复杂地质条件下长距离顶管施工技术探讨

李明华

(中国中铁四局集团有限公司 市政工程分公司，湖北 襄樊 441000)

1 工程概况

蚌埠第二污水处理厂是国家淮河环境治理项目的一项重要工程，该工程将蚌埠主城区污水全部收集进厂处理，厂外污水主管网需穿越津浦铁路专用线至污水处理厂，该段管道直径设计为1 800 mm，埋深9.0～10.5 m，采用顶管施工工艺，穿越铁路段由于位置特殊，需一次单向顶进距离为340 m，管材采用钢筋混凝土Ⅲ级“F”管。该段顶管穿越地段地质条件复杂，土体不稳定，土层结构为3层粉质液化土，局部有流砂层，地下水丰富，施工难度大，为确保管道一次顶通和铁路运行安全，施工中通过采取一些特殊的技术措施，确保了管道顺利通过铁路专用线(见图1)。

图1 顶管穿越铁路剖面(单位:mm，高程单位:m)

2 顶管施工工艺

2.1 施工准备及顶管掘进机的选择

根据顶管穿越地段地质条件，为保证顶管施工作业安全，施工前对顶管工作坑的尺寸、抗倾覆稳定性、顶力及后备承载力进行计算，作为施工技术可行性的论证参数和控制指标。同时，对顶管穿越的铁路路面沉降估算，并布设监控点，由专业测量技术人员负责工程监控。

地下长距离顶管施工技术水平的高低，基本取决于顶管掘进机技术含量的多少，根据该工程地质情况采用机械式土压平衡顶管掘进机。

2.2 施工工艺流程

2.2.1 工艺概述

管道顶进前，在铁路两侧先建造一个工作井和一个接收井，由于土质差，工作井和接收井均采用圆形钢筋混凝土沉井，沉井尺寸满足顶管机械布置和一个顶进行程需要。在工作井内的顶进轴线后方，对称布置4只主千斤顶，将需敷设的管节，放在千斤顶前面的导轨上，主千斤顶推进时，以机头开路将管节压入土中。与顶进相配合，刀盘将切入泥仓中的土体，搅拌成“三性土”后，通过螺旋出土机、土砂泵、管道送出井外。一根管节被压入土中后，吊入下一管节连接，继续顶进，反复循环顶进至预定长度，管道敷设完成。

2.2.2 顶管施工工艺

顶管施工有顶进设备安装和顶进施工两部分。

1)设备安装:整套顶管机械由顶管机头(含纠偏系统)、主千斤顶系统、进排泥系统、触变泥浆系统、承力钢构件组成。安装分井内、井外两部分。

2)设备安装工艺流程框图如图2。

图2 顶管掘进设备安装工艺流程

2.2.3 顶进施工工艺流程

顶进施工工艺流程为顶管施工准备→机头出洞→入泥顶进→吊下管节、接管→顶进、测量、记录、纠偏→顶完一节循环顶进→最后一节→竣工测量→机头进洞、拆吊→结束。

2.2.4 安装导轨

使用装配式滚轮支架作为导轨，导轨安放在混凝土基础面上，导轨定位后必须稳固、正确，在顶进中承受各种负载时不移位、不变形、不沉降。导轨安放前，应先复核管道中心位置。滚轮与管道接触位置的平行度、高度等参数由制作时保证，但在安装时必须复核。滚轮接触管道位置的高程按管道设计高程设置，在顶进中经常复核调整，确保顶进轴线的精度。导轨设置坡度与设计轴线相同。顶进工作坑的混凝土基础面的高程为设计管底高程减去导轨构造高度和管壁厚度之和(约400 mm)。导轨的两条滚轮接触线与管节中心的夹角应为60°，由制作和轨道调整共同保证。

2.2.5 设置承压壁

安装在工作坑后座墙与主千斤顶之间的钢结构件为承压壁。承压壁承受和传递全部顶力，必须具有足够的刚度和强度，本工程承压壁的设计承压能力为6 500 kN，留有余量1.5倍。工作井在作承压壁时，将预留的洞口用砖封堵。安装另一侧承压壁时，可使已完成的管道承受顶力。为使承压壁受力均匀，在承压壁与井壁间浇筑C30混凝土，振捣密实。承压壁的平面必须与顶进轴线相垂直，在顶进中随时检查，如发现倾斜，必须重新布置，以保证安全。

