提高大管径泥水平衡顶管作业施工速度的策略分析

董永刚

（广东水电二局股份有限公司，广东 广州 510000）

0 引言

目前，随着城市化的推进，城市管网出现许多问题，地下管网工程项目也越来越多，而以往进行开槽施工的工艺会影响道路交通，其工作面也比较大，因此，当下采用泥水平衡顶管作业工艺的工程较多。

1 大管径泥水平衡顶管作业工法的特点

大管径泥水平衡顶管作业工法的特点包括以下5 点：①该作业工法本身属于非开挖施工工艺，因此具有颇强的地下穿越能力，实际施工主要在地下作业，占据的地上工作面不大，在城市进行施工时十分便利，且管道周围地层进行施工作业时也不会产生过大扰动，基本可维持土体挖掘面的平衡与稳定，实际损失的土层较少，也不会造成地表面的过大变形。②该工法本身作业施工的进度较快，能够有效进行连续作业，保证施工速度，且施工作业性能较好。③作业工法实际施工的总顶力较小，因此可以实现长距离的顶进，比一般的顶管工法作业更加稳定。④若工作井的实际作业环境条件较好，那么可以安全地进行顶进作业。⑤实际作业过程中对周围环境的破坏和污染较小，一般不会影响道路交通，不会给周围建筑物带来扰动，施工时也不会产生较大噪声，并且因为所使用的技术比较先进，实际施工具有较高精度[1]。

2 大管径泥水平衡顶管作业的适用范围及工艺原理

从大管径泥水平衡顶管作业适用范围来看，其一般被应用在多种大型或中型的地下管道施工中，而且其适用的管道类型为钢管、混凝土管道、球墨铸铁管道以及玻璃纤维加强管道等。这种作业工法还适用于多种复杂的土质条件中，尤其是在一些地下水较高或是水压力值变化较大的土质条件下，能够发挥出很大优势。该项工法的工艺原理是利用专用泥水平衡顶管机在工作面上实施顶进，借助泥水压力来平衡土压力和水压力，再利用出泥舱来调节泥水压力，保证开挖面的稳定性，顶管机最终会将弃土以泥水形式排到机械外，并且在不进行地表开挖条件下将铺设的管道使用液压顶从工作坑中顶进，最后直接进行管道铺设即可。其整体操作为非开挖顶管工程，具有很多优势，但其实施过程较为复杂，为了尽可能保证施工效益，还需在保证作业质量基础上提高作业施工速度[2]。

3 大管径泥水平衡顶管作业施工速度提高的策略分析

为了探析大管径泥水平衡顶管作业施工的特点，本文以某水利工程的相关作业为案例进行研究。该工程的顶管内径为2.4 m 左右，主体工程为泥水平衡顶管施工工程，其实施目的在于修复当地水环境。通过案例研究，本文在提高作业施工速度方面具体提出了以下4 项策略。

3.1 严格遵循施工工艺流程并把控操作要点

大管径泥水平衡顶管作业过程中，应先选定相应线路，再对各个标段的接收井以及工作井位置加以明确，随后依据设计的规范工艺流程来执行施工，同时把控各施工环节的操作要点，即可尽可能提高实际施工速度，具体施工工艺的操作要点如下。

3.1.1 做好施工准备

（1）准备好施工资料。在正式开展施工之前，将图纸设计交给设计单位开展会审和交底工作。若发现图纸存在问题，应第一时间要求设计方做好修改，保证后续施工不受影响。还要详细了解工程施工场地的状况，包括周围建筑物分布、地形地貌特征以及一些管线和基础设施布置情况，并将这些整理为相应资料。同时要勘察工程地质并撰写报告，还要准备好水文和气象的资料[3]。

（2）开展施工测量工作。结合实际施工场地的测量控制点高程及坐标来进行现场测量控制点的有效布置，同时也要设置测量的永久控制桩，保证测量工作顺利开展。

（3）做好接收井和工作井的施工。其中工作井施工是重点，应当保证工作井具有较高强度，避免顶力和周边水土压力导致其发生变形，而且在确定结构形式时也要充分考虑施工区域的地下水状况以及顶力大小。

