机械顶管施工在污水截流工程中的应用

李志旗

（北京金河水务建设集团有限公司，102206，北京）

机械顶管施工在污水截流工程中的应用

李志旗

（北京金河水务建设集团有限公司，102206，北京）

河道截污工程施工中采用机械顶管施工工艺，具有拆迁少、布置灵活、施工可靠的特点。对泥水平衡顶管机工作方法、顶进方向控制、顶进关键技术及常见问题处理进行总结，为类似工程施工提供经验借鉴。

污水截流；管线；机械顶管；施工控制

一、工程概况

北京市通州区北部城区污水截流工程主要包括通惠河北岸和温榆河西路污水截流两部分，干管设计管径1 050～1 350 mm ，全长 5 542 m。 工程范围内的土层为人工堆积层和第四纪沉积层两大类，地下水水位较高，稳定水位埋深10.50 m。北部城区污水截流工程建成后截流污水量近3.0万m3/d，通过截污管线将污水送至再生水厂集中处理，既净化了河道水质，又改善了当地环境。

二、泥水平衡式机械顶管施工特点

截污管线位于河道上口与民房的中间，距离河道较近，施工场地狭小，邻近有燃气、电力等市政管线，地下水埋深较浅,污水截流干管埋深7.0～10.0 m，若采用开槽法施工，不仅作业面大，还可能对河道、民房及市政管线产生影响。因不适宜采用开槽施工，所以采用泥水平衡式顶管机进行地下管道顶管施工。

1.机械顶管施工原理

泥水平衡式顶管机工作方法是机头主轴刀盘一边旋转切削土砂的同时进泥浆管不断提供泥水，排泥管不断将混有开挖土泥水排出，同时后部千斤顶向前顶进，使每节管道依次进入土体。基本原理是泥水护壁，掘进时向泥水仓注入一定压力的泥水，在开挖面形成一层泥皮，使挖掘面保持稳定。顶管机在这种动态平衡中前进，达到掘进、安装管道的目的。

2.顶管机施工特点

①适用多种地质条件，如黏性土、砂质土、砂砾混合土。

②顶进施工具有连续性、不间断的特点，一次顶进长度可超过100 m。

③通过地面操纵，监控各项参数，能随时调整偏差，施工精度较高。

④通过泥水平衡控制掘进，保持开挖面稳定，减小地面沉降与隆起。

三、机械顶管施工方法

1.工作坑施工

根据施工现场的地质条件，工作坑采用水平钢格栅挂钢筋网片倒挂逆做、分层开挖、分层锚喷进行支护。在基坑四周布置井点降水。确保地下水水位在工作坑底以下0.5 m。工作坑施工遵循“快开挖、强支护、快封闭”的原则。

2.顶管前准备工作

工作坑完成以后，经调试完毕的液压系统及顶管掘进机便安装就位于导轨上。顶进设备包括操纵室、液压动力站、机头、千斤顶、高压油泵、顶铁、泥水循环泵，激光定位导向系统，减摩剂搅拌注浆装置等。

（1）导轨安装

导轨采用重型钢轨，与底板预埋钢板之间用横向槽钢焊接。导轨起导向作用，施工时要做到：确保导轨中心线和顶管设计走向轴线在一条直线上，等高或稍高于该处管道的设计高程，导轨安装纵坡要与管道的设计坡度一致。安装允许偏差为±2 mm。

导轨内距确定依据公式：A=2×{[D1-(h-e)](h-e)}×1/2

式中，A为两导轨内距 （mm）；D1为管外径 （mm），D=1 630 mm；h 为轨道高（mm），h=220 mm；e为管道底距枕铁面的距离60 mm。

经计算A=986 mm，即导轨安装内距为986 mm。

（2）主千斤顶安装

千斤顶是整个顶进系统的工作核心，安装要做到以下几点：

①主千斤顶的布置方式采用对称布置方式，通过支架将千斤顶布置在管道后面上、下、左、右各顶进点上，千斤顶轴线要与设计管道轴线平行并与后背墙垂直，后背支撑稳定、千斤顶着力点与支撑应无间隙。千斤顶与外设液压动力站连接，顶进时提供给千斤顶足够且均等的顶力。