2.2.6 安装主顶设备

主顶设备安装在承压壁前方，使顶管掘进机和管道向轴线方向顶进的加力组合装置。由组合千斤顶架、4只主千斤、油泵站2管阀、马蹄形顶铁、环形顶铁组成。初始顶进时可在组合千斤顶架上先安装4只主千斤顶，供初始顶进时调整顶进方向使用。数台千斤顶应共同作用，规格一致，行程同步，每台千斤顶的使用压力不大于额定压力，油路必须并联，每台千斤顶均配备有独立的控制阀，千斤顶伸出的最大行程应小于油缸行程的10 cm左右。油泵站设置在距离主千斤顶的近处，油路安装应顺直，减少转角，接头不漏油，油泵站在井口操作间内工作。安装完毕后必须进行试车，在顶进中定时检查维护。环形顶铁外径与管道直径一致，利用环的外部推动管节。

2.3 采取的技术措施

由于该段管道地处淮河漫滩，地质条件复杂，为保证管道顺利顶进，结合蚌埠地区很多顶管遇到的障碍和经验教训，采取了相应的技术措施。

2.3.1 管井降水

由于地下水丰富，为减小地下水压力对管道顶进的影响，在管线两侧设管井进行降水，管井直径 φ500 mm、管井深度不小于20 m，内置φ50 mm潜水泵降水，管井降水在管道顶进前10 d进行(图3)。

2.3.2 采用套管法

图3 管道中线两侧降水平面布置图

由于粉质液化土摩阻力大，顶进中土层与管道外壁密切接触，通常土质条件下由于机头刀盘要比管外径大20～30 mm，管外壁与土层有一些空隙，注浆后容易形成一层泥浆套后减小顶进阻力，而液化土无法形成空隙，因而阻力非常大，所以这种土质对长距离顶管产生影响很大，通过顶进阻力计算和结合本地顶管经验，通常顶段长度都在200 m以内，超过此距离就会出现阻力过大、机头抱死的现象，有时出现后靠背及工作井井壁损坏而停止顶进。结合该段管道特殊情况，穿越铁路必须一次顶过，顶段距离又长，为此采取套管法顶进，具体方案如下，先顶进直径2 400 mm钢筋混凝土套管，顶进长度约150 m，然后在管道内再穿越顶进直径1 800 mm混凝土管，这样将整个顶段顶进阻力分解，顶进结束后将套管内直径1 800 mm管道拔出，利用于下个顶进管段重复使用，如图4。

图4 套管法顶进长距离管道剖面(单位:mm)

2.3.3 减阻措施

管道顶进阻力控制是顶管施工的关键因素，也是决定长距离顶管成败的关键，采取了如下减阻措施。

1)外壁打蜡。管道顶进前对每节管道进行打蜡处理，安排专人进行，确保打蜡均匀、全面。

2)泥浆套法。在顶进过程中，以高压泵向管外壁与土层之间注入触变泥浆，以减小阻力的措施。

3)选择良好的注浆材料很关键，触变泥浆的主要成分是膨润土，使用前应测定胶质比。

4)触变泥浆的配合比按管道周围土层的类别、膨润土的性质以及触变泥浆的技术指标确定。

5)触变泥浆套法不仅是长距离顶管的需要而且是减少地面沉降的保证措施之一。在机头尾部及管节的尾部，分别布置一组注浆孔，以后每隔2根管节(6 m)布置一组补浆孔。正常顶进时，注浆或补浆均以控制注浆量为主。压浆分A、B两类分别控制，A类为机头尾部同步压浆，以形成原始浆套，填充固有间隙和纠偏间隙，操作遵循“先压后顶，随顶随压”的程序;B类为沿线及洞口补浆，以补充管道顶进过程中的浆套损失，该操作在顶进时或停止时均可进行;

6)顶进施工完成以后，将粉煤灰水泥砂浆压人管外壁与土层之间，将触变泥浆置换出来，以起到减少地面沉降的作用，防止铁路路基下沉。

长距离顶管时，管道还受到土层的被动土压力，所以需要减小土体对管道的阻力，注入减阻泥浆是减小阻力的重要措施。顶进时要及时有效地同步注浆，确保形成完整的泥浆套，同时在管道四周定时补压浆，确保泥浆套不流失破坏。

2.3.4 出洞、进洞技术措施

1)出洞前技术措施。①合理布置施工场地，安排好出土运输、起重机、水泵等位置。管节堆放处事先清理平整，管节堆码排列整齐，在堆放管节时须用专用吊具，吊放动作平稳，就位后立即用三角木垫稳。②每批管节到工地后，逐节检查管节质量。检查内容包括管口圆度、端面平行度;注浆孔是否畅通;管节端面是否破损等情况，对质量有问题的管节做好标记，通知厂方及时采取修补、更换措施;③机头在出洞前通电试车正常，复核导轨位置尺寸，检查机头纠偏油缸回零情况及洞口止水圈压板位置与机头的间隙是否均匀等。④为防止工作井出洞口处的既有管道损坏，必须对工作井出洞口进行压密注浆加固。注浆加固洞口时，特别注意凝固时间，注浆配合比。合理选择后应达到洞口土体缝隙被注满，初凝后能保持短时间不坍塌，机头可顺利推进，注浆“结石”强度低可被刀盘切碎。

