复杂地质条件下顶管施工效率及影响因素研究

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430010)

随着人口快速增长和经济快速提升，地面土地资源的占用率日益增多，顶管施工技术因不需要地面开挖[1-2]、不破坏地表建筑物[3-4]而在地下工程施工中被广泛使用。顶管施工分为人工顶管和机械顶管施工[5]，人工顶管施工主要通过人工在管道内进行挖掘的同时由液压油顶向前顶进，操作简单灵活且具有挖土保护和纠偏功能，但施工中人的劳动强度大，且具有一定的人员安全风险[6]。机械顶管施工是在我国掘进设备研究水平逐渐提升的基础上发展起来的，适用范围更广、 施工速度更快、管理更加方便、安全性更高[7-8]，目前常用的机械顶管等施工方法有泥水平衡、土压平衡、气压平衡机械顶管等施工方法， 其中泥水平衡机械顶管施工应用最为广泛。

人工顶管和机械顶管均广泛应用于地下工程施工，不同的地质条件下两者的施工效率差别很大，查阅文献后发现，现有研究较少深入分析人工顶管和机械顶管施工效率的变化规律及其影响因素，而提高顶管施工效率对保障工程质量和控制工程进度有着非常重要的作用。基于此，本文以湖北省武汉市江夏区清水入江二期工程——山洪外引之齐心水库引流工程为例，结合现场实测数据，研究了人工顶管与泥水平衡机械顶管施工效率的变化规律，深入分析了不同类型顶管施工效率的影响因素，并提出了提升顶管施工效率的建议，可为类似工程提供参考借鉴。

1 工程概况

1.1 工程布置

湖北省武汉市清水入江二期工程——山洪外引之齐心水库引流工程起点位于武咸城际铁路东侧，途经齐心水库至向阳巷，全长约1.74 km，服务汇水面积为1.2 km2，终端汇合流量18 m3/s。齐心水库引流工程下游自齐心水库新建溢流涵开始，出水沿江花大道向北400 m后向东排入向阳港，管道埋深为6.64～11.38 m。顶管施工段为DK0+216～DK0+765，在DK0+216及DK0+623处设置2座圆形顶管工作井，施工全长约1 092.4 m，铺设双排DN2200 的Ⅲ级钢筋混凝土管，管道接口形式为 F 型钢承口，顶管段平面布置见图1。DK0+623～DK0+765早期已顶进完成，本文主要分析DK0+216～DK0+623段顶管施工效率。

1.2 工程地质条件

根据施工勘察报告，现场主要特殊性岩土为素填土、红黏土和风化岩。素填土主要为人工堆填而成，松散，由黏性土、碎块石组成，块石母岩主要为石英质砂岩和石灰岩，块径及含量不均，含量在40%～65%之间，粒径0.6～1.0 m。堆填时间小于10 a。填土呈总体松散状，欠固结，均匀性及稳定性差，透水性较强。

图1 顶管段平面布置Fig.1 Layout of pipe-jacking section

该工程顶管地处山体滑坡体，地质情况非常复杂，勘察难度较大加之现有勘察手段钻孔间距精度较低，且数量有限，难以准确判定地下孤石的情况。为保证施工质量的同时加快施工进度，最终依据勘察报告中所述DK0+316～DK0+400段存在较多石英质砂岩和石灰岩孤石含量，选用人工顶工艺；而DK0+216～DK0+316和DK0+623～DK0+400段以原状稳定黏土层为主，孤石含量较少，因而这两段采用泥水平衡机械顶管施工。

2 顶管施工工艺

2.1 人工顶管施工

人工顶管施工主要通过施工人员在管道内挖掘的同时由液压油顶向前顶进，工人劳动强度大且在施工过程中存在较大安全风险。另外，人工顶管施工易形成地面下沉，工作效率偏低。其优点是简单灵活，具有挖土保护和纠偏功能，较容易处理地下管线。人工顶管施工技术在地下管线工程施工的应用效果良好[9]，其施工工艺示意见图2。