（4）对顶力进行全面估算。在具体施工之前估算总顶力，再依据顶力情况对设备和材料的实际承受力加以验证，同时明确施工使用工艺。计算顶力过程中需参考给排水工程顶管技术的规程要求，具体计算公式如式（1）所示。

式中：F——标准总顶力值；D——管道外径；L——管道顶进的设计长度值；fk——管道外壁和土之间的平均摩擦阻力；NF——顶管机迎面阻力。

式中：Dg——顶管机外径；rs——土重度；Hs——覆盖层厚度[4]。表1 为管道外壁和土之间平均摩擦阻力的取值。

表1 管道外壁和土之间平均摩擦阻力的取值

（5）做好顶管相关准备工作。首先，要对顶管施工的进洞和出洞位置进行土体加固，保证顶管能够被顺利接收。若实际土质不太松软，可运用门式加固方法来处理，主要提高顶管道两侧部分一定长度及宽度范围的土体强度。避免当使用掘进机时，洞口处出现坍塌状况。若其土质为松软类型，那么可以有效加固一定顶进范围的整个断面。若土质本身比较硬，强度达到标准，那么也可不进行加固处理。土体加固常见的工艺技术包括搅拌桩加固法、注浆加固法以及高压旋喷加固法[5]。其次，为了确保接收井和工作井能够到位且顺利实施各项工序，还需在井的洞口位置设置封门结构。可以使用一些强度较高的砖料或水泥材料来做封门材料，当掘进机需从井口进入时，再将封门切削即可。最后，在进出洞口安装止水设施，顶管机在洞口进出操作时可能会出现地下水或泥浆从机械向外涌出的情况。因此为了解决该问题，一定要沿着机械顶进的方向在洞口设置止水设施。一般该设施会被安装在接收机与工作井侧壁的预留洞处，其预留洞的直径应当略大于顶管机外径，且要布置好钢压环、螺栓以及橡胶圈，洞口止水装置的平面图与断面图如图1 所示。

图1 洞口止水装置的平面图与断面图

安装好止水设施之后，还要对顶进后背与轨道实施安装，保证其安装位置的误差控制在5 mm 之内，使其导轨和背铁之间保持相互垂直。还要安装机头，将其吊装到导轨位置处，再进行调整。采取自控系统来调节时，要保证安装的实际数值与系统设备中显示数值的一致性。此外，还需进行工作井顶管调试工作，也需调整其中心桩与高程参数，并检查泥路循环是否处于正常状态。

3.1.2 规范顶进施工操作

开始顶进施工前，先要将洞口的封门切削拆除。顶进过程重点控制机头，当机头顶进土体时，将进排泥泵和大刀盘打开，随后将机头入洞过程中的速度控制为3～5 mm/min，这个过程还需严格把控管子的高程和子中心，实际偏差不能超过5 mm，因此速度一定不能过快。当机头顶进到卸管节位置处时应停止，将顶进设备的动力电缆、进排泥泵、进排泥管以及控制电缆等完全拆开，将顶进油缸缩回即可。随后将提前安放好密封环的管节吊下，将其对准位置插入，再将控制电缆、进排泥管路以及动力电缆等连接起来，同时也要将压浆管路接通。启动压浆泵、顶管机、进排泥泵以及主顶油缸，再实施顶进操作。当顶进500 mm 左右时开始进行顶进测量，随后每顶进300 mm 记录一次高程和中心的参数，将这些记录内容汇报给技术人员来处理。为了保证顶进的顺利进行，还需采取一些管道减阻手段。尤其是对于中大口径顶管作业，减阻措施很有必要，可以保证管壁顶进更为顺畅，例如，可以在管外部上涂抹一些废油或是石蜡材料，起到润滑且减少摩擦阻力的效果，在顶管外部和土层之间也可使用合适润滑剂，这有助于长距离顶进的实现。在顶进过程中也要保证顶力的均匀，且不可出现跳动顶进情况，保证顶进效率的提高。管节位置应当预留出一些注浆孔，一般每隔几节管节则设置一节注浆孔，这也有助于提高顶进质量。在管节顶进过程中，也需注意观察多种位置和轴线的指示仪表，并调整其轴线方向，同时结合土压力来控制实际顶进速度。在实施纠偏时，全站仪所发出的不可见光会到达机头中心靶，随后光靶会将偏移情况反馈到控制台，最后再利用千斤顶来纠偏。实际纠偏操作包括3 项要点：①对于大口径顶管作业，使用的光发射装置一般为激光经纬仪，它能准确测量顶管位置，即使在黑暗环境条件下也能有效测量位置位移。②在使用激光经纬仪时也要在工作井内部安装对应发射器，保证该发射器的方向和坡度符合要求。机头处则要安装接收靶标，靶标上存在刻度线，可有效进行偏移的测定。③利用操作室的摄像机来进行激光靶标的观察，获取其刻度与方向信息，即可直接得出相应位移量。

