泥水平衡顶管施工工艺探讨

冯 斌

（长沙市公共工程建设中心，湖南 长沙 410000）

0 引言

顶管施工在如今的市政、长输管道的施工中应用尤其广泛，是一种非开挖敷设管道的施工方法。顶管施工主要是在土层下面进行工程的作业，不需要进行大面积的开挖，对施工周围环境的影响较小，施工的工期较短。顶管施工的范围比较大，比较适用于土质好、挖掘面稳定、地面沉降较小的情况[1]。该方法主要借助顶进设备在工作坑内产生的顶力，将管道与周围土壤产生的摩擦力消除，根据设计的线路将管道安装到位，之后将多余的土方清理干净，并及时运走[2]。完成一段管道施工之后，再继续顶进下一段管道。整个工作原理就是利用主顶油缸、中继间的推力，将工具管或者是掘进机通过工作坑向土层进行推进，直到进入接收坑内被吊起为止。随着工具管或掘进机进入接收坑，管道也随之进入接收坑，在两个工作坑之间进行埋设[3]。图1 为泥水平衡式顶管工艺原理。

图1 泥水平衡式顶管工艺原理

1 施工工艺流程及操作要点

1.1 施工准备

在进行施工前，相关人员需要熟悉合同文件、设计文件、规范和标准，根据相应的施工工艺图和施工流程进行严格审查，防止在施工过程出现一系列的问题。另外，施工前应进行现场勘察，掌握管工程建设周围的地形、水文地质、地上及周边建筑物、地下管道、障碍物等环境，再对原始信息进行详细的核实确认，必要时，重新进行工作坑的调查和勘探。地面和地下勘察控制系统应到位，以确保控制点不易受到干扰，同时还有利于相关人员开展检查工作。施工影响区内的地表、相邻建筑物和管道应设置监测观察点。参与施工的单位和人员应当进行施工前资质审查，同时对各级施工人员进行相应的培训教育和安全技术交底[4]。

1.2 测量、纠偏

管道测量需要在观景台上安装激光经纬仪，经纬仪发射的激光束提前预设好位置，且满足工程施工过程中的要求。发射的激光束用作引导圆柱体的参考线。测量控制的原理是在机械掘进过程中，掘进机测量目标的中心始终与激光光斑的中心重合，以确保掘进机顶部的推进方向符合设计方向。如果掘进机在施工过程中发生偏转，相应的激光光斑将远离目标中心。偏差测量目标的图像将传输到控制台上的监视器，使检查员能够检测偏差并采取纠正措施。纠偏磨削应按照“经常测量、频繁磨削、多次微调”的原则，磨削角度应小于0.5°，并提前设置偏差警告角。在拉管机的上、下、左、右方向安装校正油缸，通过4 组油缸进行4 个方向的校正工作，观察并持续测量目标图像。若偏差超过20 mm 且有扩大的趋势，则应停工进行偏差测量。应缓慢校正偏差，以便逐渐将管道连接重置为零，不允许大幅度的纠偏作业[5]。

1.3 顶进工艺

顶管是否成功的关键在于顶管进出洞的环节处理上，所以，在掘进机进洞之前，必须做好洞口的防护工作。通常在预留洞的周围打入膨胀螺栓，间距保持200 mm，然后将超过预留洞600 mm 的橡胶圈沿着外边150 mm 的位置在膨胀螺栓上进行固定。掘进机进洞之前，将多余的橡胶圈放在预留洞内部，然后才能让掘进机进洞。要做好地下水和流砂的处理，防止其涌入井内，以保护预留洞的洞口。在掘进机头进洞之前要对所有设备进行全面的检查，确保试运转没有问题，止水胶板安装位置核对无误，外夹板安装牢固才能进洞。进洞的时候，要观察止水胶板，确保其均匀压入，没有出现翻转和破损等现象。掘进机出洞的时候，要严格地对出洞时的顶进偏差进行控制，中心偏差要控制在50 mm 以内。如果以上条件不符合，就需要将掘进机拉出来，再次进行调整。

1.4 中继站技术措施

充分利用中继站的技术措施，可以有效解决泥水平衡顶进施工中顶力不足的问题，适用于长距离施工。在连续顶进的过程中，管道的摩擦阻力也会增加，此时，使用中继站可以有效分担主站的开机压力。管道可通过设置多个中继站分段施工。此时，总站只负责最后一段管道顶进，可以有效保证管道顶进的施工进度。

1.5 地下管线沉降保护措施

在从管道外的第一段钢管进入土层时，施工还需要保证核对的切割头推力值与泥浆压力差值保持在合理状态。合理使用泥水平衡工艺能够调节开挖的结构稳定性。通常情况下，当该工艺运用在较软弱地层时，施工人员能够将平均地层结构损失控制在2%以下，从而有效减少泥浆发生板结的概率。此外，厂家要对驱动装置通电误差趋势进行科学分析，通过合理地调节纠偏角度，将驱动系统的误差控制在30 mm 之内[6]。图2 为施工工艺流程。