②主千斤顶布置的高度要充分考虑到管道的覆土厚度。根据计算结果，油缸的合力中心点在管道的中下方位置，当管道顶部覆土较厚时，顶力的合力中心点需要低于管道中心约R/4高度。覆土层较薄时，顶力合力中心点需要低于管道中心约R/5～R/4高度。

（3）顶铁

顶铁是传递顶力的重要组件，其两面要平整，刚度要大，以确保工作时不失稳。顶铁包括立铁、横铁、圆形顶铁和顺铁。其中立铁由两根#28工字钢焊接而成，共2个，安放于后背墙处，长度为3 m；横铁共2个，分别安放于千斤顶前后，同样由两根#28工字钢组焊而成；圆形顶铁安放于顶进管子端部，主要用于保护管子端面并使传力均匀，圆形顶铁与管子直径相同，确保顶进时管口全断面受力，厚40 cm，为钢桁架结构焊接而成；顺铁使用两根长50 cm的顺铁，安放于管子与千斤顶之间。

（4）顶管机就位

采用吊车吊装机头入工作坑，机头前端距井壁一定距离。机头就位后先检查顶管机的轴线是否与设计管道轴线、导轨轴线以及主顶油缸的轴线保持一致，发现偏差立即调整。无误后再进行顶管机电路、油路、进排泥系统、注浆系统的安装调试。

3.管道顶进受力计算

（1）顶力计算

理论计算公式 （以管径Φ1 350 mm计算）：F=F1+F2

式中，F为总阻力；F1为迎面阻力；F2为顶进阻力。

F1＝π/4×D2×P （D2为管外径，D=1.63 m;P为控制土压力）

P＝K0×γ×H0

式中，K0为静止土压力系数，一般取0.55；H0为地面至掘进机中心的厚度，取最大值8 m；γ为土的湿重量，取 1.9 t/m3。 据此计算：P＝0.55×1.9×8＝8.36 t/m2；F1=3.14/4×1.632×8.36＝17 t。

F2＝πD×f×L

式中，f为管外表面平均综合摩阻力，取0.8t/m2；D 为管外径，D=1.63 m;L 为顶距，取最大值100 m。据此计算：

F2＝3.14×1.35×0.8×100＝393 t。因此，总推力 F=17+393＝410 t。

据此，主顶油缸选用4台200 t级千斤顶，每只油缸顶力控制在150 t以下，千斤顶总推力600 t，因此顶进系统顶力满足要求。

（2）后背墙型式及受力计算

①后备墙结构型式。a.泥水平衡式机械顶管的后背结构型式一般为：锚喷墙壁、填充混凝土和后背顶铁。b.在锚喷墙壁前面设置后背铁，顶铁与锚喷墙壁之间的空隙用C30混凝土填充。c.后背墙表面应平直，并且与顶进管道的轴线相互垂直，以避免在工作时产生偏心受压，使顶力损失，产生安全质量事故。

②后背墙壁的宽度计算。

计算公式：ρ＝1／2[rh2tg2(45°+Ф/2)]+2chtg(45°+Ф/2)

式中，ρ为后背墙每米宽度上土壤的总被动土压力（kN/m2）；r为土的容重（KN／m3）， 取粉质黏土为 19；Ф 为土的内摩擦角度，取粉质黏土为30°；c为土的黏聚力（kN／m2），取粉质黏土为8；h为天然土壁后背高度，取7 m。据此，ρ=1/2×[19×72×tg2(45°+30°/2)]＋2×8×7×tg(45°+30°/2)=1 590kN。

