泥水平衡式顶管施工方法

泥水平衡式顶管施工方法

王晓东,仇志峰,魏松

（山东省胶东调水局,山东济南250100）

［摘要］顶管施工是一种地下管道施工方法，它不需要开挖面层，并且能够穿越公路、铁道、河川、地面建筑物、地下构筑物及各种地下管线。文中通过山东省胶东地区引黄调水工程管道顶管穿越S302省道施工应用为例，介绍了泥水平衡式顶管施工方法的优点，详细阐述了沉井施工、顶推力计算和顶管施工的工艺流程和主要技术措施，对同类工程施工具有一定借鉴意义。

［关键词］泥水平衡式顶管；穿公路；施工技术；胶东调水工程

顶管施工是一种借助于主顶油缸及管道间中继间等的推力，把工具管或掘进机从工作井内穿过土层一直推到接收井内吊起，同时把紧随工具管或掘进机后的管道埋设在两井之间，以期实现非开挖敷设地下管道的施工方法。这种技术的优点是不开挖地面；不拆迁，不破坏地面建筑物；不影响交通；不破坏环境；施工不受气候和环境的影响；不影响管道的段差变形；省时、高效、安全，综合造价低；近年来在管道施工中得到大量应用。泥水平衡式顶管是一种以全断面切削土体，以泥水压力来平衡土压力和地下水压力，又以泥水作为输送弃土介质的机械自动化顶管施工方法。下文通过该工法在山东省胶东地区引黄调水工程管道穿越S302省道工程中的应用，对泥水平衡式顶管施工工艺及主要技术措施进行阐述。

1 工程概况

山东省胶东地区引黄调水工程是山东“T”字形调水大动脉的重要组成部分，工程从滨州打渔张引黄闸引取黄河水，利用现有引黄济青工程输水至潍坊昌邑市宋庄镇，在该镇新建宋庄分水闸分水，经青岛、烟台部分区市至威海米山水库。工程自高疃泵站至米山水库段主要为管道工程，全长90 km。管道线路在牟平段桩号3+525处穿越S302省道，该道路是当地交通要道，往来车辆多，破路施工协调难度大。该段工程设计采用顶管方式，按照工程地质条件，顶管需穿越壤土、砂壤土，淤泥质中细砂、中粗砂土层，土质情况复杂，经综合比选，施工采用封闭式泥水平衡机头顶管工艺，顶管长183 m，地面至管底深6 m左右。该管段管材为螺旋钢管，钢管管径DN2 200 mm，壁厚20 mm。

2 沉井施工

沉井由工作井和接收井组成，采用沉钢筋混凝土井工艺施工。工程工作井尺寸为7.5 m×4.5 m，接收井尺寸为4.5 m×4.0 m，沉井施工采用一次制作一次下沉的方法进行。沉井施工是一个技术要求高、难度较大的项目，且是24 h下沉，施工管理人员要现场值班，做好现场记录，对沉井下沉要做预先估算，同时考虑应变措施，加强现场管理协调，以保证沉井按要求下沉到位。

2.1 工艺流程

沉井施工主要工艺流程为：测量放样→平整场地→基坑开挖至地下水高程以上→砂垫层回填、密实→沉井制作→沉井下沉→沉井封底→钢筋混凝土底板→顶背安装、铸铁踏步等→工作井顶盖施工。

2.2 沉井制作

2.2.1 平整场地、测量放样

基坑开挖前先平整场地，随后根据设计井位座标将井位放出，利用周围环境做好井位控制点并加以保护，同时根据设计提供的水准点进行复测，根据施工需要，设2～3个水准控制点，并加以保护。施工中所设的座标控制点、高程控制桩需复核无误后方可进行下道工序施工。

2.2.2 基坑开挖

工作井开挖前应先查明工程范围地质构造和地下水情况。该处工程位于辛安河坝基外侧，地下水埋深在4 m左右，沉井开挖需分步实施。水面线上基坑开挖以液压挖掘机配合人工开挖并修整边坡，当开挖还剩20～30 cm时采用人工修挖坑底，以保证坑底不被扰动及保证坑底的平整度。在坡脚处设20 cm×20 cm盲沟，并设集水井以抽排明水，保证基坑干燥、稳定。基坑周围不堆放土方，基坑坡脚至井壁的空间要满足搭设脚手架、支模及扎筋等的处理空间。

