關(guān)于泥水平衡式頂管施工工藝的探討

周林林　王佳　韓佳　劉磊

摘 要：該文簡介頂管工藝的分類及適用環(huán)境，以泥水平衡頂管工藝為主題，通過對成功案例的描述，并對本工藝常見問題做出分析及預(yù)防，為設(shè)計人員在今后的設(shè)計中提供一些參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：頂管施工 施工方法 常見問題

中圖分類號：TU992 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）02（c）-0105-04

頂管施工是繼盾構(gòu)施工之后發(fā)展起來的一種土層地下工程施工方法，主要用于地下輸油氣管道、輸水管道、電訊電纜管等的施工。它不需要開挖面層，并且能夠穿越公路、鐵路、河川、地面建筑物以及地下構(gòu)筑物等，是一種非開挖的敷設(shè)地下管道的施工方法。

隨著時間的推移，頂管技術(shù)也與時俱進地得到迅速發(fā)展。主要體現(xiàn)在以下方面：

一次連續(xù)頂進的距離：越來越長；

挖掘技術(shù)：機械化程度越來越高；

頂管線路的曲直度：曲線形狀越來越復(fù)雜，曲率半徑越來越小；

按頂管機的類型分：手掘式人工頂管、擠壓頂管、水射流頂管和機械頂管（泥水式、泥漿式、土壓式、巖石式）。

該文以泥水平衡式頂管工藝在石空—蘭州輸油管道工程中的應(yīng)用為例，對施工過程進行描述。

1 頂管施工

石空—蘭州輸油管道工程在寧夏中衛(wèi)市穿越北干渠時正值春季，由于受黃河地下水位的影響，管道沿線各灌溉渠水位增長迅速，且本工程一標段毗鄰騰格里沙漠，地質(zhì)多為粉砂，北干渠尤為典型。北干渠系中衛(wèi)市美利工業(yè)園區(qū)主要渠道，四季不允許停水，經(jīng)協(xié)調(diào)該園區(qū)管理所要求頂管施工，但此穿越處地質(zhì)為粉砂，地下水位約為0.5 m，若采用普通的掘進式頂管方案無法保障施工作業(yè)人員的安全，且施工質(zhì)量也難以保證。為確保本工程的總體目標，建設(shè)方、監(jiān)理方、設(shè)計方及施工方到現(xiàn)場實地勘察討論，最終決定采用國內(nèi)先進的泥水平衡頂管法。

1.1 施工準備

1.1.1 組織準備

根據(jù)本工程特點及技術(shù)要求施工方選派了施工經(jīng)驗豐富、責任心強、曾多次承接泥水平衡機械式頂管施工的人員出任項目經(jīng)理，并配備技術(shù)過硬、具有豐富施工經(jīng)驗的技術(shù)、測量、施工、質(zhì)控人員；集中選拔操作水平高的施工隊伍，組建豎井、機械頂管、降水等專業(yè)施工隊伍，確保工程保質(zhì)、保量、按期完成。

1.1.2 技術(shù)準備

完成施工組織設(shè)計方案的編制及審批，并完成現(xiàn)場調(diào)查，特別是頂管工作坑范圍及可能與管線矛盾的現(xiàn)況管線的調(diào)查。

1.1.3 生產(chǎn)準備

應(yīng)包括臨時設(shè)施（臨時生活區(qū)、臨時辦公室的搭建）、用水、用電設(shè)施、通訊設(shè)施、臨時道路及臨時場地等（圖1）。

1.1.4 材料及機械設(shè)備準備

應(yīng)根據(jù)工程實際需要做好材料的購買及機械設(shè)備進場的準備。

1.2 降水施工

機械頂管過程中不需降水，但是在頂管工作坑開挖時需進行降水處理。本工程采取以大口徑井點降水為主、輔以工作坑內(nèi)集水井明排的降、排水措施。

大口井點設(shè)在工作坑周圍，沿兩個側(cè)邊布置，距離坑邊的邊線1.5 m，降水井深度10 m。頂進坑設(shè)大口井六口，接收坑設(shè)大口井四口，其平面位置如圖2。使用反循環(huán)鉆機成孔，鉆孔孔徑φ600，井管使用外徑DN400、內(nèi)徑DN300的無砂混凝土管，濾料使用3mm的豆石或石屑。

