泥水平衡式顶管施工技术在排水管道施工中的应用

张 勇 邓力铭 周田园

（中国五冶集团有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

市政工程作为城市建设、发展的重要部分，包含城市道路、地下管线、隧道以及污水处理等工程，该类工程和人们的生活和生产存在紧密关联，是保证人民生活水平的基础条件。市政地下工程在施工过程中，为避免明挖开挖对周围建筑物、公路造成影响，顶管施工则被大量研究和应用。顶管施工作为一种暗挖施工方式，具有较好的地层适应能力以及经济性，并且可极大程度避免施工影响周围建筑环境。但是，应用该技术时，作业面在施工时会导致土体发生扰动，影响施工效果，而泥水平衡式顶管施工技术不会造成这样的影响。泥水平衡式顶管施工技术属于一种机械自动化顶管施工方法，具有施工效率高、可连续顶进、安全性高等优势，采用全断面的方式完成土体切割，并利用泥水压力进行土压力和地下水压力的平衡以及弃土输出。通过该方式进行施工，能够极大程度降低土体和管道之间的摩擦阻力，保证开挖面土体的稳定性，可有效避免发生垮塌现象。本文以某地区的市政地下排水管道工程为例，分析泥水平衡式顶管施工技术的应用及效果。

1 工程概况

某地区排水管道施工选用了泥水平衡式顶管施工技术。该工程穿越多条城市主干公路，并且施工范围内存在密集住宅楼，必须避免施工造成公路和建筑的沉降[1]。

该排水管管道总长为5km，管径为2m，管道材料为钢筋混凝土管道，施工时采用分段施工完成。本文仅以其中的第2段顶杆施工为例，该施工段的顶进长度为805m，平均覆土厚度为8.5m左右，该区域的地下水水位在地面下2m左右。对该施工范围内的地质情况进行钻探勘测，获取土层结果，如表1所示。

表1 土层的钻探勘测结果

2 泥水平衡式顶管施工技术

2.1 泥水平衡式顶管施工工艺布置

结合上述地质勘测结果可知，该施工环境的土层属于淤泥地质，并且地下水丰富且水位较高，容易导致顶进施工过程中，发生掌子面坍塌以及地表沉降等问题。因此，本文结合地质勘测结果、水位情况以及施工需求，采用泥水平衡式顶管施工技术完成排水管道施工。该施工技术的工艺布置如图1所示。

图1 泥水平衡式顶管施工技术工艺布置示意图

2.2 施工设备选择

为保证顶管施工效果，避免发生坍塌以及地表沉降，选择岩盘破碎式顶管刀盘作为该工程使用的顶管机。该顶管机可有效避免滚刀磨耗、脱落造成的顶进效率降低甚至无法顶进等情况发生，并且该顶管机的动力性能更佳，二次破碎能力较好，可有效避免排泥管堵塞。

2.3 施工关键工艺控制以及参数计算

2.3.1 顶管施工参数计算

泥水平衡式顶管施工过程中，需精准掌握管道允许顶力Fd、顶进阻力F1、迎面阻力F2，以此保证管道顶进施工效果。如果管道外径用D1表示，管道的顶进长度用L表示，管道外壁和土体的单位面积平均摩阻力用fk表示，则Fd、F1、F2的计算公式为：

式中：

φ1、φ2、φ3、φ5——依次分别对应强度折减、强度提高、材料脆性以及强度调整系数；

fc——管道受压强度设计值；

Ap——管道的最小有效传力面积；

γQd——分项系数；

Dg——顶管机外径；

γg——土体容重；

Hg——覆土厚度。

除上述施工参数外，顶管施工过程中的泥水压力P也尤为重要，该压力能够影响开挖断面土体的稳定性，P的计算公式为：

式中：

γs——水容重；

h2——顶管机顶部和地下水位的高差值；

h1——地下水位和顶管机底部的高差值；

Δh——泥水压力高出地下水的水头差；

γ——泥浆容重；

h3——顶管机外径。

依据上述公式计算泥水平衡式顶管施工技术的相关参数，保证顶管施工效果。

2.3.2 基坑导轨安装控制

采用型号为YD-2000泥水平衡式顶管机进行排水管道顶管施工，在施工过程中，基坑导轨的安装是保证顶管机施工的基础。该导轨的间距为12m，长度为6m，在安装前需先确定和校正管道中心位置；施工过程中，需定时进行该位置校核，以此保证导轨的安装精度。导轨安装完成后，需将副导轨安装在预留洞内，并且其轴线高程和主导轨一致，以此避免机头进洞后发生低头现象，影响顶管施工效果[2]。