3.2 处理好顶管作业的常见问题

大管径泥水平衡顶管作业具有一定复杂性，因此在顶进操作时常常会遇到多种问题。为了有效提高施工速度，还应处理好顶管作业的常见问题，提前制定应对手段。例如，管道接口常出现漏水及破损问题，对于这种问题，要保证加固工作的有效性，建立起复核制度，全面保证加固到位，发现存在破损隐患时及时保养，且对于使用的相应设备要做好调试，保证机头满足设计所需，还要加强现场施工测量，保证不同部门之间沟通顺畅，及时发现位移类风险隐患，同时相应技术人员应遵循“多次测量、微量纠偏”的原则开展工作，尽可能将危害降到最低。顶管周围也常出现大面积沉降或隆起问题，这可能与机械操作不够规范有关，在进行处理时，应全面考虑作业区周围的建筑物与其他设施状况，实施必要的保护措施，并且安排专业人员全面观察作业时的千斤顶推力，一旦发生异常问题，要第一时间停止顶进，探析异常原因并及时处理，保证推力能够维持前端土体压力处于动态平衡状态。本工程顶管作业中还存在进出洞口封闭时间过长问题，对其采取的改进处理手段为将打桩机上的拉森钢板桩作为支护防止水进出洞口，最终实现单个井位进或出洞口时，控制封闭时间小于10 h，进而有效提高整体作业效率。

3.3 从顶管机着手提高作业效率

首先，在使用液压顶管机之前，一定要做好内部清理工作，保证机械干净后方能够使用。同时要做好设备检测工作，适当调整需要更改的地方，让机械的实际作业更为顺畅。其次，正式操作顶管机施工时，应保证顶管机轴线不要偏离允许误差，以免影响顶管机的工作速度。最后，要尽量避免顶管机停机过长时间，使用中若出现问题要以最快速度解决，保证最佳的实际工作速度。对于本次研究的水利工程项目，共设置了4 台顶管机组同时实施顶进作业，但现有进度无法切实满足工期要求，因而通过对实际施工的记录来探析影响顶管机作业速度的因素，发现主要有以下两个方面因素：①设备故障率较高；②作业时的泥浆清运不够及时。因此，提出有针对性的处理手段：①保证定期开展设备检查工作，同时也应配置备用顶管机设备，在设备发生故障时及时接替工作，避免影响进程。②使用挖掘机来配合清理沉淀后的泥浆，让泥浆比重的抽吸尽可能达到最佳状态，也要对泥浆比重进行跟踪测定，并确保每车泥浆抽吸时间控制在2 h 内。

3.4 处理好施工障碍并提高作业人员素质

在具体顶管作业过程中，若工作面出现障碍物或塌方情况，若发现作业出现管位偏离、倾斜或变形情况，应当停止工作，立即解决障碍，处理好后再实施作业，这样可有效保证作业质量及效率。此外，为了进一步提高大管径泥水平衡顶管作业施工速度，还需提高技术人员素质，选择具有丰富经验的操作人员，把控顶管作业各类注意事项。

4 结语

综上所述，大管径泥水平衡顶管作业工艺有着许多优势，在当前的顶管工程中常被使用，该项工艺的实施无须进行基坑开挖，且不会产生较大噪声和污染，比较适合在城市中使用。经分析，本文提出了大管径泥水平衡顶管作业施工速度的提高策略，包括严格遵循施工工艺流程并把控操作要点、处理好顶管作业的常见问题，从顶管机着手提高作业效率以及处理好施工障碍并提高作业人员素质。