富水砂土地层中泥水平衡式顶管施工技术

■李开艳 ■中铁十七局集团第六工程有限公司，福建 福州 350014

顶管施工属于非开挖技术，不仅可以减少施工中的拆迁工作还可以保证作业面上的建筑与路面正常的使用，所以顶管技术被广泛地运用到工程实际中。在富水砂土地层，地质比较复杂，很容易出现砂土液化现象，受到扰动后出现失稳情况，给顶管造成很大的困难。在富水砂土的地质顶管中经常出现顶进困难、建筑路面沉降较大、砂土液化为流沙等问题，使得顶管施工无法达到预期的效果，严重时会造成顶管施工质量事故，导致顶管失败。本文主要针对江华大道污水管道435m的富水砂土地层的施工经验，积极采取相应的有效降低顶管风险的技术措施，确保作业区域管线的安全及路面沉降在规范允许的范围内，为类似工程提供一定的参考。

1 工程概况

闽台(福州)蓝色经济产业园道路工程位于福清市江镜镇，主要由蓝色大道、江华大道和滨海大道组成。江华大道长度为4700m，为城市主干道，道路宽度为46m，按双向6车道设计。江华大道污水管道位于5m宽中央分隔绿化带内，管道全长4645m，采用沉井、顶管施工工艺，最长顶管区间190m，共计16座工作井和15座接收井，管材采用钢筋混凝土Ⅱ级管，管径为1000mm和1200mm。顶管沿道路前进方向自1#沉井往31#沉井顺序作业，管道设计管内底标高－3.22m～－6.07m，埋深为7.5m～9.7m。

2 工程地质水文情况

本道路场地地貌单元为冲海积、冲洪积平原，场地现状主要为养殖塘，沿线穿越多条沟渠，池塘间为田埂、村庄通行的土路。根据道路地质剖面图揭示地质情况，污水管道穿越地层主要由素填土、淤泥质土、坡残积粘性土及风化基岩组成，同时夹杂砂砾层、砂土层，其中在11#～14#沉井间污水顶管段(总长435m)穿越地层为砂土层，剩余地段穿越地层基本为淤泥质土及风化基岩。

本项目位于江镜镇华侨农场内，养殖塘广泛分布，场区内河道、沟渠密布，且通过水闸与外部海水相通，水系联通较发达。每年3～6月降雨频繁，是全年降水最集中的季节，7～9月为台风季节。道路沿线地下水类型主要有素填土中的上层滞水、中粗砂层的孔隙水及基岩裂隙水。在砂土层中的孔隙水透水性较强，有一定的水量。根据地勘数据，稳定水位埋深在0.3m～2.5m。据调查，雨季其地下水水位埋深在地表下约0.3m，年变化幅度一般在2.0m左右，历史地下水最高水位约4.5m。周边河道及沟渠水位标高长期在3.0m以上，地下水位远高于管道标高，且受河水水位影响较大。

3 工程特点及难点

(1)由于产业园区总体污水管网规划方案多次调整，在顶管开始施工前，路基已全部成型，且大部分水稳层路面已铺设，顶管机在穿越435m长富水砂土地层段时，若技术措施不当，很容易出现管道轴线偏移、顶进受阻等问题，这将会直接影响到路面结构稳定和管道顺利贯通。

(2)工程施工区域内的河道、沟渠密布，地下水比较丰富，水位较高，在顶管施工中很容易出现流砂现象，从而造成地表沉陷。

(3)富水砂土地层由于其具有的地质特性，管道在顶进过程中由于受到阻力较大，容易出现顶管困难的情况，需要对顶管机的类型进行科学的选择，并采取特殊的技术措施进行处理。

4 主要施工技术

4．1 顶管机具的合理选型

在富水的砂土地层，顶管机如果采用敞口式顶管机具，那么就必须采用相应的降水措施给予辅助，而工程施工区域内的管线较多和路面结构层均已施工，降水措施将会引起路面沉降问题，直接威胁到路面结构及管线的安全及稳定，再加上砂土层是连续分布的，降水效率无法得到有效的保证。所以本工程富水砂土施工段应采用封闭式顶管机具，为了避免对砂土造成过大的扰动，应选择平衡式的顶管机具，目前主要有两种类型的顶管机具，即为土压平衡和泥水平衡，根据工程地质及经济性，本工程选用泥水平衡式顶管机具。顶管全套设备主要由顶管掘进机、主顶系统、泥土输送系统、注浆系统、测量设备、地面起吊设备和泥水处理装置等七大部分组成。