降水施工工藝流程：場地平整—井點放樣—鉆機對位—成孔—下放井管—填充濾料—洗井—下放水泵—抽水。

降水施工在工作坑開挖前7天進行，降水工作持續(xù)整個工作的全過程，包括工作坑開挖、頂管、直到工程結(jié)束。

降水期間要對抽水設(shè)備和運行狀況進行維護檢查，每天檢查不少于3次，并要觀測記錄水泵的工作壓力、電動機、水泵溫度，電流、電壓、出水等情況，發(fā)現(xiàn)問題及時處理，使抽水設(shè)備始終處在正常運行狀態(tài)。抽水設(shè)備要進行定期保養(yǎng)，降水期間不得隨意停抽。注意保護井口，防止雜物掉入井內(nèi)，經(jīng)常檢查排水管、溝，防止?jié)B漏。

1.3 施工方法及技術(shù)措施

1.3.1 頂力計算

頂管施工完成后，在頂管工作坑處需施做檢查井，為了檢查井的施做方便，頂管工作坑的尺寸也需參照檢查井的具體尺寸確定。

1.3.3 后背安裝

工作坑驗收合格后，安裝頂管設(shè)備，首先安裝后背。

（1）機械頂管后背結(jié)構(gòu)為：錨噴墻+混凝土+后背鐵。

（2）在錨噴墻壁前垂直地面放置后背鐵，后背鐵與錨噴墻面之間的空隙以C10素混凝土澆灌填充。

（3）頂進坑后背要有足夠的強度，在頂進過程中能承受千斤頂?shù)淖畲笞饔昧Α?/p>

（4）后背墻表面要平順，并且垂直于頂進管道的軸線，避免產(chǎn)生偏心受壓。

1.3.5 正常頂進

使用吊車將掘進機就位，開動頂管機刀盤，按如下步驟正常頂進：

（1）土倉壓力的設(shè)定：根據(jù)掘進機所處土層壓力而定，估算土倉壓力約為 0.1 MPa，施工時設(shè)備自控可保證10%的土倉壓力：遇有砂層、砂礫石層、離構(gòu)筑物較近時，土倉壓力設(shè)定適當加大到30%左右，以提高安全系數(shù)。

（2）觸變泥漿減阻：頂管過程中，須同步注入減阻泥漿，它是減少頂進阻力、提高頂進速度的重要一環(huán)。

（3）頂進測量：頂管測量主要使用激光經(jīng)緯儀，安裝于頂管坑后背處的頂管掘進中心線上，激光經(jīng)緯儀的安裝必須保證頂進過程中的穩(wěn)定。在掘進機內(nèi)安裝有激光靶，激光束的照射角度與管道的設(shè)計坡度相一致，激光照射到光靶上形成一個激光點，機手根據(jù)激光點的位置變化確定掘進機的方向變化。

（4）頂進糾偏：頂管掘進機由前、后兩節(jié)組合而成，兩節(jié)之間安裝有8個千斤頂，分為上、下、左、右四組，靠這四組千斤頂，可以進行四個方向的糾偏操作。連續(xù)觀察光靶上激光點的行走軌跡，如發(fā)生偏移大于 20 mm，預(yù)測機頭又有向偏差大的方向發(fā)展的趨勢時，要采取糾偏措施。endprint

（5）頂進速度：頂進速度控制在30 mm～50 mm/分鐘，入洞后的前10 m以及糾偏時用較低速度，以后視出土情況、刀盤扭矩情況適當加快頂進速度。

（6）出土外運：掘進機刀盤切削破碎土體，由螺旋輸送機將泥土輸入到管道內(nèi)部，使用土車通過管道將泥土運入頂進坑中，再使用吊車運到地面，倒入泥土暫存區(qū)，定期外運。

（7）安裝管節(jié)：管節(jié)下坑前先進行外觀檢查，包括管端面是否平直、管壁表面是否光潔、管體上有無裂縫等，檢查合格的管子用吊車放到頂進坑內(nèi)的導(dǎo)軌上，進行頂進。

