清水河流域城乡供水工程中泥水平衡顶管技术分析

路 平

（宁夏水利水电工程局有限公司，宁夏 银川 750000）

清水河流域城乡供水工程属于宁夏的重点工程，被国家列为2020～2022 年重点推进的150 项重大水利工程之一，是宁夏目前总扬程最高、输水距离最长的扬水工程。输水主管道长196km ，输水管线下穿344 国道，经过现场踏查及技术经济方案比选，泥水平衡顶管具有施工速度快、沉降量小等优点，最终采用顶管穿越344 国道，3#公路路涵（344 国道）管线桩号E2+900，344 国道桩号K2053+100，顶管长度78m，输水管线管内径1.2m，顶管采用内径1.6m 钢筋混凝土圆管涵，顶管管道坡度为0%。

泥水平衡顶管是一种先进的非开挖技术，广泛应用于穿越铁路、公路、河流等，其施工占地小，不影响交通及周边环境，具有精度高、速度快、安全性好等优点，其轴线控制系统全部由电脑系统控制激光定位，基本排除轴线移位现象，在水、电及出泥系统得到保证后，每天掘进25m，边出泥边顶进，不会出现塌方现象。

1 泥水平衡顶管施工优势

泥水平衡顶管机的基本工作原理是利用主轴偏心回转的运动进行破碎，顶管机刀盘的正面有上下两个进口，分别是石块和泥土的进口，正面的开口较大，能够方便大块卵石进入顶管机内，开口面积大约占顶管机全断面的1/6～1/5。

主轴两侧为电动机驱动刀盘，电动机中行星减速器带动小齿轮，再带动中心的大齿轮。主轴、大齿轮与轧辊连接构成一个整体。刀盘安装在主轴左侧，电机驱动刀盘转动时，轧辊也随之转动。掘进机工作时，利用刀盘旋转切削土体，同时作偏心运动粉碎石块。刀盘旋转的过程中，泥水仓和泥土仓中的间隙会逐渐变大，并往复循环变化，因此，其能够粉碎石块，还能保证进入水泵的泥水随着间隙的大小变化到达泥土仓中，从而保证掘进机不仅能在砂土中工作，还能在粘土中正常工作。

2 清水河流域城乡供水工程中泥水平衡顶管施工技术分析

泥水平衡顶管主要由机头、液压顶进系统、泥浆循环系统和控制室组成。采用激光系统控制高程和轴线，机头刀盘掘进，土料进入出土仓通过送水泵进水，以泥浆泵吸泥浆出土的方式出土，边出土边顶进。施工工艺如图1 所示。

图1 施工工艺

2.1 顶管机的选型

清水河流域城乡供水工程中采用NPD-B600、NPD-B1000 型泥水平衡顶管掘进机，其具有破碎功能，由扬州广鑫机械有限公司生产，主千斤顶、顶管机、泥水分离装置和泥水循环系统成套化。此顶管机具有如下优点：

（1）刀盘带锥形破碎机，能破碎小于外径0.3的砾石，适用于砂土、粘质土、砂砾混合卵石土、软岩等各种土质。

（2）在轨道中安装主顶油缸，一次顶进长度为100m 或100m 以上；

（3）可用远程系统操纵顶管机，在控制系统中电视监测并合理控制方向变化，具有较高的准确度。

（4）应用已经完成专利申请流程的RSG 双光靶方向控制系统，选用工作经验丰富且专业水平较高的工作人员，有效控制方向误差，将误差值降低在10mm 以下。

（5）在应用过程中，泥水分离装置具有较好的灵活性和密封性能，所占空间较小。

现阶段，上述型号的设备装置应用率较高，应用范围较广，相关施工经验较为丰富，可作参考。运用成熟且可靠性较高的技术手段，在作业过程中对土层的影响较小。

2.2 基坑开挖及支护

（1）依据设计图纸，工作井、接收井深基坑开挖深度4.5m，坡比为1∶1。

（2）在基坑开挖工作中需综合应用机械开挖与人工开挖两种模式。正式开挖前需在最上方设置截水沟，以避免低洼部位积水影响基坑。

（3）基坑开挖时每层厚度不得大于2m，并按照层次与阶段逐个挖掘，当开挖标高达到30cm时，需转换为人工开挖至基底处。在开挖作业中可有效发挥时控效应的重要作用，提高支撑系统施工的安全性，避免出现基坑变形等现象。若在作业过程中出现渗漏等现象，必须应用有效的封堵举措。当开挖深度达到基坑设计标准高度后，应在4h 内完成混凝土垫层浇筑工作，并在48h 内完成顶管工作坑和接收坑底板浇筑，当底板混凝土强度达到100%后，进行钢筋混凝土导墙浇筑。

（4）采用注浆加固+喷锚支护加固工作井边坡路基侧，喷射混凝土厚度10cm，Φ10 钢筋网，注浆导管长2.5m，应用Φ50×5mm 的无缝钢管作为导管，布置钢管时，需将距离设置为1.5m，并按梅花状安放。

