广东某城区污水管网改造工程QC小组活动在减少浅覆土大口径顶管施工地表隆起中的应用

徐云浦 黎大鹏

（中交四航局第七工程有限公司）

1 工程背景

广东某城区污水管网改造工程（首期）项目包括完善排水管工程、改造排水管工程、城中村污水管工程、完善污水管及堤岸加固工程。项目实施排水管网总长120.76km。其中顶管施工17km，占施工排水管网总长的很大比重，顶管施工按照管径分类主要有：DN800、DN1000、DN1200、DN1500、DN1800、DN2400、DN3000。其中大口径顶管总长度4.5km，主要集中在建设一路、三都街工点，平均覆土深度2.5m，其中三都街Y1-Y5段、建设一路Y50-Y55段顶管覆土最浅，约为1.5m。

质量控制小组由施工、技术及测量等工作岗位的员工加入，运用质量管理的理论和方法[1]展开小组活动，基于客观事实，应用统计方法为解决问题的基本原则[2]。

2 课题选择

本项目顶管施工覆土层浅且距离建筑物比较近，部分顶管施工段地下水位较高，传统的施工工艺容易造成路面开裂，从而引发附近建筑物地基沉降等问题[3]。根据现场情况，以及小组会议讨论论证后，决定选择“减少浅覆土大口径顶管施工地表隆起”为课题。该小组在2021 年3 月1 日至6 月10 日，围绕该课题展开活动共计20次。

3 目标设定及可行性分析

2021 年3 月11 日，对Y68-Y65 路 段DN3000 顶管 进行试顶，全程监测顶管沿线路面开裂情况、隆起沉降情况。本段施工场地较为空旷，周边无建筑物。沿线在固定距离取共计6 个点，通过对本段顶进数据的采集，结合路面实际变化情况，制成表1 进行分析。本试顶段顶进距离150m，覆土深度在2.2-2.6m 之间，相较于《顶管技术规程》[4]中要求的1.5D覆土深度明显不足。

表1 试顶段路面变化情况汇总

本次QC 活动的目标是减少顶管过程中地表隆起，由原来的150m 间引起地面隆起平均值5.4cm，减少至2.0cm 以内。QC 小组主要成员学历较高，具有良好的科研技术优势，并且多次邀请相关领域的专家进行专题授课，了解相关技术，为本次QC 课题攻关提供良好的基础。此外，参与顶管施工的队伍均为长期进行顶管施工的专业工程公司，配备多名经验丰富的专业顶管操作手以及国内先进的顶管设备，具有多个高难度顶管施工的经验。因此此次QC活动的目标是能够实现的。

4 原因分析及要因确认

4.1原因分析

通过现状调查及原因分析，梳理造成顶管施工质量低的因素，归纳起来有人、材、机、环、法、测六个方面。QC 小组采用头脑风暴法展开讨论和分析研究，绘制因果图（见图1）对问题产生的原因进行分析。

图1 原因分析鱼骨图

4.2要因确认

经过小组成员分工后，通过查阅资料[5]、现场勘查、现场试验等方式，对产生的原因逐一排查，最后确认造成顶管施工质量低的因素主要有顶进速度过快，排泥量不足；地质情况复杂以及土质较硬导致顶管阻力较大。

5 对策制定及实施

5.1对策制定

通过验证找出影响顶管变形量的要因后，小组成员经过反复讨论，总结了顶管施工对路面变形产生影响的原因：地质情况复杂，部分区域土体较硬，导致顶进阻力增大；同时在施工过程中，又无法很好地控制排泥量，强行加大顶力，导致在顶进过程中路面变形难以控制。针对这一系列原因，制定了相应的对策，具体对策措施见表2。

表2 对策措施

5.2对策实施

5.2.1对策实施一：控制顶进速度或增大排泥量

QC 小组成员首先向顶管操作人员进行交底，在保证顶管施工质量的情况下，尽可能控制顶进速度，同时采取其他方法，增加排泥量：吸取试顶阶段的经验，在坚硬的粘性土层中采用高压水枪冲洗机头前部土体，使之可以更快地进入排泥舱，有效地减少了顶力，提升了顶进速度，见表3。

表3 高压水枪减阻前后效果情况对比

5.2.2对策实施二：换填处理复杂土质

首先，QC 小组成员整理了建设一路、三都街的地勘资料，针对所有覆土层浅、地质情况复杂的区段进行现场调查，将实际情况整理反馈，结合数据利用Midas 进行模拟分析，见图2。

图2 Midas模拟示意图

⑴通过地勘等方式获取顶管施工区域土层性质参数，建立模型。

⑵利用试顶数据，模拟大顶管施工工况，对该工况下的土压力进行模拟。

⑶对薄弱或多石块的地段进行开挖换填处理，换填后及时、反复压实，并通过Midas复核覆土压力。

通过在覆土层浅、地质情况复杂的地方进行换填，可以避免土层中的杂物、石块影响顶进，防止杂物堵塞刀盘上的排泥孔，从而影响泥水平衡循环。从施工速度的角度考虑，刀头没有配备滚刀，因而无法切削石块，石块进入泥水仓后，极易堵塞排泥管，不仅会引发出泥速度过慢，还会导致顶力过大，引发其他各类问题。