图2 人工顶管工艺示意Fig.2 Sketch of manual pipe-jacking technology

2.2 泥水平衡机械顶管施工

泥水平衡机械顶管施工是在顶进管道前安装机械切削式顶管机，施工时将加压的泥水送入机头内的泥水压力室，以保证开挖面的稳定，同时将刀盘切削下来的土砂以泥水的形式由排泥管道输送到地面的顶管工法。泥水平衡顶管工法的应用越来越广泛，主要是因为采用泥水平衡理论设计的顶管机具有双重平衡功能，即它的全断面大刀盘能自动平衡顶进正面土体的土压力，稳定土层的同时向前掘进[10]。相比其他顶管方式，此方式极大提高了管道施工质量和施工效率，减少了人工劳动力。本文中的机械顶管特指泥水平衡机械顶管，施工工艺示意见图3。

图3 泥水平衡机械顶管工艺示意Fig.3 Sketch of mechanical pipe-jacking technology

3 施工效率及影响因素分析

3.1 人工顶管与泥水平衡机械顶管施工效率

图4为实际施工工程中单边管道人工顶管和泥水平衡机械顶管顶进时间-顶进长度曲线图，图5为单边全标段人工和泥水平衡机械顶管施工速度变化图。由图4～5可知，人工顶管施工顶进初期(DK0+316～DK0+326)和末期(DK0+390～DK0+400)速度极低(0.8m/d)，全段平均顶进速度为2.5m/d。人工顶管顶进速度呈现出先慢后快再显著降低的特征，且人工顶管曲线图较为曲折，顶进速度不稳定，起伏较大。

图4 人工和泥水平衡机械顶管顶进时间/顶进长度曲线Fig.4 Manual and mechanical pipe-jacking time and length graph

泥水平衡机械顶管顶进速度远大于人工顶管，整体顶进速度为10.6m/d，其中DK0+216～DK0+316和DK0+623～DK0+400段平均顶进速度分别为8.3

图5 人工和泥水平衡机械顶管顶进速度条形图Fig.5 Bar chart of manual and mechanical pipe-jacking velocity

m/d和11.7m/d。机械顶管顶进速度初期和末期亦较低，呈现出先慢后快再显著降低的特征，其中DK0+216～DK0+316段后期顶进速度显著降低为4m/d，DK0+623～DK0+400段后期顶进速度显著降低为5 m/d。

3.2 影响因素

将影响该工程顶管施工效率的5个主要因素——人工、材料、机械、环境和测量整合成鱼骨图(见图6)，分别分析人工和泥水平衡机械顶管施工效率的影响因素。

图6 人工顶管和泥水平衡机械顶管效率原因分析鱼骨图Fig.6 Efficient analysis of manual pipe-jacking andmechanical pipe-jacking

(1) 人工影响。施工人员的施工经验、技术培训等是人工顶管和泥水平衡机械顶管施工中的主要因素。人工顶管中施工人员是主要劳动力，泥水平衡机械顶管也需全程人工，但仅仅是操作维护相关设备。施工准备时现场施工人员均应接受培训和交底，否则会导致，作业操作不当、施工效率大幅降低、甚至无证人员上岗的违规行为。现场查阅该工程三级交底和培训资料，了解到交底和培训资料完善，人员资格证书齐全且具备长期顶管施工经验。

(2) 材料影响。顶管管材的抗压性能、吊装效率和供货是否及时极大影响顶管施工效率。该工程采用直径2.2 m的钢筋混凝土管，管材质量达标。根据计算，可知顶进中最大顶进压力小于管材最大抗压值，符合规范和设计要求。管材由吊车吊装进入工作井，因交通问题，顶管后期管材出现供货不足现象，这影响了施工效率。

