泥水平衡顶管施工工艺在污水管网敷设中的应用

袁运光 李雷

摘 要：泥水平衡顶管施工是一种非开挖的地下管道敷设的施工工艺，在当今城市现代化建设过程中以其安全性高、环境破坏小、施工周期短及综合造价低等优势，在市政管网施工中得到广泛的应用。文章结合石门县工业污水处理厂厂外主干管网建设工程顶管施工实例，详细地对泥水平衡顶管施工工艺进行了介绍。

关键词：泥水平衡 顶管 水管网 施工

1.工程概况

石门县工业污水处理厂建设项目属于新建工程，厂址位于湖南省常德市石门县二都街道办事处南峰社区境内。本工程总体设计规模日处理量为2.0万m3，纳污范围包括夹山路、石门大道、南站路、月三路和新坪路等包围的地块，总纳污面积为8.08km2。该项目建设完成投运后，对改善石门县工业园区环境及提高居民生活质量具有重要意义。

该污水厂厂外主干管网建设总长为6.61km。其中夹山路—长沙路—新月路—石门大道（W1-W78）及进厂段（W85-W88）为顶管方式敷设，长度4.98km；九峰路—汪家坪路—金玉观路（新建道路设计污水管线）为开挖埋管方式敷设，长度1.63km。

2.工程地质

顶管施工段勘察钻探所揭示的地层有：第四系全新统（Q4）杂填土①、粉土②、粉砂③、卵石④、下伏基岩为白垩系（K）地层强风化泥质粉砂岩。该工程顶管段主要穿越卵石层④，该地层含水饱和，颗粒粒径以20～50mm为主，粒径大于20mm的颗粒质量约占总数的55%，粒径在2～20mm的颗粒质量约占12%～22%，颗粒多呈次圆状，级配良好，砾石母岩成分主要为砂岩、石英砂岩等。

基于以上地质条件，顶管施工段均采用GMD1000岩石二次破碎泥水平衡顶管施工工艺。以W87-W88施工段为例，主要介绍泥水平衡顶管施工的工艺、设备系统、施工要点及质量控制等方面内容。

3.泥水平衡顶管施工工艺简介

3.1工艺原理

泥水平衡顶管施工工艺原理是将工作井中的顶管机通过主顶油缸向前顶进到止水环后，由电动机提供能量转动机头刀盘来切削土层、粉碎石块，并使之进入泥水舱与清泥浆混合，然后泥浆处理系统将浓泥浆泵送至地面并进行处理，处理后的泥浆循环使用。与此同时，顶管机连同管节在持续顶力作用下，最终穿越土层到达接收井，完成管道敷设。

3.2 工艺优点

（1）采用泥水平衡装置来维持土压平衡，使顶进管道始终处于主动与被动土压之间，有效的保持掌子面的稳定，同时能很好的控制地面隆起和沉降，对管道周围的土体扰动较小；

（2）顶管机进行掘进作业，泥浆管输送弃土，无需人工掏土、吊土及运土等危险作业，施工作业安全；

（3）施工作业具有连续性，施工速度快；

（4）管道顶进通过激光导向，计算机指导纠偏，能有效的控制施工精度。

3.3工艺适用范围

泥水平衡顶管施工工艺已被广泛的应用于市政工程管道施工中，特别是在重要的建筑物下进行穿越、长距离顶管施工和地质状况复杂的地区。

4.泥水平衡顶管系统介绍

GMD1000岩石二次破碎泥水平衡顶管系统主要由頂进系统、测量系统、泥浆处理系统及操作系统四大部分组成。

4.1顶进系统

顶进装置由导轨、钢靠被、环形顶铁、油缸组及千斤顶等构成，其主要功能是完成顶管机与管节的顶进工作。

4.2测量系统

该系统由高精度激光经纬仪，顶管机内的光靶、刻度盘、倾斜仪和电子监控系统组成，利用以上仪器对顶管的轴线进行跟踪测量。技术员通过电子监控系统观察激光经纬仪发出的激光束在光靶上的光点移动以及刻度盘读数，来测定顶管机掘进时产生的偏差，从而进行方向修正。通过观察倾斜仪的偏转来判断机身的姿态，进而进行姿态调整。