③后背宽度核算：

后背宽度：B＝F／ρ，B=3 510/1 590=2.2 m。

施工时后背实际宽度取为3 m，满足施工需要。

④后背受力校核。

后靠背受力计算公式：R=aB[γ(Hq)2Kp/2+2cHq（Kp）1/2+γhHqKp]

式中，R为总推力之反力 （大于推力的1.2～1.6）；a为系数（一般取 1.5～2.5之间），这里取 2；B为后座墙的宽度（m），取 3m；Hq 为后座墙的高度(m)，取3 m；Kp为被动土压系数 tg2(45°+30°/2)；h为地面到后座墙顶部土体的高度（m），取4.5 m。经计算，工作井能承受690.4 t作用力大于实际顶力410 t，完全能满足要求。

4.管道顶进施工

（1）初始顶进施工

顶管机从基座上开始推进，到通过洞口加固段止作为始发施工。初始顶进时要放慢顶进速度，将顶进的前20 m作为试验段，优化顶管施工参数，满足安全及技术指标后，再进行正式顶进施工。为保证初始顶进准确性，机头与前三节管要通过螺栓连接，顶进过程中随时测量监控，保证位置正确，精度满足设计要求。

①在初始顶进之前，沿洞口拱外围使用DN32、长度6.5 m的钢管作为注浆管小导管，提前注浆加固洞口土体。导管水平打入，管间距0.2 m，环形封闭距离管道外边线40 cm。

②顶管机座、铁顶、轨道的安装要具备足够的刚度，以保证受力后变形量满足掘进方向精度的要求。

③洞口采用人工凿除，并向前挖土50～80 cm，将机头刀盘推入洞中，顶管机进通过土体加固段前要慢速掘进，以便减小千斤顶土推力，使掘进方向容易控制，当到达加固区中间部位时，逐渐提高泥水仓压力，出加固段后达到预定的压力值。

④顶管机进入洞口后，安装12 mm厚橡胶止水片将洞口密封，并与管外壁贴紧，以防止泥水与浆液从洞门泄露。然后开动顶管机刀盘，待土仓压力升到0.1 MPa时掘进机入土。

⑤加强观测工作井周围地层变形、基座、后背的变形与位移，超过预定值时必须采取有效处理措施后方可继续顶进。

⑥为防止掘进机进洞时发生磕头现象，可采取机头与后边三节预制管紧密连接在一起，并调整后座主千斤顶的合力中心，或适当预留一定顶进仰角，同时加密对顶进偏差的测量，随时纠偏。

⑦为防止机头整体旋转，在入土前2 m顶进时，顶进速度控制在5 mm/min，并观察机头倾角和旋转变化，及时修正和调整。

（2）正常顶进施工

①泥水仓压力。正常顶进时按计算表数值设定，当顶管前方遇有砂砾石层或下穿道路等重要结构物时，泥水仓压力设定适当加大30%左右，以提高顶进、穿越过程中安全系数。

②加注触变泥浆减阻。触变泥浆的作用是减小管道的顶进阻力。在管道顶进时，通过顶管机及管节上预留的注浆孔，向管道外壁注入一定量的触变泥浆，在管道四周形成一个减阻泥浆润滑套，从而减小顶进时的阻力。当顶管机头和首节管道已顶过土体加固段时，开始进行触变泥浆浆加注。注浆压力初始控制在0.1 MPa，注浆量控制在理论计算值150%～200%左右，施工过程中的实际注浆量要根据现场地质情况具体测定。注浆时要遵循“先压后顶，随顶随压”的程序。制备膨润土泥浆的拌和时间一般为20～30 min。泥浆在制备完成后，必须静置24 h后方可使用，使其充分吸水，膨润土泥浆形成胶体，再使用比重计测泥浆的比重，泥浆比重应控制在1.15 g/cm3左右。顶进过程中，压浆方式要以同步注浆为主，补浆为辅，在顶进过程中要经常检查各推进段的浆液形成情况，注浆主要从顶管前端进行，顶进一定距离后，再从后端及中间进行补浆。 注浆泵选择脉动小的螺杆泵，流量与顶进速度相匹配，注浆口压力控制在0.1～0.2 MPa，并随储浆池内泥浆下降的速度及顶镐压力表读数调节注浆压力。

