大管径顶管工程重难点分析与对策

申 志

（河南省河川工程监理有限公司，河南 郑州 450016）

0 引言

当前全国大力发展调水引水工程，作为世界各个行业应用最为广泛的顶管工程，顶管技术在我国不同地区也得到了更多的应用和发展。顶管工程是继盾构施工之后而发展起来的一种地下管道施工技术，上海市政工程设计研究总院在2008 年起草并颁布了“给水排水工程顶管技术规程”对前期的施工条件、施工要求、施工数据作了具体的规范化要求，使该技术应用更加广泛[1]。2008 年国家质检总局发布了“给水排水管道工程施工及验收规范”不单单使顶管技术施工得到了规范化，更加重点地给出了验收标准，从而更加保证了整体的工程质量[2]。“沉井与气压沉箱施工规范”在顶管施工过程中起着重要作用，结合顶管工程工作井和接收井所处位置地质情况以及沉井结构要求，相互结合从而保证了施工进度和施工安全[3]。随后，越来越多的学者进行了对该方面的问题进行研究，董永刚等[4]对提高大管径泥水平衡顶管作业施工速度的策略进行分析。胡诗龙等[5]研究了浅埋深富水土质下大管径泥水平衡顶管施工工法。封晓辉[6]等针对某供水工程大管径顶管施工引起地面沉降问题进行了思考本文在前人的研究成果的基础上，从具体的行为规范，施工条件，顶管技术施工过程控制，工程验收规范等多角度阐述了顶管施工技术具体实施方法，希望给同行业的工作者能带来更多参考价值。

1 工程概况

引江济淮工程穿越盐洛高速顶管工程长度130m，顶管段采用双管平行布置，两管中心间距39.5m。顶管采用顶套管＋内穿钢管的布置型式，套管采用DN3500 顶进用大口径钢筋混凝土Ⅲ级管（DRCP Ⅲ管），内穿DN3000 钢管，两管间采用C15 自密实混凝土填充。顶管起始处分别设置工作井和接收井，工作井、接收井均采用圆形断面，直径均为11.68m（内径），壁厚1.2m，井深20m，底板浇筑后工作井深17m，顶管管道中心高程27.474m。根据高速公路管理部门要求，为避免扰动高速公路路基，破坏高速部位地下水平衡，穿越盐洛高速施工期间不得降水，沉井周边布置双排高喷防渗墙，并对始发区和接收区采取了高压旋喷灌浆加固处理。

场区在勘探深度范围内，揭露地层主要为第四系全新统上段（Q42al）、下段（Q41al）及上更新统（Q3al）冲积地层，各地层多具水平层理，具有岩性不均匀、岩相变化快的特征，顶管轴线主要位于粉细砂层，地质均匀，但渗水性强。

2 顶管工艺选择

目前机械顶管的主要方法主要分为两种，分别为泥水平衡顶管施工方式和土压平衡顶管施工方式。其中土压平衡利用土体的流动性、塑性以及止水性等方面的特性对土层和地下水层的压力 进行平衡，并将土体通过螺旋输送的方式排出。该工艺方式的优势为，安全性能高、应用范围广，后续不需要特殊处理。但是也存在一定的不足，如果需要长距离顶进，会被排土方式限制，影响顶进效率。虽然可以通过碾磨的方式进行泥浆输送，但是对设备的要求高，投入大，顶管内空间布置困难。泥水平衡式顶管机的原理为，利用机械内的压力和比重对土压和地下水的压力进行平衡，弃土需要通过泥浆管排出。该项技术方式具有土质适用范围广，施工速度快、安全性能高等优势，特别是对于长距离和水源充沛位置的顶进效果为佳。但是如果施工范围内缺乏泥浆排放场地难以采用这种施工方式。而且在泥浆输送中需要投入大量的成本。本项目位于高速公路两侧农田内，场地宽阔，具备设置泥浆池的条件，故本项目顶管掘进机采用泥水平衡顶管掘进机，该设备具有沉降控制精度高，顶进速度快，便于操作和维修，施工可靠性好等特点。并且根据大量施工实践，顶管厂家改进设计了主轴密封，采用双道密封形式，从而解决了主轴密封性能不可靠的难题。