（8）機頭出洞：機頭推進到距接收坑約2米處，拆除接收坑洞口處的墻壁，從接收洞口中心部位打進一根鋼釬尋找機頭，洞口處的土體開裂并向外凸出，此時掘進機的土倉壓力也會隨之消失，沒有土壓，螺旋輸土機停止出土。仔細測量機頭上、下、左、右的四個方向，與出洞口的大小、位置合適時，啟動主頂油缸繼續(xù)推進，至中心刀露出時，停止推進。安置機頭接收托架，然后，慢慢將機頭推入接收坑內(nèi)。

（9）機頭出坑：拆除掘進機的電源線、注漿管、油管，并折除掘進機與第一節(jié)混凝土管的連接板。使用吊車將掘進機吊運出坑。

1.3.6 設(shè)備拆除

混凝土管頂進、換漿、檢測全部完成后，拆除頂鎬設(shè)備、后背鐵及導(dǎo)軌，工作坑內(nèi)保留原頂管用垂直升降設(shè)備，以便利用其作為檢查井施工的平臺，工作坑及接收坑內(nèi)的支撐不拆除，留做檢查井施工時繼續(xù)做保護支撐。

2 常見問題的分析及預(yù)防

2.1 管道軸線偏差過大

偏差結(jié)果：管道軸線與設(shè)計軸線偏差過大，使管道發(fā)生彎曲，甚至造成管節(jié)損壞，接口滲漏。

糾偏措施：

（1）頂管施工前對管道通過地帶的地質(zhì)情況認真調(diào)查，指導(dǎo)糾偏。糾偏按照“勤測量、勤糾偏、小量糾”的操作方法進行。

（2）采用同種規(guī)格的千斤頂，使其頂力、行程、頂速相一致，保持頂力合力線與管道中心線相重合。

（3）加強頂管后背施工質(zhì)量的控制，確保后背不發(fā)生位移，并使后背平整，以保證頂進設(shè)備的安裝精度。

（4）頂進過程中隨時繪制頂進曲線，以利指導(dǎo)頂進糾偏工作。

2.2 地面沉降或隆起

沉降或隆起結(jié)果：頂管施工過程中或施工后，在管道軸線兩側(cè)一定范圍內(nèi)發(fā)生地面沉降或隆起，使管道周圍道路交通受到影響，甚至危及到正常使用和安全。

防治措施：

（1）嚴格控制頂管軸線偏差，執(zhí)行勤測量、勤糾偏、小量糾的操作方法。

（2）在頂進過程中及時足量地注入符合技術(shù)標準的潤滑支承介質(zhì)填充管道外圍環(huán)形空隙。施工結(jié)束及時用水泥或粉煤灰等置換潤滑泥漿。

（3）嚴格控制管道接口的密封質(zhì)量，防止?jié)B漏。

2.3 頂力突然增大

增大現(xiàn)象：在頂進過程壓力表指針突然增大。

防治措施：

（1）按不同地質(zhì)條件配制適宜的泥漿，并采取同步注漿的方法，并及時足量的沿線補漿，經(jīng)常檢查膨潤土質(zhì)量，特別是不得含砂。

（2）頂進施工前對頂進設(shè)備進行認真的檢修保養(yǎng)。

（3）停頂時間不能過久，發(fā)生故障及時排除。

2.4 鋼筋混凝土管節(jié)裂縫

裂縫現(xiàn)象：管節(jié)縱向和環(huán)向有明顯裂縫，造成管道滲水、漏水。

預(yù)防措施：

（1）管材進場后要進行質(zhì)量驗收，驗收不合格要及時退貨。

（2）頂進時嚴格控制管道軸線偏差，控制頂力在管節(jié)允許的承壓范圍以內(nèi)。

（3）在管節(jié)運輸過程中采取管墊等保護措施，并做到吊（支）點正確，輕裝輕卸。

2.5 頂管前端正面土體坍塌

坍塌現(xiàn)象：頂管施工中實際出土量遠遠大于理論出土量，且地面有明顯塌陷。

預(yù)防措施：頂進施工中采取短開挖、勤頂進的方法，并隨時注意到土質(zhì)的變化情況，向土倉內(nèi)加泥漿，使出土量與頂進量基本一致，保持土倉壓力平衡。

3 結(jié)語

針對此次采用泥水平衡頂管工藝作業(yè)，業(yè)主方、監(jiān)理方、設(shè)計方、施工方做了充分論證。作業(yè)前精心部署，編制了既有針對性又能控制各種風險的應(yīng)急預(yù)案。在各級領(lǐng)導(dǎo)大力支持和幫助下，且各方發(fā)揚石油人精神克服各種困難、群策群力、精心組織下泥水平衡頂管工藝作為一項新技術(shù)成功應(yīng)用于本次穿越工程。

參考文獻

[1] 輸油管道工程設(shè)計規(guī)范.GB50253-2003[S].