(3) 机械影响。顶管工艺中机械设备的调试、选用和本身性能对顶管效率影响较大。人工顶管中油缸顶力的大小需和人工挖掘速度配合一致。机械顶管中如果机械设置不当导致顶力不足或排泥速度慢，顶管效率均会大幅降低。该工程所使用机械均根据勘察资料定制，符合规范和设计要求。在DK0+390～DK0+400段人工顶管施工期间因油缸故障导致顶力不足，降低了顶进效率。

(4) 环境影响。对于人工顶管和机械顶管，地质条件均为影响施工效率的决定性的因素。该工程顶管段地处山坡上，地质情况非常复杂，现有的勘察技术很难准确判定地质情况，补充勘查资料显示，顶管段存在石英砂岩孤石，导致泥水平衡机头根本无法顶进，施工效率极低。最终采取更换挖掘工具、人工顶管施工等措施，完成了该孤石段顶管施工。

(5) 测量影响。测量工作是顶管工程施工质量的关键，将直接影响到管线线形的平顺，甚至影响到顶管的顺利贯通，因此需精细实施，确保无误。人工顶管由测量人员将管道中心作为顶管中心的测量基线，将地面上的临时水准点作为顶管高程测量的临时水准点。泥水平衡机械顶管采用激光经纬仪进行测量，将激光经纬仪置于管口正中，激光通过管道打到机头仓内“靶”上，操作人员可以在操作室影像屏幕上实时监测。无论是人工顶管还是泥水平衡机械顶管，都要做到勤测量、勤纠偏、微纠偏。该工程顶管测量资料齐全，复检记录完善，仪器检测记录合格，全过程施工测量均满足规范和设计要求。

文献和相关施工经验表明，人工顶管的理想顶进速度是5 m/d，泥水平衡机械顶管是10～15 m/d，而该工程中实际顶管效率明显偏低。将顶管施工效率稳定的每一段桩号对照人、材、机、环、测五大影响因素列出示于表1，未产生影响的因素标记“√”，产生影响的因素标记“×”。

从表1可以看出泥水平衡机械顶管顶初期效率正常，而顶进至接近人工顶管区域时，效率大幅降低，这是因为受人工顶管区域内的地质条件影响显著。人工顶管顶进初期，地质情况的恶劣程度超出预期，导致施工人员准备不足，顶进效率较低，在DK0+326～DK0+390标段时更换了施工工具和措施，如电镐、风钻和火烧等，施工效率明显提高，但DK0+390～DK0+400标段因深度增加导致人工在管内施工困难增大，顶管管材出现短缺，随着顶进距离的增加，排泥速度减慢等问题，施工效率再次大幅降低。综合所有影响因素，对该工程顶管施工效率影响最大的因素是环境影响，也即地质条件。

表1 齐心水库引流工程顶管效率低的五大因素分析Tab.1 Five influence factors of low pipe-jacking efficiency in Qixin Reservoir drainage engineering

4 结论与建议

本文以江夏区清水入江二期工程——山洪外引之齐心水库引流工程中人工顶管与泥水平衡机械顶管施工为例，分析复杂地质条件下不同类型顶管施工效率及其影响因素，并据此提出提升顶管施工效率的建议，主要结论与建议如下。

(1) 泥水平衡机械顶管施工效率远高于人工顶管，且泥水平衡机械顶管顶进速度比较稳定，当地质条件较好时应优先选择泥水平衡机械顶管施工。当地质条件较差如遇大型孤石等机械顶管无法使用时，可选用人工顶管施工。

(2) 地质条件是影响顶管施工效率的最主要因素。施工准备阶段需重视顶管施工勘察工作，地质条件复杂地段有必要进行补勘，并根据施工过程中获取的地质资料及时调整施工方案，以提高施工效率。

(3) 当遇大型孤石等采用人工顶管施工时，在保障管内施工安全的情况下，可以采用电镐、风钻和火烧等措施提高人工顶管施工效率。

(4) 顶管施工中施工人员是影响施工效率和安全的关键因素之一，施工前期与过程中要注重施工人员的技术培训和交底。