（5）应用喷锚支护接收井边坡路基侧，喷射混凝土厚度10cm，Φ10 钢筋网，距离设置为20cm×20cm，注浆导管长2.5m，应用Φ50×5mm的无缝钢管作为导管，布置钢管时，需将距离设置为1.5m，并按梅花状安放。

（6）顶进后，靠背设1.0m 厚后背桩和1.5m厚M10 浆砌片石后背墙。工作井和接收井的井底均设20cm 厚C20 钢筋垫层和50cm 厚砂砾垫层。

2.3 出土方案

出土方案应用全自动化泥水输送方式，将土方放置在机舱内，经泥水搅拌后形成泥浆，再应用泥水泵将其抽离，以实现高效率排土。根据实际需求，在沉井上方设置沉淀池，以完成泥浆沉淀工作，并根据文明施工基本要求及渣土处理办法外运泥浆沉淀后的剩余物质，以降低对周围环境的污染。

2.4 后靠背导轨及后顶的安装

（1）在明确轴线位置的前提下，在与井壁距离100～200mm 的位置放置后靠背，放置时，需根据实际情况进行上下左右的调节，使得中心与轴线完全重合，调整方法如图2 所示。

图2 后靠背导轨调整图

（2）完成导轨安装后，需在洞口处预留副导轨安装区域，预留位置需与部分主导轨高度相同且为平行状态，以避免出现机头低头现象，如图3 所示。

图3 副导轨安装图

（3）枕木、钢支架或混凝土垫层，需根据增高装置控制机头重量和选择增高量。

2.5 泥水系统的安装

泥水系统包含泥浆池、沉石箱、排泥泵等。

（1）设置泥浆池位置时，可以并联法作为基础原则，缩短工作井与泥浆池的距离，如图4 所示。缩短工作井与泥浆池的距离，可有效降低因排泥管路较长而形成的管路摩阻力。

图4 泥浆池并联图

（2）设置沉石箱的主要目的是促进块状物沉淀，避免排泥块状物进入排泥泵而出现堵塞或质量问题。

（3）排浆系统应配置减压系统，在排泥泵出口1m 处和机头注浆处安装压力表，保证浆液搅拌均匀。

3 清水河流域城乡供水工程泥水平衡顶管施工技术注意事项

清水河流域城乡供水工程地质具有湿陷性，保证开挖直径1 920mm，混凝土管外径为1 920mm，施工过程由液压千斤顶顶进，采用泥水平衡出土方案，应用泥水平衡顶管施工技术需要注意以下几方面：

（1）导轨安装过程中，必须复核管道的中心位置，两根导轨必须高度一致且平行，导轨面中心标高必须在设计管底标高抛高的允许范围（一般为0.5～1cm），安装导轨的坡度必须与设计管道的坡度一致。

（2）工作坑混凝土基础面标高等于管底标高减去导轨的总高度。

（3）后墙面应与管道顶进轴线相垂直，必须有足够的强度和刚度，承受和传递全部顶力，采用现浇钢筋混凝土作为后座墙，顶管施工时应保证后座墙全截面均匀受力。

（4）顶进施工时，应将前2m 作为顶进试验段，通过前2m 的试验熟练掌握顶管机在该地层中的操作方法、推进各项参数的调节控制方案，掌握触变泥浆注浆工艺，并通过试验段及时、有效地分析、调整施工参数，保证全段顶管施工安全、顺利进行。

（5）应用4 台千斤顶协同工作，千斤顶的规格需完全一致，每台千斤顶的顶力需大于200t，压力需小于额定工作压力的70%。

（6）4 台千斤顶的作用合力点与管道中心相垂直，且位于后座中间位置，以减少后座倾覆、偏斜。

（7）安装油泵装置的过程中，必须检查各项保护措施是否完备，反复核对压力表等装置的运行情况，在保证所有装置正常的情况下进行试车。

（8）启动千斤顶时，顶进速度应缓慢，通过控制阀门逐步增大油路压力和油量，在管道顶动时方可加快顶伸速度，操作人员必须集中注意力，正确启闭阀门，控制油路压力。

（9）工具管的长度一般为1.0～1.6m，尺寸、刚度和强度必须符合要求。工具管、法兰圈、沟管依次相连，必须牢固稳定，拆装方便，顶进过程中，法兰圈与沟管不能脱节。

（10）对于土质情况不良的地区，应做好沉降观测，必要时采用注浆方式加固地基。

（11）顶管工作完成且验收合格后，拆除导轨、后背和顶进设备，之后土方回填基坑，并进行夯实处理，确保不发生沉陷。

4 结语

泥水平衡顶管技术相较于人工顶管适用范围更广，该技术适用于黄土、砂砾、卵砾石等地质情况，每天顶进速度约25m，是人顶管速度的5倍左右，速度快、安全性高，尤其适用于穿高速、高铁、国道等车流量大的道路，边掘进边顶进，不需人工进洞操作，安全性高。