2)进洞技术措施。本部分工作包括在接收井搭建托架、导轨就位、洞口止水圈安装、进洞口地基加固、机头偏差复测、拆除洞口砖封门、机头进洞并吊运、管道内清理、洞口井壁与混凝土管节间隙连接处理、拆除井内设备、管道清洗准备交验。接收井托架是将顶进接收井洞口的顶管掘进机托住，用2根32#槽钢，按1.2 m宽度、掘进机出洞口的高程(低3～5 cm)设置。在接收井的洞口安装洞口止水圈止水，止水圈要有密封性，密封地下水和管道与进洞洞口间隙的注浆浆液。掘进机在距进洞口25～30 m时，应对掘进机进行最后的复测，确定掘进机与设计轴线及进洞洞口的相对位置，如果此时偏差不大，可以进行进一步调整、纠偏。拆除洞口在掘进机抵近洞口距离0.5 m时进行。将封闭洞口的墙上部、下部各凿出二个直径为50 mm的通孔，检查土体加固后的强度、漏水情况，确定是否采取补救措施。掘进机破洞进入洞口后，可以加快顶速(此时掘进机不旋转、不出土)，接收井派专人观察及时与工作井顶进人员联系，待掘进机完全停稳后，立即将掘进机与管道分离，分离时应注意电缆和液压油路管的接头。确认完全将掘进机与管道分离后，用吊车轻轻起吊晃动掘进机机头，使掘进机与管道脱开，再次检查分离情况，确认后将掘进机吊出井外。

2.3.5 纠偏和测量控制

1)纠偏应在顶进过程中进行。在静止状态纠偏，首先纠偏力大，土质越硬纠偏力越大。其次，静止纠偏测点偏差有时反而增大，而顶进中纠偏，纠偏量逐渐增加。第三，静止纠偏对第1段钢筋混凝土管会产生较大的不均匀应力。

2)钢筋混凝土管纠偏比较灵敏，所以顶管的纠偏角不宜过大，否则会造成轴线较大弯曲。

3)第1节管段的质量要好，因为该段承受工具管纠偏的反复应力。故长距离顶管时第1节管段要特殊加工，提高管道配筋或管头加钢套环。

4)纠偏采用“校正”、“恢复”两种方式。“校正”方式是根据机头轴线与设计中心线之间夹角大小，确定是否需要采取纠偏措施。采用“校正”方式时，机头纠偏角约0.5°～10.0°。“恢复”方式是根据机头位置与设计中心线的累计偏差量，确定是否需要采取纠偏措施，这时的纠偏角约0.40°～0.70°。

5)长距离顶管测量非常重要，要勤顶勤测，随时校正。一般在下管前和下管顶进一次后都应测1次，此时发现偏移容易校正。正常顶进时每顶进1 m测1次。测量采用激光经纬仪和水准仪配合进行，机头前方有固定光靶，测量时将油缸缩回。

水平、高程的偏差均用激光经纬仪测定，仪器应固定在工作井的底板上，计算机控制的激光接收靶固定在机头前端，坐标中心在掘进机中轴线上。顶进时激光经纬仪常开启，机头操作人员通过观察计算机显示屏幕上的激光光斑移动数据及顶进的长度分析偏差发展趋势，确定应采取的纠偏方法。

3 结语

复杂地质条件下长距离顶管施工应选准顶管掘进机头，根据不同的土层地质结构和特点，必须仔细判断准确，选择合适的顶管机械，机型一旦选错，顶进就会出现很大困难甚至失败;减阻措施必须落实到位，施工过程中经常出现因操作人员责任心不够，注浆减阻措施未能及时跟进导致顶进受阻;特殊地段可考虑采用套管法分解顶进阻力，减少中继间的使用;做好测量、纠偏技术工作，过程中及时校正各项顶进技术参数，对确保长距离顶管成败非常重要。

随着管道顶进技术的不断进步，通过研究不同地质条件下的长距离顶管施工工艺，将不断积累复杂地质条件下的长距离顶管施工技术，为我国的长距离顶管技术创新作出贡献。

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[2] 孙连溪.实用给排水工程施工手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，1998.

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