2.2.3 垫层制作

垫层采用中粗砂回填，需分层回填、分层振捣密实，垫层表面应保持平整，平整度误差控制在±10 mm以内，在其上间隔铺垫枕木。

2.2.4 沉井浇筑

沉井浇筑混凝土采用商品混凝土。混凝土浇筑和振捣分层实施，每层厚度不超过50 cm，插入式振捣器按30 cm平面有效直径布置振捣，施工过程应控制在混凝土初凝时间内完成该层混凝土的浇筑。浇筑前在井的四角设置沉降观测点，以便及时发现沉井在浇筑和振捣过程中造成的不均匀沉降。如浇筑过程中发现不均匀沉降现象，应及时采取措施，调整浇筑的顺序和部位，避免造成偏差影响工程质量。

2.3 沉井下沉

2.3.1 准备工作

下沉前，在井壁外侧用漆喷涂高度标识，高度标示每50 cm设置1处，同时标示明确下沉完毕后标高。井顶设置测量中心位移的标识，井内壁上由刃脚至顶部也需设明显的高度标志。沿内外井壁安装爬梯，爬梯应有安全围栏，井上搭设工作平台。

2.3.2 下沉方法

沉井下沉采用人工挖土下沉，卷扬机吊土方式进行。沉井下沉前应计算沉井各阶段的下沉系数，沉井挖土的顺序和方位应根据下沉系数的不同，加以调整。

沉井下沉深度每次按50 cm控制，挖土下沉应遵循对称、均匀开挖原则进行。开挖顺序应先中间开挖然后向两边进行，逐步扩挖至刃脚附近，使沉井平稳下沉。中心深度应从严控制，并防止开挖深度过大出现突沉现象。

沉井下沉过程中，应重视和加强观测，如发现偏斜应及时纠正。沉井下沉困难时，在井顶均布加荷或在沉井外壁掺入适量黄沙减少摩擦阻力；沉井倾斜时，可采取高侧多挖土、低侧少挖土或高侧增加荷载等方法纠偏。

2.3.3 终沉控制

当沉井刃脚踏面下沉至离设计标高还剩1 m左右时，沉井进入终沉阶段，此时应切忌“深锅底”，因为过深的锅底，可能导致刃脚下土体大量向井内涌入，易发生突然下沉或超沉。应先挖刃脚附近的土体，形成“反锅底”，然后视情况再挖中心部位土体，控制好下沉速度，务求沉井缓缓挤土下沉到位。

2.3.4 封底

沉井下沉到设计标高，经24 h观测累计下沉量小于10 mm时，即进行沉井封底。封底前，应对井底进行修整，出现超挖部分回填碎石至要求标高，井底排水干燥后，浇筑C15素混凝土垫层。在底板施工前，先对与底板连接处井壁混凝土进行凿毛处理，后浇筑钢筋混凝土底板完成封底。

3 掘进设备选型

3.1 顶力计算

推力的理论计算：（按DN2200 mm管径计算）

式中：F——总推力，t；F1一—迎面阻力，t；F2——顶进阻力，t。

式中：D——管外径，m；P——控制土压力，kPa。

式中：K0——静止土压力系数，一般取0.80；γ——土的湿重量，t/m3；H0——地面至掘进机中心的高度，m。

式中：D——管外径，m；f——管外表面平均（根据顶进距离）综合摩阻力，取0.45 t/m2；L——顶距，m。

3.2 装置选型

通过计算得出，该段顶管理论总推力为430 t。根据总推力、工作井所能承受的最大顶力及管材轴向允许推力比较后，取最小值作为油缸的总推力，工作井设计允许承受的最大顶力为400 t，管材轴向允许推力250 t，主顶油缸选用4台200 t（2 000 kN）级油缸。工作井和钢管强度不能满足200 m顶管，因此中间需要额外增设顶进系统，减少对工作井和钢管压力，施工中按每70 m设立1个中继间。

4 顶管

4.1 施工准备

4.1.1 地面准备工作

在顶管顶进施工前，按常规完成施工用电、水、道路、排水及照明等设备的安装。施工材料、设备及机具须备齐，以满足工程的施工要求，管材应有足够的余量。坑上、坑下建立测量控制网，并经复核认可。

4.1.2 坑下准备工作

工作坑后部采用方木、钢板组装成座，工作坑后靠背与钢板之间用砂填充密实。

顶管导轨安装，按测量放样的顶管设计轴线吊入坑下就位焊接。顶管机吊装就位，千斤顶固定在支架上，并与管道中心的轴线对称，其合力的作用点在管道中心的垂直线上，圆形顶铁与管道和千斤顶的轴线平行。顶铁与管道之间设连接垫，使顶力均匀地分布在管端，避免应力集中对管端造成损伤。