对石块过多的地块进行换填之后，需要进行反复压实，否则覆土过于松软，不能为顶管机头提供足够的覆土压力，在机头周边土压力的作用下，易使机头前部上浮，难以控制顶进姿态。因此，在换填、压实之后，利用Midas进行模拟复核，保证顶管施工的顺利进行。

通过模拟大顶管的工况，判断出顶管中轴线的最上方最容易出现开裂，针对性地采取复压等措施，从而顺利完成顶管施工，并且可以对开裂、变形出现的部位提前做出预案，一旦施工造成了路面变形，可以第一时间进行修复，避免造成更大的影响。

5.2.3对策实施三：减少顶进过程中的阻力

⑴在顶管施工过程中最通用的减阻措施就是触变泥浆的使用。QC 小组成员首先对当前使用的触变泥浆各项参数进行了测定，又结合当前土质情况对泥浆的各项参数提出了理论上的优化方案，并通过实验应用于施工现场。通过查阅相关资料并结合施工经验，小组成员确定了影响泥浆最主要的各项指标有：

①失水量：一定体积的泥浆在0.69MPa 的压力下滤出的溶液体积。失水后泥浆固相颗粒附着在一起形成“滤饼”。顶管施工中要求触变泥浆的失水量≤25cm³/30min，滤饼致密完整。

②析水率：触变泥浆静置24h 后从浆液中离析出来水的体积与原泥浆体积的比值。施工中要求触变泥浆析水率为零。

③密度和pH：泥浆密度过低无法支撑地层，过高则会导致流动性较差。泥浆呈强碱性时，泥浆不稳定，会出现分层现象，而过酸则会腐蚀管材。通常要求密度为1.05～1.16g/cm³，pH在8～10之间。

④表观黏度和塑性黏度：反映泥浆网架结构强度的大小，其大小适中时泥浆网架结构强度较高。

⑤静切力和动切力：触变泥浆在静置状态时克服其内部摩擦作用而发生流动所需要的最小剪切力为静切力(初切力和终切力)，其中使泥浆处于层流流动状态时所需要的最小剪切力为动切力。

⑥触变性：评价泥浆质量良好与否的重要性能指标，触变性较强的泥浆减阻效果较好。

⑦动塑比：衡量泥浆剪切稀释特性的重要性能指标，反映剪切稀释作用的强弱。

QC 小组成员经过一系列的实验，测定了原用泥浆及优化方案，见表4。

表4 泥浆优化前后参数对比

⑵在管壁外侧进行刷蜡减阻，所涂蜡油是一种液体聚合物，能够快速提高泥浆黏度。按照蜡油与水的比例约为1:2.5 将蜡油化开，调整pH 值至9，使蜡油整体呈弱碱性。

在加入膨润土时将一部分蜡油，以缓慢、稳定的速度加入，并充分搅拌均匀，将另一部分蜡油均匀涂抹在管壁周围。这种做法可以保证触变泥浆的参数不会受到蜡油太大影响，同时将蜡油涂抹于管壁周围，当触变泥浆随注浆管流至管壁周围时，又可以与蜡油充分融合，提升黏度。

⑶使用钢片将1～5 节管节连接起来，此方法有效地增强了机头部分管节的连接性，使之成为一个整体，更有利于控制顶管顶进的方向，使之在软弱地层中可以稳定顶进。顶管管节的接缝处需要采用水泥砂浆进行抹平，其作用为：第一可以防止接缝处渗漏地下水；第二可以保持各个管节之间相互连接成为一个整体，更有利于维持良好的顶进姿态，使管道保持一个稳定的坡度。

⑷为防止触变泥浆在注浆孔发生渗漏，项目部针对注浆孔进行了创新性的改进。相比于在注浆孔内只设置止逆阀的现有方案，增加了鸭嘴阀并用延长管将鸭嘴阀与止逆阀连通为整体，通过鸭嘴阀和止逆阀组合的双重单向阀门结构来增强止逆效果，增强了注浆孔的密封性，避免管道外侧的减阻泥浆或微膨胀水泥砂浆沿止逆阀与注浆孔内壁之间的缝隙渗透进管道内。见图3。

图3 新型注浆孔剖面图

6 效果检查

6.1质量检查

QC 小组成员对在实施对策阶段（2021 年5 月1 日-30日）完成的Y1-Y5段、Y39-Y65段顶管施工质量进行了全面统计，其结果见表5。

表5 大顶管施工稳定情况汇总

从表5 可以看出，路面平均隆起值为1.11㎝，只有Y52-Y53 段出现轻微隆起开裂，项目整体达到了预期效果，实现了课题目标，效果对比见图4。

图4 QC实施前后顶管施工地表隆起值对比图

从图4可知，QC活动的实施有效地提升了顶管顶进姿态的稳定性，提高了施工质量，并且对于顶进的精准度有很大的提升，最大程度地减小了顶管施工对路面及周边区域造成的影响。

6.2经济效益评估

对三都街Y1-Y5 段、建设一路Y39-Y65 段顶管施工进行成本费用统计，见表6。本次QC活动能够产生的直接经济效益为256680元。

表6 QC活动经济效益

7 结语

此次QC 小组活动，有效地减少了路面隆起、开裂，保证了顶管施工的稳定性，并取得了良好的经济效益。为提高成果的有效性和持续性，QC 小组举行培训班和成果交流活动，使全体施工管理人员和作业人员熟悉大顶管施工工艺和质量控制措施，使活动成果得以在整个工程施工中全面推广，同时为其他同类工程提供借鉴。