浅谈泥水平衡顶管施工技术

邬皑铭 江娇杰

中国化学工程第七建设有限公司 四川成都 610100

随着城市建设的发展，城市地下管线工程不可避免地要在其他建（构）筑物附近穿过。泥水平衡顶管施工技术可突破地质条件限制及周边环境影响的局限性，不需对表层地面进行开挖而实现管道埋设施工，能穿越地面建（构）筑物、地下管线、道路、河道等复杂环境或特殊施工区区域，技术先进、效果明显，有广泛的应用价值。迪拜世博会道路网改造工程项目，根据其砂土、砂砾土且富含地下水的地质条件，结合对周边环境、工程进度、造价、环保和安全等方面的影响，运用泥水平衡顶管施工技术完成了DN1200mm 市政供水管穿越迪拜供应局天然气管廊区域，总长度约207m，最大埋深约12m，管材为长度2980mm、外径1490mm 的混凝土包裹玻璃钢管。同时，还完成了DN450mm 市政供水管穿越迪拜水电局132kV 高压电力电缆槽区域，总长度约114m，最大埋深约7m，管材为长度1980mm、外径865mm 的混凝土套管，取得了较好的社会和经济效益。

1 技术特点

泥水平衡顶管施工技术具有以下特点：适用地层土质范围广，应用范围广；选用成套顶管设备，自动化程度高，施工精度高，施工速度快，施工质量好，经济效益高；泥水平衡控制保证了施工的安全稳定可靠，土体扰动小，地面沉降小[1]；泥水循环利用，分离渣土环保处理，对环境影响小。

2 适用范围

泥水平衡顶管施工技术适用于各种土质地层及存在地下水、地质变化大等地质环境，应用在交通繁忙、地面建筑物众多、地下管线复杂等特殊环境或特殊工程地段的管道穿越施工，可达到良好的效果。

3 工艺原理

泥水平衡顶管施工技术是非开挖埋管施工技术之一[2]，是一种以全断面切削土体，以泥水压力来平衡土压力和地下水压力，又以泥水作为输送弃土介质的机械自动化顶管施工技术[3]。它以泥水平衡和控制原理为基本，在工作井内利用主顶站施加推力，将泥水平衡顶管机、管道或套管推入穿墙孔；顶管机的刀盘以均匀速度对土体进行切削，被切削的土体进入机头泥水仓内；再通过送泥泵将具有一定相对密度的泥水送至泥水仓及挖掘面，并在挖掘面上形成泥膜而起到稳定作用；土体在泥水仓内与泥水混合成泥浆后，再由排泥泵排到泥浆箱，经水分离装置处理后的泥水可重复利用，残渣按环保要求专门处理。

4 施工工艺流程及操作要点

4.1 施工准备

根据泥水平衡顶管施工工艺流程图（图1），首先要熟悉并审查合同文件、设计文件和规范标准，研究施工界限范围地下管线及建（构）筑物、工程水文地质等原始资料。施工前要进行现场调查，掌握顶管施工沿线的地形地貌、水文地质、建（构）筑物、管线、障碍物及其他设施等周边环境情况，对原始资料详细核实确认，必要时进行复核勘测和探坑。建立地面与地下测量控制系统，确保控制点不易扰动并且校核方便，对施工影响范围内的地表、临近建（构）筑物及管线设置监测观测点。施工前应对参与施工的单位、人员进行资格审查，对各级施工人员开展相应培训教育和安全技术交底。

图1 泥水平衡顶管施工工艺流程图

4.2 工作井、接收井施工

按设计要求进行工作井、接收井施工，编制专项施工方案，支护形式应依据其结构形式、尺寸和周围环境条件等因素确定，还要考虑井外附近材料、设备等堆载力的影响。依据施工条件采取必要的降水施工或土体加固措施。降水施工以保证顶管施工质量、安全为前提，合理选择相应的降水方法，水位控制在井底至少0.5m 以下。土体加固可尽量利用工作井围护结构稳固土体，也可补充采用注浆、喷锚等技术措施，还可设置一定厚度的混凝土洞门并安装止水装置，必须适时确认止水效果。

依据设计顶力、地形、地质及设备材料等实际条件合理确定后座类型，通常采用现浇混凝土式后座，后座施工允许偏差为垂直高度和水平长度的1%。后座面积应确保反力墙的承载能力满足顶力要求，后座平面与管道轴线垂直，允许偏差不垂直度为5mm/ m，并且表面坚实平整。反力墙经验算须满足设计要求和最大允许顶力的强度和刚度，否则须进行加固处理。