4.2 顶进施工

4.2.1 顶进穿墙

顶进前所有顶进设备须全部安装就位，并试运转。在穿墙前通过沉井井壁上的预埋螺栓安装好橡胶板、圆环板、扇形后板等止水装置。将掘进机机头顶进至工作井墙面，拆除封门板后，启动主顶千斤顶和顶管掘进机开始顶进工作。

4.2.2 顶管轨迹控制

初期顶进顶管掘进机先行入土，然后在其尾部拼接特殊纠偏段。初期顶进应均匀出土，控制好初始偏差，并及时调整后座千斤顶合力中心来控制初始偏差，确保工具头初始状态稳定和轴线顺直。

4.2.3 顶管外周空隙注浆

对于长距离顶管，为了减少土体与管壁间的摩阻力，在管道外壁压注润滑泥浆。注浆一般选用优质的触变泥浆材料，并取样测试，主要指标有造浆率、失水量和动塑比。为减少管道外壁的摩阻力，需保证润滑泥浆在施工期间不失水沉淀、不固结，合理布置压浆孔。每个注浆断面设置4个压浆孔以采用多点压浆，相邻注浆断面的孔位平行布置。在管节断面一侧安装压浆管，每6 m处接三通阀门至管节注浆孔，总管与阀门用软管连接，压浆时须坚持“先压后顶，随顶随压，及时补浆”的原则，泵送注浆压力控制在0.1～0.6 MPa。

4.2.4 顶管纠偏

纠偏应在下管后尽早进行，纠偏操作方案的依据为测量提供的机头折角、倾斜仪基数和走动趋势、前后尺读数比较、机尾处地面沉降量等。须尽量避免0.5°以上的大动作纠偏，不得已时应安排在非重要地段进行并加强观测。纠偏动作后，如无折角变动应立即停顶，检查电路和液压管路，尽早排除故障，严防轴线超差。注意观察纠偏仪读数的纠后趋势及光点滞后变化，同时通知地面和地下压浆人员加大同步压浆量。

4.2.5 管道轴向测量

工作井、接收井施工结束后，按工作井穿墙孔与接收井接收孔的实际坐标测量放线，定出管道顶进轴线并将轴线投放到工作井测量平台上和井壁上。在工作井四周建立测量控制网，并定期复核各控制点。泥水平衡段施工管道轴向的测量采用高精度激光经纬仪，测量主要用导线测量法，测量平台设在顶管后座处。测量光靶安装在掘进机尾部，测量时激光经纬仪直接测量机头尾部测量光靶的位置，并根据机头内的倾斜仪计算机头实际状态。

4.2.6 顶管接收井进洞

当顶管掘进机接近接收井洞口时，应加强测量精度和频率，减少轴线偏差。在顶管到达距接收井10 m左右时，应减慢顶进速度，在接收井内做好接收的准备工作，复核洞门中心坐标及高程，对洞口槽壁混凝土进行凿除，在接收井内搭设接收平台。掘进机顶进到井壁后，停止压浆，拆除接收井的封门，顶管掘进机穿过井墙上接收架，马上采取临时措施止水堵漏，并继续顶进，待完全上架后对出洞口采取永久性止水封堵。

4.2.7 加强施工监测

在工作井制作和顶管施工阶段，应注意实时对邻近建筑、道路及地下管线水平和垂直位移进行跟踪监测，如监测数据超过预警值，应及时采取应急措施，防止发生工程和环境事故。

5 结语

在山东省胶东地区引黄调水工程管道施工过程中，采用顶管施工技术穿越S302省道,减少了基坑开挖破路施工对当地交通的影响，降低了施工协调难度，加快了施工进度；同时，施工方案也大大节约了征迁和专项设施补偿费用，降低了综合造价。管道安装完成后，一次性充水打压成功，安装质量满足规范要求。目前工程一直安全运行，实践证明该工艺是一种先进和有效的施工方法，在非开挖方式管道施工中有广泛应用前景。

［参考文献］

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［4］高峰，高志国，汤平.沉井在泵站工程中的应用［J］.城市道桥与防洪，2014（6）：312-315.

［中图分类号］U445.4

［文献标识码］B

［文章编号］1002－0624（2017）06－0005－03

[收稿日期] 2016-12-30