市政工程施工中泥水平衡顶管施工技术的应用

张前华

（赣州市金淼建设工程有限公司 江西 赣州 341000）

市政工程通常是在城市空间开展，施工现场涉及大量的建筑、道路及其他的公共基础设施等，这些设施的存在会对施工产生不利的影响，部分施工内容会影响道路交通，甚至需要拆除地表建筑以保证工程施工的顺利进行。在市政工程地下管道施工中，应用泥水平衡顶管施工技术则可规避这一问题，其无需进行地面开挖，通过工作井与接收井，使用顶管机直接在地下顶管作业，施工对地面事物影响较小，施工质量和施工效率表现良好。但是，在实际的应用中，需着重考虑地质条件，明确适用范围及技术应用的关键点，以此来保证市政工程的顶管施工质效。

1 市政工程实例

以某地排水工程为例，污水管道总长为2876m，管径为500～1650mm，管道埋设深度为1.60～6.25m。由于管道铺设沿线存在公路及通水箱涵，部分施工段无法使用明挖施工方法，需要应用泥水平衡顶管施工技术。在前期的地质调查中获知，施工路线的土质结构如下：第一层主要是杂填土，部分地段存在淤泥；第二层为砂质粉土、粉质黏土等；第三层为淤泥粉质黏土、砂质黏性土，并且浅部黏（粉）性土层中存在潜水。本文以其中一段顶管施工为例，进行泥水平衡顶管施工技术的应用分析，该段长度为142m，采取两段顶管施工方案，在施工路段的两端各设置一个接收井，中间设置作业井，井点选择了沉井施工方案，为了保证井点作业的安全性，井的底部采用钢筋混凝土进行加固处理，井壁进行高压旋喷桩施工，以为泥水平衡顶管施工做好准备。

2 泥水平衡顶管施工前期准备

2.1 选用顶管机

顶管机在选用之前，需进行顶管施工作业现场的实际调查，并征求施工技术人员的建议，选择性能规格符合顶管施工的顶管机。该工程选用的是泥水平衡式顶管机，其具有非常好的自动平衡性能，尤其是顶进过程中沉降控制精度高，可控制在1cm 以下，顶进速度快，实现泥水加压与地下水压的双向平衡，确保泥水平衡顶管施工的安全可靠进行。并且，顶管机本身配备了检测仪器，可进行顶进参数的实时测量，以为顶管施工作业提供参考，进一步保障顶管施工的质量。

2.2 注浆设备系统配置

泥水平衡顶管施工泥浆主体材料为膨润土，需事先配置完成，使用2台液压注浆泵作为注浆设备，一台注浆，一台补浆，同步协同进行泥水平衡顶管施工作业。另外，机内设有储浆箱，尺寸为2m×0.9m×1m；地面也设有储浆箱，体积为2m×1.5m×1m。泥浆在预制过程中，膨润土与水需充分搅拌，搅拌时间要超过0.5h，然后将泥浆放入地面储浆箱，储存大约6h，等到泥浆发酵完全后，使用注浆泵泵送至压浆管道内。在泵送之前，还需再次搅拌发酵后的泥浆，以防止泥浆在管道中的摩擦力过大影响到压浆效果。整个注浆系统由单缸液压注浆泵、液压动力站、输浆总管组成［1］，总管使用高压软管与压浆孔进行连接，液压注浆泵施加压力将泥浆通过输浆总管泵送至压浆管道，以辅助顶管施工作业。

2.3 泥水循环系统

2.3.1 泥水循环系统分析

一是注浆管。主体注浆管选用钢管材质，管径参照顶管机的接口进行选择，转弯位置则使用软管连接。

二是输水电机。根据施工设计中地下水压力进行选择，电机输出的泥水压力要高出其30kPa左右。

三是泥水浓度。其关系到顶管过程中的排泥，应参照工程地质条件进行确定。在土层渗透系数不大的情况下，泥水比重应小于1.0；如果是中等水平，则要提高比重，增加膨润土的添加量，维持泥水的均衡，应在1.05～1.10；如果系数较大，则泥水比重还要增加，需提高至1.10～1.20，以保证顶管作业过程中的泥水浓度，维持泥水压力的稳定。通过泥水比重的严格控制，可确保泥水顶管过程中的平衡，加快泥膜形成的速度，保持工作面的稳定。由于泥水处于不断的循环状态［2］，会损失一定量的黏土，需注意在泥水平衡顶管过程中不断添加适量的黏土，保持泥水比重的稳定，以确保顶管作业的质量。