2.3.3 入洞控制

完成参数计算后，则进行顶管施工。顶管设备实际入洞前，需对泥浆数量以及密度进行检验，判断其是否满足施工需求。泥浆需选择具有一定比重的黏土成分，并且结合实际工程需求，合理调整泥浆相对密度，实现泥浆压力平衡，保证泥水平衡顶管施工效果。

在使用泥浆前，需采用机械设备对其进行搅拌，使其充分均匀后，将其灌入专用的储浆罐内，静置24h后检测泥浆的黏度、比重等性能参数，确保其满足应用标准后才能使用[3]。泥浆性能控制标准如表2所示。

表2 泥浆性能控制标准

泥水平衡式顶管施工整体流程为：引点测量→工作井施工→后墙安装→井下基坑导轨安装→地面辅助设备安装→顶管掘进机吊装就位→掘进机出工作井→顶进施工→顶管机进接收井。顶进施工过程中要严格控制顶进参数（见表3所示）。

表3 顶进参数标准

2.4 沉降监测

依据上述内容完成排水管道的顶管施工后，分析该施工技术的应用效果。本文采用设置沉降监测点的方式分析采用该施工技术后的沉降情况。

在施工段内，沿施工线路设置30个监测点，设置位置为轴线两侧5m处；存在建筑物的监测点则设置在转角处[4]。参考相关工程标准，确定地表沉降值上限为50mm，建筑物沉降上限为40mm；两者的风险预警值分别为40mm和32mm；变形速率上限值为4.2mm/d。

2.5 闭水试验

闭水试验是衡量顶管施工效果的重要标准，能够衡量顶管施工的密封性，闭水试验主要采用渗水量描述，其计算公式为：

式中：Di——管道内径。

该工程的允许渗水量为0.025m3/（24h·km）。

3 测试结果分析

3.1 沉降结果分析

依据上述监测方法，获取30个监测点的地表沉降结果和建筑物10处位置的沉降结果，如表4和表5所示。

表4 地表沉降结果

表5 建筑物10处位置的沉降结果

分析表4和表5可知：该工程采用泥水平衡式顶管施工技术完成排水管道施工后，施工段内沿线地表的沉降结果均在风险预警范围内，均小于40mm，其中地表不同位置的最大沉降值为33.6mm；施工后14d，存在建筑物位置的最大沉降为23.9mm，均在32mm范围内。因此，该工程泥水平衡式顶管施工技术应用效果较好，能够避免地表和施工范围内建筑发生较大沉降；极大程度保障了公路和建筑物的使用性能，满足施工需求[5]。

3.2 渗水量分析

依据上述计算方法获取顶管的渗水量，如表6所示。

表6 顶管的渗水量计算结果

分析表6可知：采用泥水平衡式顶管施工技术完成排水管道施工后，在不同时间段内，渗水量结果均＜0.025m3/（24h·km），其中最大渗水量为0.022m3/（24h·km），满足施工标准。因此，泥水平衡式顶管施工技术在市政地下工程施工中，具有较好的施工效果[6]。

4 结束语

市政工程是关系民生和城市建设发展的核心工程，该工程包含多种地下工程项目，为避免传统明挖开挖施工对于周围建筑物、公路造成影响，同时保证流沙和淤泥地质的施工安全，其地下工程均采用泥水平衡式顶管施工技术。该项目的实践证明：泥水平衡式顶管施工技术在地下工程的施工中，具有较好的应用效果，能够极大程度降低地下管道施工引起的地表沉降以及建筑物沉降，满足施工需求。