[2] 油氣輸送管道穿越工程設(shè)計規(guī)范.GB50423-2007[S].

[3] 油氣長輸管道工程施工及驗收規(guī)范.GB50369-2006[S].

[4] 石油和化工工程設(shè)計工作手冊[M].中國石油大學(xué)出版社，2010.endprint

（5）頂進速度：頂進速度控制在30 mm～50 mm/分鐘，入洞后的前10 m以及糾偏時用較低速度，以后視出土情況、刀盤扭矩情況適當加快頂進速度。

（6）出土外運：掘進機刀盤切削破碎土體，由螺旋輸送機將泥土輸入到管道內(nèi)部，使用土車通過管道將泥土運入頂進坑中，再使用吊車運到地面，倒入泥土暫存區(qū)，定期外運。

（7）安裝管節(jié)：管節(jié)下坑前先進行外觀檢查，包括管端面是否平直、管壁表面是否光潔、管體上有無裂縫等，檢查合格的管子用吊車放到頂進坑內(nèi)的導(dǎo)軌上，進行頂進。

（8）機頭出洞：機頭推進到距接收坑約2米處，拆除接收坑洞口處的墻壁，從接收洞口中心部位打進一根鋼釬尋找機頭，洞口處的土體開裂并向外凸出，此時掘進機的土倉壓力也會隨之消失，沒有土壓，螺旋輸土機停止出土。仔細測量機頭上、下、左、右的四個方向，與出洞口的大小、位置合適時，啟動主頂油缸繼續(xù)推進，至中心刀露出時，停止推進。安置機頭接收托架，然后，慢慢將機頭推入接收坑內(nèi)。

（9）機頭出坑：拆除掘進機的電源線、注漿管、油管，并折除掘進機與第一節(jié)混凝土管的連接板。使用吊車將掘進機吊運出坑。

1.3.6 設(shè)備拆除

混凝土管頂進、換漿、檢測全部完成后，拆除頂鎬設(shè)備、后背鐵及導(dǎo)軌，工作坑內(nèi)保留原頂管用垂直升降設(shè)備，以便利用其作為檢查井施工的平臺，工作坑及接收坑內(nèi)的支撐不拆除，留做檢查井施工時繼續(xù)做保護支撐。

2 常見問題的分析及預(yù)防

2.1 管道軸線偏差過大

偏差結(jié)果：管道軸線與設(shè)計軸線偏差過大，使管道發(fā)生彎曲，甚至造成管節(jié)損壞，接口滲漏。

糾偏措施：

（1）頂管施工前對管道通過地帶的地質(zhì)情況認真調(diào)查，指導(dǎo)糾偏。糾偏按照“勤測量、勤糾偏、小量糾”的操作方法進行。

（2）采用同種規(guī)格的千斤頂，使其頂力、行程、頂速相一致，保持頂力合力線與管道中心線相重合。

（3）加強頂管后背施工質(zhì)量的控制，確保后背不發(fā)生位移，并使后背平整，以保證頂進設(shè)備的安裝精度。

（4）頂進過程中隨時繪制頂進曲線，以利指導(dǎo)頂進糾偏工作。

2.2 地面沉降或隆起

沉降或隆起結(jié)果：頂管施工過程中或施工后，在管道軸線兩側(cè)一定范圍內(nèi)發(fā)生地面沉降或隆起，使管道周圍道路交通受到影響，甚至危及到正常使用和安全。

防治措施：

（1）嚴格控制頂管軸線偏差，執(zhí)行勤測量、勤糾偏、小量糾的操作方法。

（2）在頂進過程中及時足量地注入符合技術(shù)標準的潤滑支承介質(zhì)填充管道外圍環(huán)形空隙。施工結(jié)束及時用水泥或粉煤灰等置換潤滑泥漿。