2.3.2 注意事项

一是在泥水平衡顶管过程中持续循环泥水，导致泥水中的黏土处于消耗状态，所以，应密切关注泥浆的粘度，顶管过程中随时测量，及时添加黏土，以将粘度维持在22～35Pa·s；二是注意泥水压力的控制，通常要大于地下水压力30kPa 左右；三是顶管之前先进行内循环的检测，并进行泥水压力的改善，确定压力稳定后，检查外循环，评估顶管作业的情况；四是顶管机顶进作业不断切削土层，需要泥水循环不断地排土，需在这一过程中使用渣浆分离器及时将泥浆中的渣土去除；五是每完成一段顶管作业后，泥水循环系统不可立即停机，应等待3min 后再关闭系统；六是顶管作业结束后，先关闭系统的截止阀，然后才可拆下泥浆管。

2.4 触变泥浆减阻系统

触变泥浆减阻系统由螺杆注浆泵、高速搅拌筒、储浆箱组成。总管管径与注浆泵相同，选用的是G50 钢管，机尾配置压力表，支管材质为耐压橡胶，注浆孔纵向按照4 根管道的长度进行设计，并且注浆孔中安装球阀，压浆孔组分别设置在管道顶部与两侧，每个位置安装3组。

2.5 工作井施工

泥水平衡顶管施工的工作井采用的是沉井施工方案，井底加固处理使用的是钢筋混凝土桩。在钢筋作业过程中，预埋钢板，然后再进行混凝土浇筑，以方便于井底导轨的安装。所以，在预埋钢管作业中，采用了加固措施以增加锚固强度，防止导轨运行过程中发生位置偏移。导轨与钢板采用焊接进行连接，需注意焊接作业质量的检测，并对导轨进行加固，保证导轨运行过程中的稳定可靠。主顶油缸架的安装误差要控制在5mm 以内［3］，选择拼装结构，保证结构良好的承载力。整个工作井的井壁进行高压旋喷桩作业，并进行强度与刚度的检测。其中，承压壁（后背墙）需要承担顶管作业时产生的反作用力，需进行顶管后背处理，使用50b型工字钢焊接，与井壁之间设置垫板，以保证承压壁可完全承担这些反作用力，促进顶管顶进施工作业的顺利开展。

3 泥水平衡顶管施工技术的应用要点

3.1 安装导轨与节管

导轨的轨道高15cm、内距1m，为钢制定型导轨，由钢轨、横梁、垫板等组成，顺着注浆管道的坡度安装。在安装过程中，要保证轨道处于中心线之上，尽量减少安装位置偏差。导轨与预埋钢板连接时，选择使用的是槽钢焊接，导轨铺设前，道床必须垫平、捣实。导轨安装的质量要求是位置准确，安装牢固，可完全承担顶管作业形成的压力，不会发生变形、位移等问题，以及两条导轨对称平行等高。并且，在顶管作业过程中，进行导轨高程、中线位置、中心标高等各项参数的观测，随时进行顶进的调整，最大限度地降低顶进轴线的偏差。安装节管作业时，在工作井上设置起重设备，由其将球墨铸铁管吊入井中，在起吊之前，进行铁管的质量检查，确定有无裂缝、平直度是否合格，最后准确地吊装在轨道上，并注意对准管口。

3.2 安装顶铁

在完成球墨铸铁管安装后，在顶进侧的铁管口安装U形顶铁，增加管口受力范围，形成对管壁的保护作用［4］。顶铁与管口大小相吻合，保持其中心线与管道轴线的相切合，顶铁与管道之间增设木板，作为接触面受力的缓冲，保证两者受力的均衡，完成安装后，立即锁定，同时清理干净导轨与顶铁表面。在顶管作业过程中，顶铁附近不可有人员滞留，并高度关注顶铁的工作状态，及时发现顶进异常，保证顶管作业的安全。

3.3 进洞技术要点

首先，在工作井中确定顶管洞口位置，然后向前挖大约50cm，启动顶管机，将机头缓慢向洞口移动，直至刀盘完全进洞后，安装好止水圈。启动顶管机运行，测量土压为0.1MPa、出浆机土压为0.08MPa时，顶管机开始进入顶进作业状态。在顶管机刀盘切削土层时，机头转动形成反作用力，使轨道与其之间的摩擦力增加，机头顶进轴线易出现偏移，应在顶管机入土之前，在轨道上安装限位设备，并将顶进速度设定小于50mm/min，防止刀盘旋转形成过大的作用力。在顶进超过2m后，如果机头旋转不够顺畅，缓慢增加顶进速度，机头未入土之前，土压应维持在40kPa左右，直至机头完全进入土中，开始下第一节管并进行封闭处理。

