泥水平衡法顶管施工工艺关键技术解析

□张金刚

（汝阳县水利局虎盘水库管理所）

1 引言

顶管法施工工艺是一种历史悠久的地下管道施工方法，它最早于1896 年起源于美国，中国至1984 年才开始引进在一些大城市市政工程领域应用，并由此使中国的顶管技术上了一个新台阶。顶管施工除了传统的人工开挖法、挤压法、水冲法之外，目前比较流行的有气压平衡、土压平衡和泥水平衡三种理论。文章以南水北调中线工程平顶山供水11-1号管线第Ⅴ标段为实测，对这种理论的实践过程进行初步解析，以供同行应用时借鉴参考。

2 项目概况

标段的代表性穿越项目是大浪河顶管工程，该工程从桩号B2+996.46 开始至B2+874.46 止，顶管长度122 m，混凝土套管DN1400，内穿SP 管DN800。该段地层主要为第四系上更新统冲积成因的重粉质壤土、中更新统坡洪积成因的重粉质壤土、粉质粘土、碎石，其下为上第三系中新统洛阳组的粘土岩、砂砾岩和泥灰岩等，共分为5 层。根据有关规程推荐，泥水平衡式顶管机适用于地下水位以下的粘性土、砂性土，因此设计部门选择泥水平衡式顶管施工工艺作为技术成果。

该标段类似穿越项目还有穿越河、渠2 处，长度分别为61.20、59.12 m；穿越等级公路和城市道路5处，长度分别为86、66、56、56、46 m。

3 施工工艺流程与主要顶进方法

完整的泥水平衡式顶管系统包括以下8个部分，其主要施工工艺流程图见图1。

3.1 掘土顶进

掘土顶进的顺利与否，关键是选择合适的顶进机头。根据地质勘探情况，穿越大浪河顶管层含有较大粒径的砾石，采取泥水平衡作业需要将其破碎。根据这一要求，施工单位选择了淮南唐兴产的TPN1500 型顶进机头，这种机头的刀盘开口较大，开口面积约占全断面的15%，有利于较大粒径的卵石顺利进入顶管机内。刀盘在一边旋转切削土砂的同时，一边作偏心运动把石块轧碎（破碎的最大粒径可达掘进机口径的40%～45%，破碎的卵石强度可达200 MPa），然后使轧碎的碎石进入泥水仓而从排水管道排出。

图1 主要施工工艺流程图

3.2 注浆排泥

3.2.1 优选注浆材料

目前，在顶管工程中应用最广泛的是膨润土泥浆。这种泥浆通常是由膨润土、CMC（粉末化学浆糊）、纯碱和水按一定比例配方组成，通常水：土=（4～5）∶1、土：掺合剂=（20～30）∶1、膨润土浓度约为5%，可广泛适用于粘性土、粉质土及渗透系数较小的砂性土地区；渗透系数较大的粒砂反砂砾层可采取化学灌浆。

3.2.2 控制注浆压力

注浆压力宜通过试验选取也可根据一般经验公式推求，公式可参考《给排水管道工程施工及验收规范》（GB50268-2008）和《给排水工程顶管技术规程》（CECS246∶2008）有关内容，常用注浆设备是液压泵、活塞泵或螺杆泵。

3.2.3 掌握注浆时间和注浆数量

一般补浆孔的间距通常以每隔3～5 节管段或9～15 m 距离设置一组为宜，每个断面可布孔3～4个，注浆量一般达4～5倍理论计算量（根据管道外壁与土体之间的空隙范围计算而得）。

3.3 设备纠偏

在顶管施工顶进中，管道是在地下土层中顶推前进，由于不均一和机头姿态不稳定等原因，机头轨迹（标高和轴线）会与设计轨迹发生偏差。为了纠正这种轨迹偏差，目前国内外都是依靠顶管机自带的液压纠偏系统而进行纠偏的。

相对于进口机（如海瑞克、伊势机）的先进纠偏功能，国产机的优点是结构简单，顶进前几乎不需要进行任何的调整和调零工作，但缺点却十分突出，主要是多没配备与进口机反射诱导同等功能的纠偏反馈系统，只能依靠倾斜仪和纠偏油缸的伸出量来进行间接的判断。虽然从理论上讲，只要通过控制几个纠偏油缸的伸缩量，就能够使顶管机逐步恢复到正确的轴线位置，但实际工作中往往由于操作人员的经验不足、以及土质变化和不同顶管机的结构性能差异等，经常会使控制系统不能直观、及时、准确地反馈机头姿态，从而导致纠偏出现偏差。

面对国产机的上述现实情况，施工操作人员制定了具体应对措施：一是“勤”。包括勤观察与勤动作，即操作手不间断的观察显示屏、指示灯和掌握了解井内情况；二是“微”。指每次纠偏的幅度不能太大，因为突然的大幅度纠偏，往往会造成管接头开口，甚至导致漏水，或者矫枉过正，导致向另一侧偏差，形成“S”型管道，使顶力增大，引发其它问题；三是“标不离靶”。“标”是指激光束，“靶”就是光靶。简单说，就是在任何时候激光束都不能离开光靶。在顶进过程中，由于各种原因，造成机头偏差较大时（尤其是水平方向），使得光束离开了光靶，导致控制台上看不到激光点，遇见这种情况，应该特别的小心处理。一般分两步纠偏：①调整激光发射器位置，并记录X和Y方向的偏移值（X，Y）；②纠偏回来后再把激光发射器移动（-X，-Y）即可。

3.4 中继间接力

中继间也可称作中继站或中继环。中继间的结构主要由壳体、油缸、密封件等部件组成。在顶进过程中，中继间安装在管道中的某个部位，把管道分成若干个顶进区间。顶进时，先由若干个中继间按先后顺序把管道顶进一段距离，然后由主顶装置顶进最后一个区间的管道，这样不断重复，直到整条管道贯通。中继间的设置一般根据顶力的变化而确定。通常情况下，第一只中继间应放在比较靠前的位置，当总的推力达到中继间总推力的40%～60%时，就应安放第一只中继间，这主要是考虑在顶进过程中，工具管正面的阻力会因土质条件的变化而发生较大的变化。第一只中继间以后，每当推力达到中继间总推力的70%～80%时，可考虑安放下一个中继间。

4 结语

长距离顶管施工具有许多的不可预见性，影响顶力变化的随机因素随时可现，如沿途地质条件的变化等等。因此，很难做好准确的施工设计工作，为不致施工过程中出现较大的偏差，建议设计时多做几套方案，以随时应对可能出现的各种问题。比如中继间设置是否合理，不仅关系到管道顶进能否正常进行，而且关系到工程造价等问题，少了不安全、多了是浪费。文中提到的该标段施工设计具有中继间内容，但实际上几处顶管工地上真正按设计要求操作使用的却很少。因此应重视方案的多样化比选与论证工作，唯如此，才能保障长距离顶管施工的安全、可靠、经济和实用。