（3）嚴格控制管道接口的密封質(zhì)量，防止?jié)B漏。

2.3 頂力突然增大

增大現(xiàn)象：在頂進過程壓力表指針突然增大。

防治措施：

（1）按不同地質(zhì)條件配制適宜的泥漿，并采取同步注漿的方法，并及時足量的沿線補漿，經(jīng)常檢查膨潤土質(zhì)量，特別是不得含砂。

（2）頂進施工前對頂進設(shè)備進行認真的檢修保養(yǎng)。

（3）停頂時間不能過久，發(fā)生故障及時排除。

2.4 鋼筋混凝土管節(jié)裂縫

裂縫現(xiàn)象：管節(jié)縱向和環(huán)向有明顯裂縫，造成管道滲水、漏水。

預(yù)防措施：

（1）管材進場后要進行質(zhì)量驗收，驗收不合格要及時退貨。

（2）頂進時嚴格控制管道軸線偏差，控制頂力在管節(jié)允許的承壓范圍以內(nèi)。

（3）在管節(jié)運輸過程中采取管墊等保護措施，并做到吊（支）點正確，輕裝輕卸。

2.5 頂管前端正面土體坍塌

坍塌現(xiàn)象：頂管施工中實際出土量遠遠大于理論出土量，且地面有明顯塌陷。

預(yù)防措施：頂進施工中采取短開挖、勤頂進的方法，并隨時注意到土質(zhì)的變化情況，向土倉內(nèi)加泥漿，使出土量與頂進量基本一致，保持土倉壓力平衡。

3 結(jié)語

針對此次采用泥水平衡頂管工藝作業(yè)，業(yè)主方、監(jiān)理方、設(shè)計方、施工方做了充分論證。作業(yè)前精心部署，編制了既有針對性又能控制各種風險的應(yīng)急預(yù)案。在各級領(lǐng)導(dǎo)大力支持和幫助下，且各方發(fā)揚石油人精神克服各種困難、群策群力、精心組織下泥水平衡頂管工藝作為一項新技術(shù)成功應(yīng)用于本次穿越工程。

參考文獻

[1] 輸油管道工程設(shè)計規(guī)范.GB50253-2003[S].

[2] 油氣輸送管道穿越工程設(shè)計規(guī)范.GB50423-2007[S].

[3] 油氣長輸管道工程施工及驗收規(guī)范.GB50369-2006[S].

[4] 石油和化工工程設(shè)計工作手冊[M].中國石油大學(xué)出版社，2010.endprint

（5）頂進速度：頂進速度控制在30 mm～50 mm/分鐘，入洞后的前10 m以及糾偏時用較低速度，以后視出土情況、刀盤扭矩情況適當加快頂進速度。

（6）出土外運：掘進機刀盤切削破碎土體，由螺旋輸送機將泥土輸入到管道內(nèi)部，使用土車通過管道將泥土運入頂進坑中，再使用吊車運到地面，倒入泥土暫存區(qū)，定期外運。

（7）安裝管節(jié)：管節(jié)下坑前先進行外觀檢查，包括管端面是否平直、管壁表面是否光潔、管體上有無裂縫等，檢查合格的管子用吊車放到頂進坑內(nèi)的導(dǎo)軌上，進行頂進。

（8）機頭出洞：機頭推進到距接收坑約2米處，拆除接收坑洞口處的墻壁，從接收洞口中心部位打進一根鋼釬尋找機頭，洞口處的土體開裂并向外凸出，此時掘進機的土倉壓力也會隨之消失，沒有土壓，螺旋輸土機停止出土。仔細測量機頭上、下、左、右的四個方向，與出洞口的大小、位置合適時，啟動主頂油缸繼續(xù)推進，至中心刀露出時，停止推進。安置機頭接收托架，然后，慢慢將機頭推入接收坑內(nèi)。

（9）機頭出坑：拆除掘進機的電源線、注漿管、油管，并折除掘進機與第一節(jié)混凝土管的連接板。使用吊車將掘進機吊運出坑。

1.3.6 設(shè)備拆除

混凝土管頂進、換漿、檢測全部完成后，拆除頂鎬設(shè)備、后背鐵及導(dǎo)軌，工作坑內(nèi)保留原頂管用垂直升降設(shè)備，以便利用其作為檢查井施工的平臺，工作坑及接收坑內(nèi)的支撐不拆除，留做檢查井施工時繼續(xù)做保護支撐。