4.3 顶管设备安装和调试

根据工程实际情况选择性能及参数满足要求的成套集成顶管系统设备及配套附属设施，按照设备操作要求及施工便利的原则确定安装位置，应采取必要的措施并兼顾其经济性。

在井底安装导轨，允许高程偏差0～3mm，中轴线位移偏差3mm，两轨间距偏差±2mm，合理设置支承角，宜为60°。顶进千斤顶应规格相同、对称安装且合力作用在管道中垂线上。吊装顶管机就位如图2 所示，应贴合导轨，复核顶管机的高程、中线、仰俯角、旋转角等参数，调整导轨及底盘进行校正，底盘与井底的缝隙使用钢板衬垫。

图2 顶管机吊装就位

顶管机就位以后，连接顶进液压设备、泥水循环管道、控制电缆、动力电缆和摄像仪等。机头与各种管线连接应牢固，不得出现渗漏。顶铁与顶管承插口使用软木板或木垫圈衬垫。注浆泵优先选用螺杆泵，以更好满足形成泥浆套的要求。长距离顶进时，可考虑选择自动注浆系统，自动模块与控制系统连接，实现自动化远程控制。测量仪器有独立固定基座，不能直接固定在设备底盘、后座上，尽量减少移动和调整。

严格按照设备说明书及施工方案指导全部设备检验和试运行，根据安装情况进行单机、整机联动调试，确保设备运行正常及功能处于完好状态。

4.4 顶进

顶进的操作控制在中央控制室进行，一般情况下应连续顶进，分初始顶进、正常顶进和到达顶进3 个阶段。顶进前须进行顶力估算，最大顶力应大于顶进阻力，但不允许超过管材或反力墙允许最大荷载。顶进时侧重考虑挖掘、顶进、送排泥的作业顺序，以及调整顶进参数。

4.4.1 初始顶进

顶进始发前验算顶管机和管道后退受力状态，设置可靠的止退装置或采取如将管道与井壁相连的止退措施。初始顶进如图3 所示，应缓慢进行，确保顶管机、管道与洞口止水装置处于同一轴线，主油缸合力中心宜略低于管中心，过程中要掌握顶进相关数据，作为正常顶进参数的依据。

图3 初始顶进

初始顶进速度宜小于10mm/ min，合理控制油压和顶管机土压力控制值，防止千斤顶退回速度过快；当出现油压突然增高时，要立即停止顶进，并查明原因，处理后才能继续顶进。机头与首节管道连接时，应保证机头尾部超过500mm 在轨道上，并快速完成连接。

预防顶管机头部下沉的技术措施：将导轨前端尽可能接近洞口，以缩短顶管机悬臂长度；出洞时要求顶进连续不停顿；设置定心环；顶管机与后三节（或五节）管道连成一体；加固洞口外侧土体，确保洞口止水装置密封可靠。

4.4.2 正常顶进

正常顶进时，应确保设备运行参数较稳定，速度控制平稳但宜小于30mm/ min，杜绝突然加大顶进速度的情况。正常顶进时，侧重对刀盘的转速、扭矩进行合理的控制和调整，以确保泥水循环及分离弃土效果良好。刀盘通常设为高转速、中低扭矩状态，具体情况应视土质变化和顶进效果而定。合理控制开挖量与出土量，促使掘进面稳定和泥水平衡，确保顶管机正常顶进。根据控制台仪表显示信息，不断地对土压力、刀盘位移、切土口大小、纠偏千斤顶行程、泥浆泵和泥浆流向等进行调整，确保顶进正常进行，如图4 所示。

图4 控制室操作

4.4.3 顶管管节安装

管节安装时应暂停顶进，并对已顶进的管节采取临时限位固定措施后，才能缩回主千斤顶。管节安装完成后，继续顶进。当施工最大顶力可能超过允许顶力时，应按设计采取减少顶进阻力或增设中继间等技术措施。管节吊装前要做好准备工作（图5），预先将泥水循环管道通过配套弧形卡环合理固定在管道内壁，将橡胶密封圈内嵌或外套在预留的环拱槽中，具体情况视管材类型确定。