图2 施工工艺流程

2 泥水平衡顶进施工工艺

2.1 普通泥水平衡顶进工艺

泥水平衡顶进是利用泥水压力来平衡顶进工作面的水压力和土压力，采用机械掘进技术。通过掘进机的掘进刀盘掘开土层，将削切下来的土壤在泥水舱与水混合成泥水砂浆，排泥管不断地把掺有弃土的泥水砂浆排出泥水舱。而泥水砂浆舱也要保证相应的压强，使掘进机在有泥水压力的情况下向前钻进。

该工法层次明确，操作简单，工作安全，易于掌握，能够对复杂多变的地下状况进行迅速反应。顶管在地面运行，安全、直观、简单。适合的土壤范围广泛，软泥、黏土、细砂土、砂砾土、硬壤土等均能应用。施工精度高，上、下、左、右均可补偏救弊，最大纠正偏离角达到2.5°，且能做较远距离顶进。对管体周围的土体扰动较小，地面沉降少，道路交通及构筑物相对安全。操作坑内施工环境较好，采用泥水输送弃土，没有吊土、搬运土方，施工无安全风险。但该工艺要求土中的砾石直径不大于6 cm。图3 为泥水平衡顶管施工工法。

图3 泥水平衡顶管施工工法

2.2 岩石机顶进工艺

岩石顶管顶进是一种以全断面切削土体，并将土中的大颗粒砾石进行粉碎，以泥水砂浆加压结构来均衡土压与地下水压的压力差，并将泥水砂浆作为输送弃土介质的机械自动化顶管施工法。

岩石顶管机顶进系统主要由掘进机（包括二次破碎设备）、作业平台和附属设备组成。可编程控制柜安装在机头内部，地面操作平台发出动作信号控制机头动作，随着工具管的前进，切割盘不断旋转，进水管不断供应泥水，排泥管不断排出泥浆水箱中混有废渣的泥浆。

掘进机刀盘由位于主轴左右两端的电机驱动。当掘进机工作时，刀盘旋转以切割土壤和砂砾，同时进行偏心运动以压碎石头。只有当泥仓与泥仓间隙较小时，碎石才能进入泥仓，并从排水管排出。一般情况下，刀盘每分钟旋转4～5 次，刀具旋转1 次，偏心破碎动作达20～23 次。由于机器的特殊配置，因此它的破碎能力可破碎直径6 cm 以下的石块，破碎的强度可达100 MPa。遇到风化岩层或大粒径砾岩需要二次破碎，第一次掘进滚刀破碎将砾岩破成大块，进仓后二次破碎将大块砾岩破碎成直径小于6 cm的小块与泥浆一起排出，即使是直径16 cm 的石块也可以绞碎。若出现较大孤石，由于并非全断面流砂，可采用加大泥浆浓度、加大刀盘旋转速度并同时降低机头推进速度的方式，将较大石块绞碎，之后恢复顶进。

需要注意的是顶进过程机头容易出现下沉。如果工程的施工地段在粉细砂土的区域，在顶进过程中很容易出现顶管机偏下走的情况，即使及时地进行纠偏处理也很难进行改善。其主要的原因是顶管机本身的重量过大，在工作的时候很容易产生过于剧烈的振动，从而影响土质，使其液化，进而削弱了其应有的承载力。或者由于碰上了两个不同性质的土层，而下层的土质太软，泥水压力很难进行有效的控制。为了解决这个问题，最好的方法就是放慢施工的进度，将泥浆浓度调低，或者将顶管机的机头略微向上进行调整，就能较好地解决机头下沉的问题。另外，泥水管容易出现堵塞。在施工的过程中有时会出现泥水管的沉淀或堵塞的问题，这样就会影响泥水管当中泥水的正常流动，进而影响顶管机的正常推进。出现这样的问题主要原因是排泥泵的效率过低，不能产生足够的流量，使临界的流速高于泥水管内的实际流速，从而出现泥水管堵塞的现象。同时，在顶管机停止工作的时候，没有将管内进行彻底的冲洗也会堵塞泥水管。针对以上的问题，可以通过以下的应对措施来进行有效的解决：①进行泥浆的净化，使泥浆的冲击力得到提升，结合施工的具体情况，适当地加大送水量；②全面检查排泥泵的性能，及时更换那些不符合标准要求的排泥泵，在停止推进作业的时候，认真冲洗排泥管道，避免出现管道的沉淀和堵塞。

3 结语

综上所述，随着现代城市建设的不断完善和发展，泥水平衡法顶管技术已经比较成熟，其安全性和可靠性均有保障，而且施工的优势比较明显，因此使用范围比较广泛。随着我国建筑施工工艺的不断发展，顶管施工的作用将更加突出，其应用效果也会更好，这就需要相关的施工技术人员不断进行泥水平衡顶管技术的探索，严把质量关，使泥水平衡顶管施工工艺得到更广泛的应用。