赵山渡引水工程顶管施工效率及影响因素分析

郑瑞文，陈明豪

(浙江珊溪水利水电开发股份有限公司，浙江 温州 325200)

0 引 言

地面土地资源的占有率随着经济发展和人口增长逐渐增多，由于具有不破坏地表建筑物和无需地面开挖等特点，在地下工程施工中顶管施工技术得到越来越广泛的应用[1]。当前，机械和人工顶管为顶管施工的两大类型，其中人工顶管是液压油顶向前顶进辅助人工管道开挖的施工技术，具有纠偏、挖土保护和操作灵活简便等优点，但施工过程中存在人员安全风险且劳动强度大；机械顶管是近年来发展起来的一种具有安全性高、管理方便、施工速度快和适用范围广等特点的工艺方法，目前气压平衡、土压平衡、泥水平衡机械顶管为常用的顶管施工方法，其中应用最为广泛的为泥水平衡机械顶管[2-5]。

在地下工程施工中机械顶管和人工顶管均具有广泛的实用性，两者的施工效率因地质条件的不同存在较大差异。根据现有文献资料和研究成果，当前涉及机械和人工顶管施工效率影响因素及其变化规律的研究较少，为更好的控制工程进度和保障工程质量有必要开展顶管施工效率的研究[6-9]。鉴于此，以赵山渡引水渡槽除险加固工程为例，结合现场勘查资料和实测数据，探讨了泥水平衡机械顶管和人工顶管的施工效率影响因素及其变化规律，为提升顶管施工效率提出了有效的建议措施。

1 工程概况

1.1 工程布置

赵山渡引水工程是一座集防洪、发电、供水和灌溉等功能于一体的大(II)型水利枢纽工程，工程等级为Ⅱ等，主要有引水枢纽和输水渠系等建筑物构成。其中，沿飞云江左岸布置的输水渠系包括总干渠、南北干渠、渠首进水闸、瑞北和温州分渠6个部分，主要有隧洞、渡槽、倒虹吸、暗渠、节制闸等建筑物。

自2001年6月赵山渡引水渠系投运以来，由于各种因素影响渠系建筑物老化病害问题突出，渡槽伸缩缝漏水、表面渗水、裂缝和支座老化等现象普遍存在，严重威胁着渠系的安全运行。另外，由于赵山渡输水渠系没有相应的替代水源且为单线供水，若发生运行事故将严重影响着城市供水安全，无法保证渠系的正常供水。为提高输水线路的供水保证率和满足城市供水要求，有必要对渡槽工程开展除险加固整治。

渡槽应急检修通道和除险加固工程包括两大部分，其中渡槽除险加固包括沙门、张染-固前、金潮港、高楼及桐溪丁岙渡槽，设置沙门段、张染-固前段2座检修应急通道，总长度1.4km，应急检修通道的主体工程为顶管段、倒虹吸、槽身和灌注桩施工等。其中，顶管段埋深为6.50-11.36m，施工段编号为DG0+215-DG0+755，长度约1082.4m，将2座圆形顶管工作井设置于DG0+620和DG0+215处，以F型钢承口作为管道接口形式，双排铺设Ⅲ级钢筋DN2200型混凝土管。选取DG0+215-DG0+620段为研究对象，探讨分析其施工效率极其影响因素。

1.2 地质条件

1)地形地貌：结合现场勘察结果和区域工程地质资料，工程区位于南雁荡山脉向温州冲海积平原的过渡区，西部为南雁荡山脉的支脉，海拔高程为500-800m，属低山区，中部过渡为低山丘陵，中间或出现山间平原，飞云江曲折东流，河道两侧分布有阶地及河漫滩，东部地形平坦，海拔高程在5.0-10.0m，为山间滨海平原地貌。

2)地层岩性：根据本次勘探孔揭露的地层情况分析，可将场地在勘察深度范围以内地基土按其物理力学性质、岩性特征、埋藏分布规律，划分为7个工程地质层，若干地质层又细分为亚层、夹层。土层自上而下分别为①1杂填土、①2素填土、②粉质黏土、③1含砂淤泥、③2淤泥、③21卵石、④粉质黏土、⑤1砾砂、⑤2卵石、⑤21含圆砾黏性土、⑤3卵石、⑤31粉砂、⑨1含角砾黏性土、⑨2含黏性土角砾、⑩1全风化凝灰岩、⑩2强风化凝灰岩、⑩3中风化凝灰岩、⑩11全风化花岗岩、⑩22强风化花岗岩、⑩33中风化花岗岩。