图5 管节吊装准备

使用移动吊车将管节调运至导轨上（图6），重新可靠连接泥水循环管道，检查调整密封圈使其满足要求，并与前一段管节承插连接安装。顶管管节安装时，要确保管壁和接口处无渗漏、无灰尘、无油污，管道内部干燥、清洁无杂物。继续顶进前，必须检查每节管道中线位移、管底高程和接口情况，确保符合设计和质量验收要求。及时按照管节实际安装顺序对其进行连续编号，并明显标注在管节外壁。顶管机后应连续设置4 节带注浆孔的管节，往后每隔一段距离放置一节带注浆孔的管节。小于1000mm 的管道在两端预埋注浆管。

图6 吊装管节下井安装

4.4.4 到达顶进

当顶管机顶进至离接收井约3 倍管经范围内，须降低顶进的速度，以减少管道的正面阻力，尽可能减少对周围土体扰动，避免对接收井造成不利影响，确保顶管机能平稳进洞。加密复核测量顶管机的方位，确认顶管状态、预估顶管机出洞时的状态，确保顶管顶进是按照预定线路和方案实施，且能准确无误的进洞。顶管接收应准备好枕垫或接收导轨，进洞后应适当继续顶进，直到管道超出洞口至少0.5m。

4.5 泥水循环及减阻注浆

泥水循环和减阻注浆是泥水平衡的最为关键的环节，它们几乎与顶进作业同时进行。循环泥水的比重、黏度参考试验确定值或施工实际情况调整。严格控制和调整泥水流速、压力和比重等参数，确保掘进面快速形成泥膜并保持稳定状态。利用泥水分离装置（图7），对泥水分离进行有效管理，并及时将排放颗粒进行二次处理。

图7 泥水分离装置

触变泥浆是最常用的减阻注浆材料，将添加膨润土制成的触变泥浆泵送注入管道与土体环空内，起到润滑作用从而降低顶进阻力，使顶力得到合理控制。触变泥浆注浆流程：造浆静置→注浆→顶管顶进进（同步注浆）→顶管停止顶进→停止注浆。触变泥浆注浆原则：先注后顶、随顶随注、及时补浆。触变泥浆的配合比根据试验确定。触变泥浆实际注浆量往往比理论注浆量大，要避免过量注浆而造成管道上浮或失稳的情况发生。注浆压力须合理控制，按不大于0.1MPa 逐步加压直到升至控制压力。注浆时如出现故障、堵塞、渗漏等情况，必须经处理后才能继续顶进。当较长停顿后恢复顶进时，须加大补浆量、连续补浆或增加补浆点。

4.6 顶进后处理

当顶管管节为工作管道的保护套管时，在顶管顶进接收完成后，应尽快将如图8 所示套有垫圈或U 型滑轮的工作管道推送进入顶管完成安装。顶进后，还需进行泥浆置换，采用现场拌合水泥浆及时置换顶进过程中注入的触变泥浆，或对套管与工作管之间的空隙使用泡沫混凝土填充，同时采用弹性密封材料对压浆孔及时进行封堵。

图8 带垫圈的玻璃钢工作管

4.7 测量与监测

泥水平衡顶管施工应遵循“勤测量、常监测、微纠偏”原则，进行全过程测量与监测。测量控制基准点、临时水准点、管道轴线控制桩和高程桩等控制点，它们在使用前有可能发生位移、沉降、变形，应及时复核并定期校核。使用全站仪或激光经纬仪连同顶管机内激光靶组成误差测量系统，对顶进高程和轴线全过程测量纠偏，激光靶的感光元件将位置信息反馈至控制室。

是否采取纠偏措施应由纠偏测量情况、偏差大小、偏差产生原因及发展趋势来确定。顶管机纠偏不能追求零偏差，偏差大于2 倍中误差时可考虑纠偏。通过对顶管机纠偏系统的相邻千斤顶进行成对动作控制达到纠偏目的。纠偏在顶进中进行，且须保持掘进面稳定，应做到小角度逐步纠偏，先纠高程后纠中线。

初始顶进时应不间断测量，到达顶进时进洞前30m 应加密测量，每顶进300mm，测量不应少于一次；正常顶进时，每顶进500～1000mm，测量不应少于一次；纠偏量较大或频繁纠偏时，应适当增加测量的次数。对每个管节接口处进行水平轴线和高程测量，如有错口应立即测出相对高差。对地面沉降，建筑物的沉降、位移和损坏，地下构筑物及管线的沉降、位移及渗漏等重点监测。在穿越线路20m 范围内，设置2m×2m的网格测量坐标点矩阵，使用水准仪对原始地面进行测量，施工过程中使用全站仪或GPS 测量设备进行沉降监测。