2 常見問題的分析及預(yù)防

2.1 管道軸線偏差過大

偏差結(jié)果：管道軸線與設(shè)計軸線偏差過大，使管道發(fā)生彎曲，甚至造成管節(jié)損壞，接口滲漏。

糾偏措施：

（1）頂管施工前對管道通過地帶的地質(zhì)情況認真調(diào)查，指導(dǎo)糾偏。糾偏按照“勤測量、勤糾偏、小量糾”的操作方法進行。

（2）采用同種規(guī)格的千斤頂，使其頂力、行程、頂速相一致，保持頂力合力線與管道中心線相重合。

（3）加強頂管后背施工質(zhì)量的控制，確保后背不發(fā)生位移，并使后背平整，以保證頂進設(shè)備的安裝精度。

（4）頂進過程中隨時繪制頂進曲線，以利指導(dǎo)頂進糾偏工作。

2.2 地面沉降或隆起

沉降或隆起結(jié)果：頂管施工過程中或施工后，在管道軸線兩側(cè)一定范圍內(nèi)發(fā)生地面沉降或隆起，使管道周圍道路交通受到影響，甚至危及到正常使用和安全。

防治措施：

（1）嚴格控制頂管軸線偏差，執(zhí)行勤測量、勤糾偏、小量糾的操作方法。

（2）在頂進過程中及時足量地注入符合技術(shù)標準的潤滑支承介質(zhì)填充管道外圍環(huán)形空隙。施工結(jié)束及時用水泥或粉煤灰等置換潤滑泥漿。

（3）嚴格控制管道接口的密封質(zhì)量，防止?jié)B漏。

2.3 頂力突然增大

增大現(xiàn)象：在頂進過程壓力表指針突然增大。

防治措施：

（1）按不同地質(zhì)條件配制適宜的泥漿，并采取同步注漿的方法，并及時足量的沿線補漿，經(jīng)常檢查膨潤土質(zhì)量，特別是不得含砂。

（2）頂進施工前對頂進設(shè)備進行認真的檢修保養(yǎng)。

（3）停頂時間不能過久，發(fā)生故障及時排除。

2.4 鋼筋混凝土管節(jié)裂縫

裂縫現(xiàn)象：管節(jié)縱向和環(huán)向有明顯裂縫，造成管道滲水、漏水。

預(yù)防措施：

（1）管材進場后要進行質(zhì)量驗收，驗收不合格要及時退貨。

（2）頂進時嚴格控制管道軸線偏差，控制頂力在管節(jié)允許的承壓范圍以內(nèi)。

（3）在管節(jié)運輸過程中采取管墊等保護措施，并做到吊（支）點正確，輕裝輕卸。

2.5 頂管前端正面土體坍塌

坍塌現(xiàn)象：頂管施工中實際出土量遠遠大于理論出土量，且地面有明顯塌陷。

預(yù)防措施：頂進施工中采取短開挖、勤頂進的方法，并隨時注意到土質(zhì)的變化情況，向土倉內(nèi)加泥漿，使出土量與頂進量基本一致，保持土倉壓力平衡。

3 結(jié)語

針對此次采用泥水平衡頂管工藝作業(yè)，業(yè)主方、監(jiān)理方、設(shè)計方、施工方做了充分論證。作業(yè)前精心部署，編制了既有針對性又能控制各種風險的應(yīng)急預(yù)案。在各級領(lǐng)導(dǎo)大力支持和幫助下，且各方發(fā)揚石油人精神克服各種困難、群策群力、精心組織下泥水平衡頂管工藝作為一項新技術(shù)成功應(yīng)用于本次穿越工程。

參考文獻

[1] 輸油管道工程設(shè)計規(guī)范.GB50253-2003[S].

[2] 油氣輸送管道穿越工程設(shè)計規(guī)范.GB50423-2007[S].

[3] 油氣長輸管道工程施工及驗收規(guī)范.GB50369-2006[S].

[4] 石油和化工工程設(shè)計工作手冊[M].中國石油大學(xué)出版社，2010.endprint