3)水文地质：为加快施工进度和保证工程质量，根据地质勘察报告DG0+315-DG0+400段的石灰岩孤石、石英质砂岩的含量较高，该端拟选取人工顶管施工方案；而DG0+400-DG0+620和DG0+215-DG0+315段孤石含量较少，以稳定原状黏土层为主，选取泥水平衡机械顶管工艺作为这两段的施工方案。

2 顶管施工工艺

2.1 人工顶管施工

液压油顶向前顶进辅助施工人员管道内挖掘工艺为人工顶管施工的主要环节，施工过程中安全风险大且工人劳动强度高。另外，人工顶管施工的工作效率偏低，施工时很容易造成地面下沉的现象。其优点是地下管线处理方便、操作灵活简单且具纠偏和挖土保护的作用，在地下管线工程施工中人工顶管技术具有良好的应用效果[10]。

2.2 泥水平衡机械顶管施工

在顶进管道前安装机械切削式顶管机为泥水平衡机械顶管施工的基本条件，为保证开挖面的稳定应在施工时往泥水压力室输入加压的泥水，通过排泥管道将刀盘切削下来的土砂以泥水的方式输送至地面，按照以上流程即可完成顶管施工。具有双重平衡功能的顶管机具为泥水平衡顶管工法广泛应用的主要原因，采用泥水平衡理论设计的全断面大刀片可以实现正面土体土压力的自动平衡顶进，在保证土层稳定的情况下实现向前掘进。较其它顶管工艺，该方法施工后的地面沉降较小，尤其适用于穿越河流、保护沉降要求高的重要构筑物等，能够显著降低劳动作业强度，提高管道的施工效率和质量等功能[11]。

3 施工效率及影响因素

3.1 施工效率

单边管道泥水平衡机械顶管和人工顶管在实际施工工程中的顶进程度-时间关系曲线见图1，施工速度变化见图2。根据图1、2可以看出，人工顶管施工的全段平均顶进速度为2.4m/d，施工段DG0+380-DG0+400、DG0+315-DG0+328的速度较低，整体处于0.7m/d水平。人工顶管曲线的波动起伏较大且顶进速度不稳，总体呈现出先缓慢再快速上升后急剧下降的变化趋势。

泥水平衡机械顶顶管的整体顶进速度为10.4m/d，其中DG0+400-DG0+620和DG0+215-DG0+315段的顶进速度平均值为11.6m/d、8.1m/d。机械顶管施工末期和初期的速度较低，DG0+400-DG0+620段和DG0+215-DG0+315段的后期顶进速度快速下降至5m/d、4m/d，这两段的顶进速度呈现出先缓慢再快速上升后急剧下降的变化趋势。

图1 顶进程度-时间变化曲线

图2 顶管顶进速度条形图

3.2 影响因素

从测量、环境、机械、材料和人工5个方面分析顶管施工效率影响因素，为更好的反映各要素的作用过程将其整合成鱼骨图，见图3。

图3 顶管施工效率原因分析

1)人工因素。影响泥水平衡机械顶管和人工顶管施工的主要因素有作业人员技术培训、施工经验，其中施工人员为泥水平衡机械顶管和人工顶管施工的主要劳动力，但前者主要是参与有关设备的维护操作。为避免无证人员上岗和作业操作不当的行为发生，现场施工人员必须在施工准备阶段接受技术交底和培训，从而确保施工效率。对工程培训资料和三级技术交底现场查阅，掌握培训资料和技术交底的完善程度，具备长期顶管施工经验且人员资格证书齐全。

2)材料因素。顶管施工效率在很大程度上受到吊装效率、供货情况、管材抗压性能等因素的影响，赵山渡引水渡槽加固工程的顶管质量达标，管径为2.0m。通过计算分析，顶管施工过程中的最大顶进压力未超过管材最大抗压值范围，能够满足设计规范要求。采用吊车将管材吊入工作井，顶管后期管材因交通运输问题存在无法保证供货的现象，大大降低了施工效率。

