而成，灰褐色、灰黃色，可塑為主，局部硬塑，以粉、黏粒為主，含部分石英質砂礫，干強度中等，韌性中等，切面光滑，無搖震反應，力學強度一般。該層校正后標貫擊數為6.60擊～16.50擊，平均值為11.9擊，標準值為11.06擊。

粗砂：厚度為0.55～10.55m，系沖海相沉積而成，呈灰褐色，經水流分選主要表現為粗砂，局部為中砂、礫砂等，成份主要為石英砂及少量細顆粒。中密狀為主，局部稍密狀、密實狀。該層校正后標貫擊數為6.90擊～33.6擊，平均值為18.64擊，標準值為17.08擊。

全風化花崗巖：厚度為1.30～7.80m，褐黃色、灰黃色、灰白色，巖芯呈堅硬土狀，原巖結構較清晰，主要成分為石英及未盡風化的長石，手捻可見殘留長石顆粒，遇水易軟化、崩解。為極軟巖，巖體極破碎，基本質量等級為Ⅴ級。該層校正后標貫擊數為30.0擊～44.8擊，平均值為34.29擊，標準值為33.39擊。

1.3 施工技術方案

本項目頂管施工穿越地層較為復雜，且周邊建筑較為密集，為了不影響道路交通及建筑物安全使用，因此采用水泥平衡式機械頂管施工技術，頂管機型號為NPD1800，各項技術參數：最快頂進速度為100mm/min，糾偏角度為2.5°，頂管機外徑總長度為2180mm×4200mm，質量為23t。工作井及接收井支護設計采用拉森鋼板樁類型，工作井封底使用C30混凝土，澆筑厚度控制為30cm。頂管機機頭如圖1所示。

2 頂管施工技術

2.1 施工工藝流程

本項目中設計的泥水平衡式頂管施工工藝流程如圖2所示。

2.2 工作井施工

本工程頂管施工用井（工作井）共計1口。結構形式采用逆作法護壁。護壁混凝土強度等級為C30，鋼筋保護層厚度為35mm。所有配筋均采用HRB400級鋼筋，鋼筋接頭均采用焊接，搭接長度為單面焊10d，雙面焊5d，接頭應互相錯開。在洞口處，必須鋼筋截斷時，應從孔洞中心處截斷，將截斷的鋼筋與板面垂直，沿洞壁彎入，并與洞邊加強鋼筋或加強環筋焊接。頂管施工用井采用逆作法，按每米往下分段施工，最長不超過1.0m。

根據設計要求，工作井采用圓形頂坑，開挖井里土體，分層挖深為1.0m，并修整外壁的土模，在井的四周綁扎鋼筋，立模板，澆筑混凝土，待混凝土強度達到80%，然后挖土、綁扎鋼筋、立模板、澆筑混凝土制作第二節護壁，做第三、四節護壁，直到設計井底。采用人機結合挖土法施工。

逆作法護壁支護結構井作為工作井，凈空尺寸為16.21m，每節護壁高1m，側面為梯形（規格護壁厚度為500mm），工作井剖面如圖3所示。

2.3 頂推力計算

本工程W3～W4段污水管為Ⅲ鋼筋砼管DN1000，頂距取值為160m，按照公式（1）計算推力F0。

F0=πDLfk+NF （1）

式中：F0為頂推力標準值，kN；D為管道外徑，m；L為頂距，m；fk為管道和土層摩阻力，取值為2.5，NF為頂管機頂進阻力，kN[1]。

其中，頂管機頂進阻力的計算過程如公式（2）所示。

（2）

式中：γ為土層容重，取值為18；H0為地面到頂管機中心高度，m，查閱地勘報告為4.05m[2]。

計算得出頂推力標準值F0=1313.22kN。本工程配置2臺100t千斤頂，以0.7功效系數計算得出千斤頂的頂推力數值為1400kN，大于頂推力標準值F0=1313.22kN，因此可滿足頂管施工要求。

2.4 后背墻計算

本項目后背墻寬為3.5m，高為2.5m，厚為0.5m，設計澆筑C25混凝土。可采用公式（3）計算頂管施工后背墻的標準承載力。

F=σBH （3）

式中：F為頂管施工后背墻標準承載力，kN；σ為后背墻混凝土的抗壓強度；為后背墻設計高度，m；B為后背墻設計寬度，m。通過計算得出后背墻標準承載力F=218.75kN[3]。

后背墻土體必須具備足夠的抗力，才能保障頂管頂進時墻體安全，因此，后背墻抗力R≥1.6F0，可通過公式（4）計算反力R。

（4）

式中：R為后背墻的抗力，kN；α為系數（1.5～2.5），取值為1.8；λ為土層容重，翻閱地勘資料確定為19 kN·m-3；Kp為被動土壓力系數取值為2.6，c為土層內聚力，kPa，翻閱地勘資料確定為18kPa；h為地面到后背墻頂出土層的高度，m，取值為4m[4]。按照上述公式計算1.8×3.5（19×2.52×1.3+2×18×2.5×1.612+19×4×2.5×2.6）=4998.77kN