③顶进过程中的测量。初始顶进时每1 m进行测量一次，并做好测量记录。正常顶进时，每顶进3 m进行测量一次，对顶进管道纠偏时需每1 m进行测量一次，并做好测量记录。测量时要保证机头激光靶上的激光点和管道中心轴线保持一致，若出现偏差应及时调整。

④顶进过程中的纠偏。在管道顶进时需要不断地观察机头激光靶上激光点管道中心轴线是否保持一致，如果发生位置偏移大于20 mm时，经现场判断预测机头还有向偏差大的一侧方向发展的趋势时，要采取纠偏措施开动纠偏千斤顶。纠偏时每1m测量一次，激光点有回到管道中心轴线趋势时，再持续一段纠偏顶进距离后，要停止纠偏，防止发生轴线左右摆动。顶管的纠偏原则是勤纠、微纠，每次纠偏量不要过大，而且要注意偏差的发展趋势，当上下、左右均发生偏差时，先纠正上下偏差、后纠正左右偏差。

⑤顶进速度。顶管顶进速度控制在30～50 mm/min，入洞后的前 10 m顶进以及在管道采取纠偏措施时应用较低速度，以后视泥水舱压力、刀盘扭矩情况适当加快速度。

⑥泥土外运。泥水平衡顶管机顶管的出土方式采用泥水输送方式，将被挖掘的土在机舱内通过和泥水搅拌形成泥浆，然后用泥浆泵抽出，排至地面存泥场。

⑦管节安装。管节下坑前先进行外观检查，检查合格的管子用吊车放到导轨上进行顶进。下管时，机头在停止顶进的状态下，刀盘转3～5 min，同时要关闭排泥液压门，并切断电源以保证泥水仓压力达到平衡。下管工序完成后，再次顶进时，要先开刀盘，再依次开启泥浆泵及顶进系统。

（3）到达顶进施工

在机头将要达到接收井时，要精确测出机头姿态、位置，确认管道的中心线偏差，根据测量结果制定到达掘进方案。继续顶进时不断进行方向修正，尽量满足橡胶法兰与机头同心的要求。进入接收井加固段后，逐渐降低泥水压力值至0 MPa，降低掘进速度，适时停止送泥、排泥，停止注浆，并加强工作井洞口周围变形观测。机头推进到距接收坑洞门约2 m处时，拆除接收坑洞口处的墙壁，此时掘进机的压力随之消失，首先测量机头上、下、左、右4个方向与出洞口的位置关系，当其与出洞口的大小、位置合适时，再启动主顶千斤顶继续推进，直至机头刀盘露出时，在接收坑安置机头接收托架，然后慢慢将机头推入接收坑内。

四、管道施工测量及顶进方向控制

1.测量定位

工作井内主千斤顶中间架设J2型激光经纬仪一台，按独立坐标系放样后用测量控制台使它精确地移动至管轴线上，通过后视测机头的光靶及后标点的水平角和竖直角各一测回，编排程序计算顶管的头部及尾部的平面及高程。

泥水平衡式顶管机装有RSG激光诱导纠偏系统，在顶进过程中位于后方的激光经纬仪发出激光光束，调整好所需的标高及方向位置后，对准掘进机内定位光靶上，激光靶影像被捕捉到机内摄像机内，并输送到顶进控制系统电脑显示屏上。操作人员根据显示的轴线偏差大小，开启位于掘进机内置的纠偏油缸进行伸缩，调整机头的方向，以达到纠偏的目的。