4.3泥浆处理系统

该系统由送浆泵、排浆泵、泥浆管、泥浆处理装置、泥浆罐、沉淀池组成。在施工前需制作一定浓度的清泥浆储放在泥浆罐内，施工时清泥浆经过送浆泵和泥浆管进入顶管机的泥水舱内，并与刀盘切削下来的土体和被粉碎的卵石搅拌成均匀的浓泥浆，经过泥浆管和排浆泵排入井外的泥浆处理装置中，泥浆处理装置把浓泥浆的砂土颗粒（一般在0.4mm以上）分离出来。被处理的泥浆再经过沉淀池，把较细的颗粒沉淀下去，用以上方法把浓泥浆处理成清泥浆。泥浆通过不断地循环，将弃土碎石排出井外。

4.4操作系统

该系统主要由主控室构成，是顶管设备的控制中心，主控制面板如图7。主控室可对顶进系统、泥浆处理系统进行控制。在顶进装置部分，对主顶油缸的控制包括加压、稳压和泄压三种状态，为顶管提供持续的顶力。

在泥浆处理系统中，对其的控制主要包括泥浆泵和泥浆处理装置，通过控制泥浆泵的流量来控制泥水舱的压力，从而使掌子面处于泥水动态平衡之中，确保该断面土体的稳定。

5.施工要点

5.1顶力计算

在顶管过程中，顶力用于克服管壁与土层之间的摩擦力和顶管机迎面阻力。顶管前应预先对主顶油缸和千斤顶进行选型，顶力计算显得尤为重要。目前顶管的顶力计算公式较多，既有实际经验公式，又有理论计算公式，每种都有其特定的适用性。本次采用顶管技术员根据多年操作经验总结出来的公式进行计算，过程如下：

5.3测量纠偏

在顶进过程中，技术员必须始终贯彻“勤测、勤纠、缓纠”的思想，严格控制顶进轴线的偏差，并反复进行测量和校正，使偏差值逐渐减小并回至设计轴线位置，保证顶管机处于正确的轨迹线上。由于激光经纬仪设置在工作井的后方，在顶管时仪器会受外界震动干扰，应定时复测和调整仪器，避免管道顶进时发生偏移。

5.4触变泥浆减阻

在顶管过程中，随着距离的增长，管道的摩阻力也随之增大。为了提高顶管施工的工作效率，减少顶进时的阻力，本工程采取注触变泥浆措施。

触变泥浆系统由拌浆、注浆和管道三部分组成。拌浆是把膨润土材料兑水后搅拌成所需的浆液，注浆前浆液需充分搅拌，使其充分进行水化反应，同时检查浆液的黏度是否符合要求。注浆泵对浆液进行加压，浆液通过管道输送至管节外壁，技术员根据压力表和流量表的读数来控制注浆压力和注浆量，以此来完成注浆工作。

6.结语

石门县工业污水处理厂厂外管网工程部分标段采用泥水平衡顶管技术施工，工程的顺利竣工得益于该施工工艺的先进性，结合现场实际情况来看，泥水平衡顶管机具有操作方便，安全性高，顶管精度高，对环境破坏小等优势，为非开挖地下管道敷设开辟了一条新路。随着施工技术在逐步的发展和完善，该工艺及设备必将得到广泛的推广和应用。

参考文献：

[1]董建.应用图像识别技术的顶管机机头姿态测量方法[J].市政技术.2009（2）：174-176.

[2]陈镇松.西江引水工程大直径钢管泥水平衡顶管施工技术[J].给水排水.2011（37）：97-100.