泥水平衡法顶管施工关键技术研究

罗天贵

摘 要：在广州市车陂涌治理二期工程截污管道施工中，采用了泥水平衡法顶管施工，其施工安全可靠性强，速度快、占地少、成本低和利于环境保护等优点。本文根据泥水平衡法顶管工作原理，结合现场施工实例，详细分析了泥水平衡法顶管施工关键技术，为类似工程提供了借鉴和参考。

关键词：泥水平衡法；顶管施工；关键技术

中图分类号：U455.47 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）22-0122-02

1 工程概况

广州市车陂涌治理二期工程包括：车陂涌和杨梅河截污工程、大观净水厂进厂主干管道工程、支涌近期污水收集工程、区域污水干管完善工程，建设管道总长约26.8km，顶进管道管径为DN1000～DN3000，管道材质为Ⅲ钢筋混凝土管和部分钢管。本工程截污管道走向大部分沿交通道路布置并穿越部分道路，若采用传统施工方法，对道路交通通行影响极大，周边构筑物及管线安全无法保证，并且施工成本极高，结合现场实际情况及顶管沿线地勘报告综合考虑，采用泥水平衡法顶管进行施工。

2 施工工艺流程

泥水平衡法顶管技术主要是顶管机头通过主顶油缸向前推进，机头推进至止水圈，转动机头切削刀盘，通过切削刀盘进入土层，在顶进中进行切削并支撑土体，刀盘的顶推力与正面土压力保持平衡，同时将泥水通过送泥水系统送至顶管机头挖掘面上，泥水在挖掘面上形成一层不透水的泥膜，可阻止泥水向挖掘面里渗透，通过调整泥水压力来平衡地下水压力和土压力，达到稳定地面沉降和隆起的目的。顶管顶进被刀盘切削的土体进入泥水舱与泥水混合，最后通过泥浆系统排至地面泥浆箱，分离出来的残土被运走，泥水在送入泥水系统循环使用。其施工工艺流程如图1所示。

3 关键技术控制要点

3.1 洞口的加固技术

针对本工程的土质实际情况，为防止顶管机施工在进入洞口时出现涌水、流沙等情况，在顶进前要对工作井和接收井的洞口进行加固处理，现场主要使用了搅拌桩、高压旋喷桩、双液注浆相结合的加固方式对土体进行有效地改良，提高洞口周围土体的整体稳定性与强度，防止洞口的土体出现塌方、涌泥沙等现象。

3.2 顶管机在使用中的处理技术

在使用顶管机的时候，要防止顶管机出现扭转现象，这就需要使用正反转的顶管机刀盘和缓慢顶进的顶管机刀盘，并在顶管机外壳导轨的两侧或顶管机内部配重与沙袋两侧焊上两块用于限定位置的钢板，具体数据为：300×400mm，δ=30mm。还要防止顶管机出现后退问题，要使用合适的钢板使导轨和顶管机的外壳两侧牢固焊接，并在洞口的两侧安装一定尺寸的手拉葫芦，保证顶管机的正常使用，或者应用型钢支撑的技术起到同样的效果。为保证顶管机正常的顶进过程，要防止顶管机发生扭转，也可以用牢固的连接件把前部三到四节的管子与顶管机相连，使之成为一个整体的顶管机刀盘。此外，顶管机在使用过程中也要避免发生碰头、磕头现象，防止顶管机出现下跌问题。对此，不仅需要进一步加固洞口的土体，更要尽可能延伸导轨在预留的洞口处添抹适当的水泥砂浆，并保证顶力的合力中心略低于管中心，通过足够支撑顶管机的千斤顶进行缓慢移动，将顶管机的机头抬高一些，在顶管机即将出洞时使用顶管机后节压的配重保持前端机头不会因为下跌趋势而发生顶管机的磕头问题，从而保证顶管机操作与使用的高效性和便捷性。

3.3 洞口的止水技术

在顶管的推进过程中，无论顶管是从工作坑里出洞还是在接收坑里进洞都会导致管子和洞口之间存在不同程度的缝隙。如果这些缝隙没有被封住和处理，就可能会导致地下水、泥沙等从间歇流进坑中从而引发危险性较高的工程事故，也会殃及到周边的建筑物与地下管线使用上的安全。对本项工程而言，首先可以在管子顶进的前方坑内浇筑起一道防水止水墙，墙体宽度为2米至5米，高度为1.5米至4.5米，厚度为0.3米至0.5米，管径不同则墙体尺寸不同，墙体可以使用级配比较高的混凝土。当遇到土质条件比较差的情况时，钢板桩中间的的咬口就会封不住泥水，这就需要将防水止水墙的宽度与工作坑的内径尺寸保持一致，并在防水止水墙预留的孔内装配橡胶止水圈，从而保证洞口止水的效果和整个顶进过程的顺利进行。