2.顶进过程中的方向控制

由于机头本身具有方向定位诱导装置，操作员只要通过调整纠偏油缸，始终保证方向激光点在管道中心线位置，就能很好地控制顶进方向的精度。测量方向控制的要点：

①要有严格的测量及复核制度，做好原始记录，定时检查控制点的基准性。

②设置在工作坑后方的仪座在顶进时不能有移位和变形，必须定时复测及时调整。

③顶进纠偏必须勤测量、多微调，纠偏角度保持在 10’～20’内，不能大于0.5°，并设置偏差警戒线。

五、机械顶管施工关键技术与常见问题处理

关键技术指掘进机的姿态控制，包括方向偏差和机头旋转的控制。

1.管道顶进的高程和中心偏差控制

（1）顶进施工的精度控制

包括：①采用计算机依据输入的施工数据进行编程提高施工精度；②培训技术熟练的操控人员保证顶进过程的精度；③通过掘进机装备的激光导向控制系统和纠偏油缸系统以及偏转传感器等设备提高顶进精度；④提高掘进机系统的方向显示和控制精度。

（2）采用特殊构造措施，提高纠偏的灵敏性

为使机头纠偏能带动整体管道导向，可在机头后方设置多节过渡管。管道之间形成可动的铰构造，保证前部的整体性，这样在纠偏油缸的作用下，机头调整方向的同时后续管道可以与其联动，同时带动后续管道方向调整，达到纠偏和导向的目的。

（3）采用合理的施工方法分段控制顶进

通过对管道初始顶进、正常顶进与到达顶进的不同阶段的顶力、注浆、排泥及纠偏控制措施，采用分阶段的顶进参数，可以控制顶进精度在允许范围之内。

2.机头旋转控制措施

在初始顶进阶段，为防止机头旋转可采取以下措施：一是通过刀盘反转，利用开挖面土体对刀盘和掘进机提供反向扭矩，来控制旋转现象。二是在机头和过渡管接头处设置限制偏转块，以阻止接头间相互转动。

3.常见问题处理

（1）顶进过程中压力突然增大

顶进过程中减慢速度，加大泥水仓泥浆流量，对管道随时测量纠偏，按不同的地质条件配置适宜的泥浆，保证泥浆比重符合要求，停顶时间要满足再顶施工的要求，并对压力增大原因及时分析处理。

（2）机头下沉、排泥浆量增大

及时降低顶进速度，观察方向偏差的发展趋势，开动纠偏油缸使机头有一定小角度上仰，降低刀盘旋转速度，同时减少排泥浆量，降低压力并注意注浆压力的变化。

（3）地面的沉降与隆起

根据施工地质条件制定可行的顶进方案，控制顶进压力，保持顶进压力与前端土体压力保持平衡。对顶进完成后的管段及时进行泥浆置换，注浆压力及稳压时间要满足要求。

六、经验总结

该污水截流工程已全部完工并正式运行，工程满足设计要求。通过机械顶管施工技术应用，取得以下几点经验：

①机械顶管施工的控制重点：适合地质条件的顶管机械选型、顶进参数的确定、顶进方向的控制以及常见问题的预防处理。

②控制掘进机轴线偏差和机头旋转偏差是顶管施工的关键技术。

③管道顶进过程中遇到流沙层及含杂土层，现场技术人员解决了施工难题，为此类工程实施积累了一定的经验。

[1]北京市给水排水管道工程施工技术规程（DBJ 01-47-2000）[R].2000.

[2]中国非开挖技术协会.顶管施工技术及验收规范[S].2006.

[3]给水排水管道工程施工及验收规范（GB 50268-2008）[R].2008.

Utilization of pipe jacking machinery for sewage interception project

Li Zhiqi

Adoption of pipe jacking machinery for sewage interception project is favorable for areliable construction due to its flexible layout and less relocation.The working methods,control of jacking direction,key technologies and common problems related to slurry balance pipe jacking machinery are summarized,in order to provide valuable experiences for other similar construction projects.

sewage interception;pipeline;mechanical pipe jacking;construction control

TV554.5

B

1000-1123（2017）20-0047-04

2017-03-13

李志旗，工程师。

责任编辑 李建章