3 大口径顶管沉降控制重点分析及对策

3.1 重点分析

（1）高速公路附近禁止降水，对保证沉井施工过程中地下水位稳定，不出现明显地下水位下降是本项目的施工重点。

（2）顶管管径较大，开口断面面积达14m2，顶进过程中，对土体扰动较大，对高速公路地基变形要求严格，控制地基变形是工程关键。

（3）顶管施工前对顶管涉及一定范围内砂土及以上部分土层进行注浆加固，确保注浆加固效果对于控制高速公路地基变形是本项目重点。

（4）顶管穿越高速公路，车辆通行频繁，且高速公路管理部门对地面沉降精度要求高，正常保通的情况下施工控制难度大。

3.2 对策及措施

为解决本顶管工程周边及沿线沉降问题，并快速、顺利完成顶进施工，主要从沉井、地基加固及顶进等工序做好相应的应对措施。

3.2.1 沉井施工措施

（1）设置防渗墙。结合顶管工程工作井和接收井所处位置地质情况以及沉井结构要求，为减少下沉时对周边土体扰动及渗水、涌砂情况发生，根据规范规定，在沉井周边提前布设双排高压旋喷桩防渗墙，连环套接成墙，保护沉井周边土体稳定。

（2）根据渗水情况分段下沉。穿越盐洛高速顶管工作井及接收井总高度20m，根据沉井结构采取四节制作：第一节制作4.08m，第二节制作5m，第三节制作5.5m，第四节制作5.42m；两次下沉：第一次下沉9.08m，第二次下沉10.92m 至设计高程，深井施工布置如图1 所示。因沉井周边布置双排高压旋喷桩防渗墙防渗，为加快施工进度，第一次下沉采取排水下沉施工；因沉井底部未采取防渗封底措施，第一次下沉后沉井底部出现渗水情况，故第二次下沉采取不排水下沉，保持井内水位不低于周边地下水位，避免出现沉井周边下沉及塌陷情况发生。

图1 深井施工布置图

（3）严格下沉速度控制。沉井在下沉过程中控制下沉速度，防止突沉和倾斜，沉井下沉至设计标高2m 以上时，将沉井暂停下沉24h 左右，观察并记录沉井自由下沉量以确定沉井停止取土下沉的高度，当沉井下沉至设计标高以上1m 时，每天下沉速率不大于0.3m，防止突沉和超沉事故发生。沉井下沉阶段及终沉允许偏差，应符合《给水排水构筑物工程施工及验收规范》（GB50141-2008）的相关规定。

3.2.2 地基加固措施

为保证顶管施工过程安全，减少或避免高速公路路面下沉，特采取灌浆措施对穿越盐洛高速段现状地面以下土体进行预注浆加固。该项施工的目的是提升地基的坚固性，构建复合型地基，对土体结构进行改良，保证地基的稳定，减少土体的压缩变形或减少土体侧向位移引起的路基沉降。向钻孔中进行压力注浆，并做好袖管阀的安装工作，科学选择注浆设备向路基土体中均匀注入浆液，并通过渗透、填充等方式，将土粒间隙中的空气和水分等进行挤压排除，减少土体孔隙，提升地基结构强度。

（1）注浆方式及范围。采用由下而上的竖向注浆，注浆范围横断面方向为坡脚以外15m，行车方向为各顶管两侧10m宽范围；对于顶管正上方区域竖向注浆深度至顶管顶面高程以上0.5m，其余竖向注浆深度至顶管底面（套管外壁）高程以下2m。

（2）注浆孔布置。注浆孔采用梅花型布置，从高速公路路基中心线两侧各1.5m 开始，按照行车方向间距1.5m，顶管方向排距1.5m 的方式布置注浆孔，注浆孔钻孔直径设计为90mm，注浆管采用直径48mm 的PVC 袖阀管。

（3）注浆参数。采用水泥浆液，水泥采用PO 42.5 水泥，水灰比暂定1:1，注浆压力暂定0.2～0.5MPa，具体根据注浆试验进一步调整。

（4）试验段试验。为最大程度确保顶管对高速公路路基安全，在顶管试验段即工作井侧路基坡脚外25～15m 范围作为注浆试验段，检验土体注浆加固后顶管效果。通过灌浆试验，并进行试验段顶管试顶后观测，该段地面基本无沉降。经试验后，明确该段注浆参数为水灰比1:1，注浆压力0.5MPa。

注浆纵断面图及注浆剖面图见图2、图3。

图2 注浆纵断面图

图3 注浆剖面图

图4 洞口密封图

3.2.3 顶管过程控制

顶管施工中的过程控制也是控制地面沉降和顶管施工成败的关键。从施工准备、顶进至出洞过程各个环节均应严格按相关规定进行，并加强观测和观察，适时调整顶力、泥浆压力、顶进速度、顶进方向等，并确保洞口密封状态良好，无渗水、涌砂情况发生，确保地面沉降量符合规范要求。