3.4 膨润土悬浮液应用技术

一般而言，泥水平衡法的顶管掘进机会有两种存在形式：其一是单一形式的泥水平衡式，即通过泥水的压力平衡地下水的压力，与此同时平衡掘进机周围的土层压力。其二是泥水仅仅平衡地下水的压力，对土层压力没有直接影响，而是通过机械化的平衡方法来平衡土层压力。无论哪一种形式的掘进机，泥水平衡的顶进管工程作业始终离不开泥浆。通常情况下顶管推力是顶进过程中管道所受到的各种阻力，包括了顶管机迎面阻力、管壁的摩擦阻力、工具管切土的正压力以及工具的水压力。要提高顶进过程的工作效率就需要缩减顶压的进阻力，尽可能提高顶进力。此外，要防止出现洞口塌方就需要在顶进过程中在土壁和管壁之间的缝隙处注入一定量的触变泥浆，使之形成一种泥浆护套，是管道的外壁与砂土层的中间形成一个环状的润滑带，从而实现减少土壁和管壁之间摩擦力、减少顶进阻力的功效。通常而言，泥水平衡的顶管施工会使用膨润土的悬浮液，其对粘性较小的土壤和不具备粘性的部分疏松土层支撑作用较为明显。需要注意的是在使用膨润土的悬浮液时要清楚掌握在砂砾上悬浮液的基本特性才能更好地发挥出悬浮液的支撑作用。孔隙的横断面、压浆压力和悬浮液流动的基本特征是决定悬浮液流动速率的主要因素，因此在压浆压力保持一致的前提下，土层中如果有较小的颗粒物，那就需要使用低流速的懸浮液，反之则要使用高流速的悬浮液。在保证克服悬浮液自身流动阻力同时，要清楚认识到悬浮液渗入的深度越深，其压浆的压力就会成正比而减小。对于一部分泥水平衡顶管施工工程来说，使用分段压浆才能更好地实现施工效果。具体而言，要把管子的下半部分预留的注浆孔与上半部分紧密结合起来。这种半侧压方法的优势在于当管道整体处于静止状态时，所有重量都会被压在底部，这样一来便会使顶部的压力变小，甚至于出现一些小空隙，而膨润土也就相对更容易流出。反之，当顶部的压力和浮力同时存在并共同作用时，管道就会呈现出向上拱起的状态，这时候管底下方压力就会变小，从而导致膨润土容易渗入且不利于流出。通过相关技术人员对本项工程反复进行研究和实地考察，最终确定了膨润土泥浆最佳的配比即膨润土和水的质量比应为1：5。在配置泥浆时要注意调整和控制泥浆的粘稠度，并均匀搅拌泥浆，把调制好的泥浆集中存放在专用的泥浆池中进行放置处理，放置的时间要不小于10个小时，保证泥浆中的各种成分被完全置换，从而最终获得粘稠度适宜、稳定性较高的泥浆。此外，在管节的顶进过程中要不时地对泥浆池中的的泥浆进行搅拌，防止泥浆出现离析现象。在具体的施工过程中要使用多点对称的压浆法，借助于压浆设备把减摩擦泥浆注入到压浆孔中使管节插口端和承口端的中间的环形间隙能够注满泥浆，并使之逐渐扩散到整个管节周围的土体，使外壁也能形成一个完整科学的泥浆护套。