5 设备与管材

泥水平衡顶管施工技术使用的设备、材料均应符合合同约定和设计要求。顶管系统设备主要包括顶进系统及导轨、顶管机及中继间、泥水循环系统、注浆系统、控制系统、测量与监视系统等，还应配置起重设备、井区排水、办公室、休息室、通风、供电、通信及安全设施等附属设施[4]。该技术使用的管材为混凝土包裹玻璃钢管或混凝土套管，预制参数如图9 和图10 所示。

图9 混凝土包裹玻璃钢管预制尺寸表

图10 混凝土套管预制尺寸表

6 质量控制

顶进管道应按合同约定质量标准进行质量验收，主要控制中线位移、管底高程和相邻管间错口的允许偏差，每管节至少检验1 次。顶进距离不大于100m，中线位移允许偏差50mm，管底高程允许偏差-40～30mm；顶进距离大于100m，中线位移允许偏差100mm，管底高程允许偏差-60～40mm；相邻管间错口允许偏差不大于2mm。

通常采取以下质量控制措施：原材料和设备进场符合规定程序，并经验收合格，计量器具和检测设备经检定、校准合格；制定质量计划及检验试验计划，严格落实技术交底，确保施工质量满足施工方案、合同规范和设计图纸要求；制定交接班管理制度，做好顶管施工记录资料及交接记录；针对不符合项应立即报告，并采取纠正和预防措施。

7 安全措施

坚持“安全第一，预防为主，综合治理，持续改进”的安全生产方针，建立健全安全生产管理组织机构及安全生产管理制度，落实全员职业健康安全环保责任制；对施工活动的危害和风险进行评估，提出有效防范措施；严格落实安全技术交底，开展安全教育培训；确保施工现场安全通道、安全围护、安全警示标志等安全措施落实到位；吊装作业时，井内与地面应分别配一名起重信号工进行指挥；夜间顶进施工，必须符合夜间施工安全管理规定，夜间照明须满足安全要求；落实建（构）筑物、地下管线安全保护技术措施；配置通风设施和气体检测报警装置，确保每人所需通风量不小于30m3/ h；现场张贴紧急联系电话、消防疏散应急预案及设施。

8 环保措施

严格遵守工程所在地环境保护相关法律法规，制定并遵守环保规章制度，加强环境保护控制与治理；编制环境保护计划，严格落实环保技术交底，加强环保教育培训；材料堆放整齐，标识清楚，保持施工文明、环境整洁；避免油料污染；废土、渣土和废泥浆集中堆放，及时外运处理；夜间施工应采取措施减少声、光的不利影响；合理控制施工期间噪声，必要时采取降噪措施。

9 效益分析

泥水平衡顶管施工技术突破了管道埋设受周围环境或特殊情况影响选择施工方法的局限性，最大限度避免了对施工范围内建（构）筑物、地下管线设施等产生的影响或破坏，确保了顶管施工安全，施工产生的废土、渣土、废泥浆和噪音等危害也得到了最大限度地降低。穿越天然气管廊、高压电力电缆槽等顶管工程的成功执行，为类似条件下同类工程施工的决策建议和技术指标提供了参考，有利于促进非开挖埋管施工技术的进步，具有明显的环境效益、技术效益和社会效益。

该技术具有广泛的土层适用范围，采用成套集成设备及优化创新的施工工艺，技术先进，易于操作，工程进度快，施工精度高，提高了顶管施工质量，避免了施工程序或方法不当而增加成本，一定程度上降低并控制了工程造价，具有较好的经济效益。

10 结语

结合迪拜世博会道路网改造工程项目采用泥水平衡顶管施工技术穿越天然气管廊、高压电力电缆槽迁改市政供水管的工程实例，阐述了泥水平衡顶管施工技术的特点、适应范围和工艺原理，详细介绍了具体工艺流程和操作要点，并说明了质量、安全、环保措施。该技术采用成套集成设备和新型管材，进一步拓展了适用范围，并有效保证施工质量、安全及环保，也提高了施工效率和进度，创造了较好的效益。泥水平衡顶管施工技术的成功实施，对相关的各类地质条件和工程环境下顶管施工技术深入研究和应用具有一定的参考价值，具有较高的社会、技术、经济效益。