（1）施工准备及洞口密封安装。为保证顶进过程顺利进行，现场后背墙的设置、千斤顶的选型及数量、轨道的安装等均应经计算，合理布置。结合已有顶管工程经验，洞口密封效果也是顶管成功的关键。如洞口出现渗水、涌砂等情况，极有可能造成顶进线路周边土体流失，地面下沉、土体裂缝及塌陷，以及顶管、顶管机下沉、脱节，致使顶管失败，造成严重的经济损失。

本项目实施时，为有效避免顶进中洞口以及内部涌入大量泥浆，可以在洞口位置设置单法兰穿墙钢套管，为后期橡胶止水圈及止水封板的安全提供便利。顶进距离一般比较长，在顶进的过程中容易因为管套环、管材等的摩擦导致橡胶止水圈出现破损，因此需要及时观察和更新止水圈。可以在洞口内部再设置一圈止水圈，防止在更换法兰的过程中，导致止水圈掉入井内。

（2）触变泥浆注浆。顶管顶进施工时，由于管外壁与土体摩擦，易造成周边对管道的阻力加大，通过对管外周孔隙进行压住触变泥浆填充，降低地层损失，并降低顶进阻力和地面沉降。顶管机头尾端需要与顶进压浆保持同步，并在砼管道的适当位置对泥浆损失进行动态跟踪补充。

（3）纠偏检查实施。顶管施工中顶进纠偏工作直接影响顶进施工质量，如果顶进中操作不当，极可能会因为管口质量以及顶力等因素导致顶进效果受到影响，无法保障顶进质量和安全，因此必须做好对顶进过程的纠偏工作。管道偏差测量每顶进50cm 一次，在纠偏阶段不少于两次。纠偏开始前，需要先设置提前量，并严格根据纠偏顺序进行施工。先对高程纠偏，再对中线纠偏，最后处理小角度纠偏。在机头内部的纠偏中，需要控制油缸一次伸出量，一般控制在2cm。如果发现光点位置的移动速度明显放缓，或者出现反向移动的情况，及时缩回纠偏油缸。同时要兼顾仰俯角的变化情况，并以此为基础开展纠偏工作。最大纠偏值需要控制在3°以内。

顶管顶进过程中，需要对顶进操作中的各项数据做好记录工作，保证记录的准确性、即时性、完整性，每根管顶进记录的次数要保持1 次以上，每个顶进班次的记录保持6 次以上。顶进施工交班中要对顶进记录进行全面检查，并做好交接手续。测量工作中，每个班次需要对经纬仪进行至少两次校核，并保证记录的准确性。激光经纬仪的激光检测束必须射在光靶上。并结合偏斜数据进行液体纠偏，通过前部铰接机头位置的偏摆，对顶管方向进行合理调整。

（4）管周置换注浆。为了避免顶管结束后，管外膨润土浆液流失产生空腔，引发沉降，故需用水泥浆液充填顶管管材和原状土的缝隙，保证两者结合良好。灌浆要保持覆盖断面的全部范围，并通过水泥砂浆进行压注，置换润滑泥浆。顶管管材上预留有灌浆孔位置，每排4 个，均匀间隔布置。根据泥浆置换情况，灌浆压力按0.2～0.4MPa 控制，施工时根据现场具体情况确定，灌浆材料为普通硅酸盐水泥，强度等级为P.O42.5以上。灌浆时应加强观测，以防管壁发生变形破坏。

（5）沉降观测。做好观测，实时提供观测记录及分析。顶管施工前，采集顶管轴线周边范围的现状地面标高，并布设监测点。顶管施工期间，安排专门监测人员定期对地面沉降进行监测，沿管道轴线及管道两侧各10m 布线，分别在路中、路肩、坡脚、坡脚外各10m 布点。发现累计沉降量超过20mm 的情况立即停止作业，检查异常沉降原因，找到原因并排除后才能继续顶进施工。

4 沉降控制效果

通过从沉井、顶管等各阶段的多项控制措施，有针对性地解决了盐洛高速顶管工程的地面沉降问题。本工程完成后，经过测量，该处高速公路影响区域局部最大沉降量为15mm，大部分区域未发生沉降，沉降控制情况符合相关规范要求。

5 结论

综上所述，本文介绍了机械顶管工艺的选择及大口径顶管沉降控制重点分析及对策。通过对两种工艺方式的比较分析，本项目采用了泥水平衡顶管掘进机，该设备具有许多优点，包括沉降控制精度高、顶进速度快、施工可靠性好等。此外，针对本项目的特殊情况，研究人员提出了一系列的对策和措施，以确保顶管工程周边及沿线沉降问题得到控制，并顺利完成顶进施工。随着太阳能光伏技术的不断发展和应用，相信在未来的发展中，太阳能光伏技术将会得到更加广泛的应用和推广，从而为建筑行业的可持续发展作出更大的贡献。