3.4 顶进施工技术要点

在完成进洞准备后，将安装好的第一节球墨铸铁管进行顶进作业，使用千斤顶施加作用力，促使第一节铁管进入挖好的土洞中，完成第一节铁管顶进后，留出大约0.4m左右，用于与第二节铁管连接。将千斤顶退回，拆除顶铁［1］，进行第二节球墨铸铁管的安装与顶进，重复上述施工过程。当机头即将到达接收井之前，大约在25m的位置时，进行轴线的检测，以确定机头在接收井中的位置。为了保证进入接收井的安全，应与工作井使用相同的封堵措施，在接近接收井的洞口时，将机头出口位置的井壁挖开，在进洞后，立即分离机头与节管，同时，使用水泥砂浆填充管壁与土层之间的缝隙。

3.5 出洞技术要点

机头在即将到达接收井之前，在接收井出洞口的位置，找准时机，也就是顶管土压、水压消失的情况下，机头停止作业，在接头管的中心位置打入一根钢钎，然后检查好顶进轴线，开动主顶油缸接着进行顶管［5］。当机头露出后，关停顶管机，开始进行接收作业，将机头取出放在托架上，在接收井上方使用起重设备吊出，完成整个顶管作业流程。

3.6 设置监测与通信系统

泥水平衡顶管施工需要地上与井下之间的作业协调，应保持通信的通畅，因此，地上指挥中心、接收井、工作井、顶管机等各配置一部对讲机，用于顶管作业过程中的沟通交流。此外，为了保证顶管作业的安全及作业指挥调度协调的时效性，在施工现场的地面、井下、管道等位置设置了实时监控系统，提高施工过程的管控力度。

3.7 顶管测量质量控制

3.7.1 轴线测量

顶管作业比较容易出现的问题是顶进轴线与设计轴线出现偏差，应在顶进过程中随时进行轴线的测量。一般来说，每顶一个节管测量一次，但是，为了避免出现顶进偏差，应根据顶进作业的实际表现随时进行测量，并要做好复测工作，以便于及时纠正偏差，加快顶进的进度。在顶进轴线测量中，选择使用激光经纬仪跟踪顶管机中的光靶，测量人员可以随时获取顶进的轴线测量数据，每完成一节顶管作业，回测一次轴线数据。高程测量的是顶管机中心标高，然后参照设计标高，借助水准仪进行测量和调整，以形成对顶进高程的有效控制。

3.7.2 顶管动态测量

顶进的节管必须保持与设计轴线的一致性，为了避免节管出现位移偏差，需对顶管进行动态测量，以便及时发现推进偏差并进行纠正。在节管推进土层之前，每前行30cm，测量一次，完全进入土层之后，每前行100cm，进行一次顶进姿态的测量［6］，以提高调整的频次，实现推进轴线的精确控制。在动态测量过程中，一旦发现轴线偏差，立即进行调整，并且在出洞、进洞等关键施工环节需要保证测量的精确性，并合理增加测量频率。

3.8 监测措施

3.8.1 地表监测

地表监测主要是在顶管的初始时期，在顶管设计轴线的位置，间隔4m 设置监测桩，主要监测的内容是地表隆起或是沉降，统计记录顶进过程中的这两项参数，以作为调整顶管机作业参数的依据，主要有推进速度、土压力等。

3.8.2 沉降监测

使用水准仪对监测点的高程进行测量，测量高程数据与原始高程进行比对，并绘制出沉降曲线，预测曲线的发展趋势，设定沉降阈值，当发现沉降量超出该值后，应立即停止作业，然后对获取的数据进行汇总，开展调整措施的分析，制订出有效的解决方案。

3.8.3 监测频率

根据顶管作业的进度进行监测频率的设定，一是顶管机顶进初期，在距离监测点约20m时，进行3次以上的监测；二是顶管进入监测点20m 范围后，每过1h监测1次，当监测到沉降或隆起参数不稳定的情况下，增加监测的频率，开展持续性的监测，将监测的数据进行整理、汇总、统计，绘制出变化曲线，预测发展结果，并上报给项目管理部门进行研究解决。

4 结语

在市政工程中应用泥水平衡顶管施工技术，具备以下优势：一是该技术不受地表事物的限制，在施工沿线设置工作井与接收井，地下作业对土层扰动较小；二是顶管施工与明挖施工相比，开挖与回填作业量少，加快了施工进度；三是在管道埋设深度过大的情况下，泥水平衡顶管施工的成本低、施工操作简单、施工效益表现良好。基于此，在市政工程管道工程施工中，结合施工沿线的土质状况及地表建筑和公共设施情况，深入分析研究该施工技术，明确技术应用的要点，保证技术应用的准确性，对于市政工程施工有着积极的影响。