4．2 顶管出洞技术措施

出洞在顶管施工中属于关键环节之一。在出洞顶进初期，由于混凝土管节及机头的周围摩阻力加上其与导轨之间摩阻力的数值远小于顶管机的主动土压力，很容易导致混凝土管节出现后移的情况，致使顶管机正面的土体产生坍塌现象，对顶管机的施工质量产生一定的影响。所以，一般把手拉葫芦布置在洞门两侧，当主顶油缸往回收缩时，用葫芦把最后一个管节牢牢固定住，并在出洞前设计一个向下的纠偏量，来补偿顶管机出洞时机头爬高的情况。

在顶管机出洞前，顶进距离接收井预留洞口10m左右时，在接收井内按顶时轴线安装接收机架，使顶管机平衡地进入接收井，防止出洞后顶管机直接落地接收井底板上，造成洞口处管节接口不紧密等质量问题。经上述措施实施，现场出洞的效果良好，每个井段出洞的标高偏差均控制在－30mm～+45mm。

4．3 顶进过程中的减摩措施

泥水平衡式顶管的顶进阻力主要由顶管机的迎面阻力、顶管机和管道外壁与土体的摩擦阻力两部分组成，其中摩擦阻力是顶进中的主要阻力，其随着顶进进程的增加而增加，而减摩的最直接有效方法就是加入膨润土泥浆，让管道外壁和砂土层之间形成一圈环状润滑带，从而达到降低顶进阻力的目的。通过对膨润土泥浆的拌制制定相应的施工方案，经过多次试验后确定了合理的泥浆配合比(膨润土与水的质量比为1∶5)。在施工过程中注意控制泥浆的粘度和稠度，泥浆拌制应均匀，拌制好的泥浆集中排放到泥浆池中放置10小时以上，泥浆相关成分置换完全，从而形成粘度和稳定性较好的泥浆。同时，在管节顶进过程中不时地搅拌贮浆池内泥浆，以防止泥浆离析。

本工程采用钢筋砼钢承口管的顶管管节，将橡胶止水圈和衬垫材料放置在管节的内侧插口端与承口端之间部位，而外侧的插口端与承口端将形成环形间隙，把压浆孔入口设置在靠近承口端的内壁上，而压浆孔出口设置在橡胶止水圈的外侧环形间隙。在顶进施工中，采用多点对称压浆法，通过压浆设备将减摩泥浆注入压浆孔，使得管节的插口端与承口端之间的环形间隙注满泥浆，并扩散到管节周边的土体中，从而在外壁形成完整的泥浆护套。同时配合顶管机尾部的同步注浆，泥浆可快速均匀填充，达到减小管节外壁与土体之间的摩擦阻力的目的。

4．4 轴线测量和纠偏措施

在富水的砂土层进行顶管施工，其顶进轴线很容易出现偏差现象，由于砂层中泥水的不断洗刷很容易造成顶管机机头下沉，如果处理不当的话，很可能会造成顶力突然变大、管接口出现破损，甚至会出现无法顶进的情况，所以在顶进过程中多次及时采用了调整千斤顶伸缩量的纠偏措施。正常情况下，每顶进一节混凝土污水管测量一次，在出洞及纠偏时加密测量次数，使得轴线的偏差值慢慢减小直至与设计轴线相符，坚持“勤测量、多微调”的原则，每次的纠偏角度偏差值应控制在0.5度以内，减少对管节顶进施工的质量影响。

4．5 洞口注浆加固

为了防止泥水从洞口处泄漏导致路面、路基沉降和水土流失，每段顶管结束后在顶管进出洞管外四周3.2*3.2*3m范围内(其中3m为管道纵向方向)进行双液注浆加固土体，浆液配合比为水泥：水玻璃(质量)=1∶1。采用插打钢花管注浆，按0.5*0.5m间距梅花型布置，深度至管底以下0.5m位置，注浆压力控制在0.2－0.3Mpa，确保注浆加固质量。

4．6 实际效果分析检验

根据富水砂土地层地质特点，通过及时优化调整泥水平衡式顶管的施工工艺，加强安全出洞、洞口加固技术措施过程控制，采用膨润土泥浆减摩及调整千斤顶伸缩量纠偏，减少了顶进阻力和轴线偏差，满足该地层顺利顶进的需要，日平均顶进长度达24m。根据现场沉降监测数据反映，路面沉降值控制在8mm以内，采取以上技术措施达到了预期的效果。

5 结束语

本工程的顶管实践表明，在富水砂土地段采用泥水平衡式顶管机具进行施工，是完全可行的。在施工过程采取的顶进膨胀土泥浆减摩、轴线测量和纠偏和洞口注浆加固等措施可行有效，在顶进过程中地表无出险现坍塌或者沉降过大等现象，为我单位采用泥水平衡式顶管机穿越富水砂土地层的顶管施工积累了一定的施工经验。

［1］马烽，张庆学，李雷．泥水平衡机械顶管施工技术在市政截污工程中的应用［J］．城市建设，2010(32)．

［2］申永亮．输气管道工程流沙顶管施工工艺研究［J］．内蒙古石油化工，2011(17)．