顶管技术在引调水管道工程施工中的应用

唐 军，刘祥军，朱士成

（山东省海河淮河小清河流域水利管理服务中心，山东 济南250000）

胶东引黄调水工程173标段穿辛安河大桥处顶管工程，其穿G228国道、国防通信电缆、给水、污水管网等，顶管所用管材DN2200mm Q235B螺旋钢管，规格为DN2250mm/2200mm（外径/内径），工程勘察资料显示该处土性主要壤土、砂壤土、淤泥质中细砂、中粗砂，顶管长度330 m，设工作井和接收井2座，顶管采用泥水平衡工艺施工，地面至管内底深度6 m左右。

1 顶管工作坑施工

工作坑有钢筋混凝土沉井、钢桩、地下连续墙等类型，应根据工程实际情况，结合顶管管径、埋深、地上地下构筑物、一次顶进长度及后背反力来确定。本工程采用钢筋混凝土沉井施工。

1.1 钢筋混凝土沉井施工工艺流程

确定工作坑方案→场地平整和工作坑测量放样→钢筋混凝土沉井土方开挖→基础处理→钢筋混凝土沉井分节浇筑→钢筋混凝土沉井下沉→钢筋混凝土封底→顶背安装→沉井封顶。

1.2 钢筋混凝土沉井制作和下沉

工程沉井设计由工作井和接收井构成，沉井土方开挖前要先进行场地平整，对设计交付的坐标、水准点、高程桩进行复测，复测无误后按设计沉井位置坐标测量放样，并做好水准点（易设置多个水准点）和控制点的保护工作。基坑开挖深度为2.5 m，基坑开挖边坡按1∶1，基坑开挖不得挠动原始基底土层，若出现超挖时不得用土回填。基坑基础处理采用30 cm厚中粗砂垫层，按规范要求分层回填夯实，用平板振动器振捣密实，砂垫层平整度一定要控制在±10 mm以内。钢筋混凝土沉井采用分节浇筑，浇筑时用插入式震动棒做好分层振捣，严格控制混凝土浇筑质量。沉井采用一次下沉的方法进行施工，下沉采用人工挖土下沉，卷扬机吊土（如地质情况为流砂土时宜采用冲水下沉）下沉过程中，要加强观测和资料分析，每2~4 h观测并记录一次，尤其下沉快结束阶段要加密观测，当发现倾斜或者偏移时要及时纠正，并做好测量复核工作，确保中心线与设计一致；做好下沉观测点标示，当沉井下沉过快、过慢时要分析原因，采取调整刃脚挖土或更改是否排水下沉方法等措施。沉井下沉至设计高程时，要至少观测沉井8~12 h，累计下沉降量不大于10 mm时，才可以进行封底施工。

2 泥水平衡顶管施工技术与控制

2.1 施工工艺流程

施工准备（测量放样）→顶进设备安装（导轨安装、洞口止水安装、后座及千斤顶安装）→出洞（注浆设备安装、拆除挡板、出泥设备安装、通风及照明设备安装、千斤顶顶进）→顶进施工（轴线控制、注浆、出泥、纠偏、记录）→管道焊接（钢管打坡口、焊接、防腐）→进接收井→顶管结束（泥浆置换、测量复核、设备拆除）。

2.2 掘进机选型

本工程顶管地质条件较复杂，且穿越壤土和砂壤土，淤泥质中细砂和中粗砂。按照设计要求和工程地质条件，宜采用泥水平衡机头。泥水平衡掘进机具有沉降控制精度高，顶进速度快，便于操作和维修，施工可靠性较高。

2.3 顶力（推力）计算

其中：F为总推力；F1为迎面阻力；F2为顶进阻力。

F1＝πD2P/4（D为管外径；P为控制土压力）

式中：K0为静止土压力系数，取值0.80；H0为地面至掘进机中心的厚度，取值5 m；γ为土的湿重量，取1.9 t/m3。

式中：f为管外表面平均（根据顶进距离）综合摩阻力，取0.45 T/m2；D为管外径；L为顶进长度；F2＝404 T。

总推力F=432.9 T，经测算比较工作井所能承受的最大顶力不能满足要求，因此在考虑主顶进设备（4台200 T级油缸）的基础上，需要设计中继站分段逐级顶进，按每70 m增设一个。

2.4 泥浆系统

1）注浆设备。工程采用BW-160压浆泵。

2）压浆工艺流程。泥浆拌浆→打开总管阀门→打开管节阀门→启动压浆设备→送浆→关闭管节阀门→快速拆开接头→拆下管节→接到总管→重新循环→泥浆拌浆。

2.5 测量控制系统

1）地面控制。在顶进过程中，要根据设计提供的基准点，利用J6经纬仪在工作井和接收井布设控制点，并将控制点引入工作坑深坑中，用来控制管道的方向和高程，在顶进过程中要定期进行复测，确保无偏差。

2）顶管内控制。管道内轴向测量采用导线测量法，选用激光导向仪。本工程在顶管后座处架设测量平台，在掘进机尾部安装测量光靶。通过机头内自带的倾斜仪，计算出机头实际工作运行状态，每一节（6 m）管至少进行一次轴线测量，并定期进行轴线复测，做到边施工边测量边纠偏。顶管内通常采用水准仪、全站仪、连通管来进行水准测量。

2.6 顶进施工

在顶管顶进施工前，应进行导轨、后座、顶管机、洞口止水装置及施工用电、用水、排风、排水、通道、照明等设备安装并试运转。顶进时要通过调整千斤顶合力中心来控制初始偏差，确保掘进机机头状态稳定、轴线顺直。顶进过程中在管内安装压浆管，每间隔6 m设三通阀门接至注浆孔，用软管将阀门与总管连接起来。压浆时必须严格按压浆操作规程操作，压力控制在0.1～0.6 MPa，且遵循“先压后顶、随顶随压、及时补浆”的原则。在正常顶进作业中，控制人员要通过监控显示器上仪表的数据进行适当调整，主要操纵包括控制切削刀盘位移、调整土压力、纠偏油缸伸缩，操纵泥浆截止阀、操纵泥浆流向变换和旁通阀等。顶进过程中加强对需保护的建筑物及管线的施工监测，确保工程和周边环境安全。如在顶进过程中检测数据发现超过预警值，要及时通知项目法人、监理单位、设计单位，并研究制定应急方案，采取应急措施，防止发生质量、安全事故。在掘进机顶进至距接收井10 m时，组织一次对轴线和高程的全面复核，经过确认无误后，做好接收井内的各项准备工作，当掘进机机头进入到接收井井壁后，停止压浆。

2.7 注浆

顶管施工结束后对管道置换注浆加固防护，注浆采用水泥—水玻璃浆液，水灰比0.6，浆液配比为水泥水玻璃=1∶0.6,水玻璃模数2.4～3.4，浓度大于35度，水泥浆搅拌时间要大于120 s，注浆压力大于0.25 MPa，小于0.6 MPa，注浆速率为30 L/min，压浆由深而浅连续进行,每次提管高度为0.3 m，注浆一经开始应保持连续进行，避免中断。

3 结语

采用顶管技术施工有利于周边环境协调与迁占，大大降低了手续办理难度及拆迁成本；不阻断国道，有利于缓解国道交通压力；不需要大开挖，减少了土方开挖工程，有利于扬尘及大气污染防治控制，减少环境污染；节省了工程投资，缩短了工程工期，取得了良好的效果。