3)机械因素。机械设备本身性能、型号选用和调水等均可对顶管施工效率产生较大的影响，人工顶管施工时掘进速度应与油缸顶力大小保持一致。若出现排泥速度慢、顶力不足等机械设置不当的情况，将在一定程度上降低机械顶管施工效率。依据勘察资料定制的赵山渡引水渡槽加固工程机械设备，均满足设计和规范要求，由于油缸故障造成的顶力不足问题，使得DG0+380-DG0+400段的顶进效率显著下降。

4)环境因素。地质条件为影响机械顶管和人工顶管施工效率的关键性因素，赵山渡引水渡槽工程位于山坡处，其地质条件较为复杂，地质勘查资料显示石英砂岩孤石存在于顶管作业段，泥水平衡机头对于该段的顶进施工效率极低。为完成该孤石段顶管施工，最终选用人工顶管施工和更换挖掘工具等技术[12]。

5)测量因素。测量工作为顶管机沿设计轴线顶进，保证顶管机顶进方向精确度的前提和基础，该过程直接决定着顶管工作能否顺利贯通以及管线线形是否平顺，必须确保无误及精细实施。顶管中心的测量基线为人工顶管施工的管道中心，顶管高程测量的临时水准点设定为地面上的临时水准点。采用激光经纬仪测量泥水平衡机械顶管，管口正中处安置经纬仪，机头仓内“靶”上显示通过管道后激光，由此可实现操作人员的实施监测。微纠偏、勤纠偏、勤测量为泥水平衡机械顶管和人工顶管都应遵循的原则。为保证赵山渡工程的测量精度，在施工前完成业主所提供的其它控制点、水准网和导线网的检核。同时，为加快施工精度和降低劳动强度及人工测量误差，顶管机顶进施工时配备激光导向系统，并对顶管轴线利用全自动全站仪测量控制。施工过程符合设计和规范要求，仪器监测记录合格且复检记录完善，测量资料完善。

根据施工经验和相关文献，泥水平衡机械顶进和人工顶进的理想进度为10-15m/d、5m/d，赵山渡工程的顶进施工效率明显偏低。从测量、环境、机械、材料和人工5个方面分析影响每一段桩号顶管施工效率的因素，“×”、“√”分别代表产生和未产生影响，见表1。

表1 赵山渡引水工程顶管施工效率影响因素分析

根据表1可知，在顶进施工初期时泥水平衡机械顶进效率处于正常水平，顶进速度接近人工顶进施工时显著下降，其原因为地质条件严重制约了该区域的施工效率。人工顶管施工初期的地质情况恶劣程度大于设计预期，因准备不足使得顶进效率大大减少。由于在DG0+325-DG0+380施工段耿冠了火烧、风钻和电镐等施工工具，在一定程度上提高了施工效率。管内施工时因DG0+380-DG0+400段深度的增加，增大了管内人工施工难度，随着顶进距离的增大管材供应出现不足、排泥速度减慢等现象，大大降低了施工效率。在以上各因素的综合作用下，环境因素即地质条件为影响赵山渡引水工程顶管施工效率的最大要素。

4 结 论

以赵山渡引水渡槽顶进施工为例，分析了泥水平衡机械顶管和人工顶管施工效率在复杂地质条件下的变化规律，通过分析其影响因素提出了有效的建议措施如下：

1)人工顶管的施工效率显著低于泥水平衡机械顶管，且后者的顶进施工速度稳定。泥水平衡机械顶管施工一般适用于地质条件较好的标段，对于存在大型孤石等地质条件较差的标段，为保证顶进工作的顺利实施可选用人工顶管。

2)环境因素即地质条件为影响赵山渡引水工程顶管施工效率的最大要素，顶管施工勘察工作为施工准备阶段的重要内容，必要时可补勘地质条件复杂的标段，为提升施工效率可依据地质资料适当调整施工方案。为提升人工顶管施工效率在保障管内施工安全的前提下可采用人工顶管施工，遇大型孤石等情况时可采用火烧、风钻、电镐等措施。

3)施工人员为影响顶管施工安全和效率的重要因素，在施工准备和实施中应加强对作业人员的技术交底和培训。