符合gt;1.6F0（2101.15kN）要求，能保障安全施工。

2.5 頂管頂進

泥水平衡頂管機施工剖面如圖4所示。

頂管機進洞是本項目施工的關鍵環節，先加固洞口并進行密封，始發進洞要合理調整頂進速率。

第一節管道頂進操作：啟動刀盤與回水系統，通過千斤頂有序、緩慢頂進，要求速率不超過30mm/min[5]。進入正常頂進狀態要啟動進回水閥，并將旁通閥關閉，確定泥水倉水壓達到正常狀態，由千斤頂頂進。第一節管道頂進結束，要將千斤頂、刀盤系統關閉，并啟動旁通閥及關閉進水閥。NPD1800泥水平衡頂管機機頭即將出洞時，需要將預留孔位置臨時性封堵墻拆除，才可繼續頂進直至出洞。頂管進、出洞口配筋加固措施如圖5所示。

2.6 泥漿減阻措施

觸變泥漿可減少頂管與土層摩擦阻力，抑制土層位移與沉降。壓漿操作應貫徹“先壓后頂”“隨頂隨壓”“動態補漿”基本原則[6]。從頂進管道前端垂直鉆設注漿孔，數量為8～10個。為使管節外壁漿套更完整，對頂管機后的節管應安裝觸變泥漿管，尤其是前3節管節，其余可間隔性安裝觸變泥漿管，對漿套進行及時有效補漿。觸變泥漿由膨潤土、水混合制作而成，具體制作流程如圖6所示。

2.7 糾偏控制

若頂管機機頭偏離設計線路軸線，則必須進行及時糾偏，在操作過程中嚴格貫徹勤測、勤調以及微動基本原則。頂管機是通過管道激光測量與油缸進行糾偏控制。在頂管頂進過程中，由激光經緯儀進行同步測量，結合測量結果由4組油缸進行隨時糾偏。第一節管節頂進，應保證頂管機坐標位置精準。始發頂進，一般進尺0.2m對軸線、高程進行1次測量，正常頂進，一般進尺0.5～1m對軸線、高程進行1次測量，若偏差超出允許值，則立即糾偏[7]。

2.8 通風系統

在長距離管道頂進過程中，人員在管道內要消耗大量的氧氣，在掘進過程中遇到一些土層內產生的有害氣體，隨著頂進距離增加，管內的溫度及濕度增加，影響測量的準確性，此時就需要向管內輸送新鮮空氣。

采用離心式鼓風機通過風管直接向掘進機工作面壓入新鮮空氣，排除管道內的污濁氣體。在地面設置一臺4-26-5A型離心式鼓風機（功率為15kW，風量為4293m3/h～

6349m3/h），經?300mm的PVC維綸布拉鏈式軟風管向掘進機處提供新鮮空氣，按一定長度定制拉鏈式軟風筒，通過拉鏈連接風筒[8]。

將鼓風機安裝在地面上，軟風管掛設在管道的一側，掛設平順無堆積、扭曲、纏繞等現象。軟風管須保持完好無破損，發現破損及時修復或更換。不得靠風管安放工具或長桿件，以防供風時桿件傷人。每小時供氣量Q：每人每小時供氣量K=（30～50）m3/（h·人）×工作人數n（每班人數最多為10人），即Q=500m3/h。供風量較大，且管道內施工人數較少，可以保證施工人員呼吸充足的新鮮空氣。

3 驗收標準

工作井施工允許偏差及頂管施工貫通后管道允許偏差分別見表1和表2。

4 結語

市政工程是一項民生工程，也是城市建設發展的基礎工程。市政污水管道施工需要進行地下開挖，為不影響市政道路及周邊建筑物的正常使用，并保障復雜地質安全施工，推薦使用泥水平衡式頂管法。本文以漳州臺商投資區角江路污水工程為例，對泥水平衡頂管施工技術應用進行研究，在施工過程中要嚴格控制工作井施作、頂管頂進及糾偏控制等，以獲取更好的經濟、社會、環保效益。

參考文獻

[1]劉智，鐘長平.超大直徑泥水平衡盾構斷層破碎帶掘進關鍵技術研究[J].現代隧道技術，2023，60（1）：225-232.

[2]陳濱彬，陽棟，楊子漢，等.泥水平衡盾構渣漿處理及循環利用技術發展現狀[J].施工技術，2021，50（7）：63-68.

[3]周雄威，曹亞奇，羅桂軍，等.泥水平衡頂管機穿越填土及孤石施工技術應用[J].建筑機械化，2021，42（11）：47-49.

[4]嚴佳梁.軟土地區大型泥水平衡盾構下穿密集居住區的技術要點研究[J].城市道橋與防洪，2021（11）：150-153.

[5]楊開放，韓治，牟雨龍，等.城鎮市政道路下泥水平衡式頂管機施工質量控制[J].中國新技術新產品，2022（12）：115-117.

[6]宋延珍.泥水平衡巖石頂管關鍵技術在平潭閩江口水資源配置工程的應用[J].福建建設科技，2022（5）：84-86.

[7]鄧林洋，李紅，劉陽君，等.泥水平衡盾構下穿海域施工技術應用[J].建筑技術開發，2023，50（5）：77-79.

[8]楊澤松，楊豪.喀斯特地區泥水平衡頂管施工中穿越破碎巖石地層減小管道與地層間摩阻力技術研究[J].中國水運（下半月），2024，24（4）：138-139.