3.5 顶进方向的控制技术

对本工程而言，由于管体自身的柔性不高，一旦发生偏差就很难及时纠正，这就需要紧接着掘进机之后设置三根承插的连接钢管，每根钢管长为2.3米，管节之间设置有安装了密封圈的承接口，且每两节根管中间的最大夹角为20度，从而有效解决顶进的方向不易受到有效控制的主要缺点。本次工程使用了长距离的顶管自动导向系统作为顶管测量施工的主要导向，并通过操作台上实时获取的姿态数据与顶管机的偏差程度提高了泥水平衡法的顶管施工的工程可控性与准确性。在实际的顶进过程中，要时刻注意偏差的发展和变化趋势，尽可能使数据的偏差在比较微小的波动变化范围之内，对纠偏工作要做到多测多纠，有测必纠，纠偏时要保持看趋势纠偏和小幅度纠偏的原则，严格控制实际纠偏工作中的纠偏角度，避免进行大幅度、大角度的纠偏。还要实时监测与分析管道的顶进过程中发生的偏移变化及轨迹，确定科学恰当的纠偏幅度。一般而言，导向系统可以提供实施轨迹的曲线显示与历史轨迹的曲线查询，方便技术人员直观、高效地读取与分析顶管机实际的偏差趋势。相关工作人员要实时监视高精度顶管机倾斜仪的数据变化，分析与探究机头的轨迹发展与变化。倾斜仪的读数作为高程纠偏工作的重要依据，其也是评价纠偏实际效果的重要依据。顶管机的纠偏油路上设置有监控压力的装置，技术人员可以通过分析压力监控相关设备的数据变化进而分析顶进过程中外力的实际情况和平衡状况，还能预测顶管机前进的可能轨迹，为采取有针对性的纠偏措施提供有效的信息资料和辅助参考。在顶管机刚刚产生偏转时就需要通过改变刀盘转向的方式来进行校正，具体的校正方法是保证刀盘的转动方向与顶管机发生偏转的方向保持一致。如果顶管机配备了较高精度的倾斜仪，就能把顶管机微小到0.01度的偏转角度也准确显示出来，这就使技术人员可以及时发现顶管机微小的偏转，并及时进行校对纠正。如果刀盘转向校对起不到明显效果时，则可以采用加快顶管机的推进速度、适当提高与控制土压、降低螺旋式输土机的转速等方法，以保持顶管机稳定运行。此外，还要减少纠偏角度和纠偏的频率，设有远程实时监控装置的导向系统，可以在地面监控顶管机实时获取的各种导向数据与信息，导向系统因为整合了顶管机控制仪表的各种信息，不仅可以显示顶管机实际的使用姿态，也可以显示纠正角度以及偏油缸的行程等各种信息，现场的技术操作人员需要实时掌握和了解顶管机实际的反馈信息，当发现存在异常情况和问题时就要及时暂停顶进工作。而如果发现顶管机的纠偏效果没有达到预期效果时，或者纠偏的偏差值极速增大难以控制时，就需要在顶管机和第一节的承插管中间增添一个150吨的液压千斤顶，以此来辅助纠偏工作。

3.6 中继间的密封技术

广州市车陂涌治理二期工程的截污管道施工需要进行长距离的顶管施工，这就要求设立中继间，从而缩减管节的长度，减少千斤顶的数量。一般来说，顶进的总距离越长，中继间进行往复运动的次数也就会越多，这样就对中继间的密封件的质量提出了更高的要求。如果中继间的密封件出现问题导致失效，将可能对整个顶管工程造成严重的破坏。可能导致地下水与泥沙进入到管道中，导致地面发生明显沉降，严重时将可能导致地面建筑物和管线的灾难性损害，不仅会影响整个顶管施工的进度，还会带来许多的安全隐患。此外，进入管道的泥沙也会对密封件造成磨损，降低整个中继间的密封效果，一旦中继间发生渗漏，就会损伤减阻泥浆套的整体性，进而导致施工事故的发生。针对本工程的实际情况，要提高中继间的密封性可以设置两组密封件。顶进过程中仅有一组进行密封充气，当出现密封件受到磨损需要更换时，在更换另一组进行环内充气，把第一组的充气环进行泄气放压处理，使其缩回到中继间的油缸内，再拆除第一组的法兰就能更换密封件了。在管道頂进全部结束后，要先拆除掉中继间的油缸设备，再运用切割技术拆除各个承力构件以及各种筋板，然后把中继间进行顶推，使其前后段合拢，之后再将后段环形的内衬板与前段的壳体进行充分焊接，彻底封闭整个中继间可以活动的部分。

4 结语

综上所述，在广州市车陂涌治理二期的工程截污管道施工中，采用了泥水平衡法顶管施工技术，彻底解决了管道埋设施工中对城市建筑物的破坏和道路交通的堵塞等难题，在稳定土层和环境保护方面凸显其优势。同时，其施工安全可靠性强，速度快、占地少、成本低等优点，对类似工程施工具有借鉴意义。

参考文献

[1]胡田，刘君.市政给排水施工中的长距离顶管施工技术研究[J].住宅与房地产，2018，（13）：244.

[2]刘国栋.泥水平衡法顶管施工技术在市政道路工程中的应用[J].居业，2017，（4）：70-71.