鄔皚銘 江嬌杰

中國化學(xué)工程第七建設(shè)有限公司 四川成都 610100

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，城市地下管線工程不可避免地要在其他建（構(gòu)）筑物附近穿過。泥水平衡頂管施工技術(shù)可突破地質(zhì)條件限制及周邊環(huán)境影響的局限性，不需對表層地面進行開挖而實現(xiàn)管道埋設(shè)施工，能穿越地面建（構(gòu)）筑物、地下管線、道路、河道等復(fù)雜環(huán)境或特殊施工區(qū)區(qū)域，技術(shù)先進、效果明顯，有廣泛的應(yīng)用價值。迪拜世博會道路網(wǎng)改造工程項目，根據(jù)其砂土、砂礫土且富含地下水的地質(zhì)條件，結(jié)合對周邊環(huán)境、工程進度、造價、環(huán)保和安全等方面的影響，運用泥水平衡頂管施工技術(shù)完成了DN1200mm 市政供水管穿越迪拜供應(yīng)局天然氣管廊區(qū)域，總長度約207m，最大埋深約12m，管材為長度2980mm、外徑1490mm 的混凝土包裹玻璃鋼管。同時，還完成了DN450mm 市政供水管穿越迪拜水電局132kV 高壓電力電纜槽區(qū)域，總長度約114m，最大埋深約7m，管材為長度1980mm、外徑865mm 的混凝土套管，取得了較好的社會和經(jīng)濟效益。

1 技術(shù)特點

泥水平衡頂管施工技術(shù)具有以下特點：適用地層土質(zhì)范圍廣，應(yīng)用范圍廣；選用成套頂管設(shè)備，自動化程度高，施工精度高，施工速度快，施工質(zhì)量好，經(jīng)濟效益高；泥水平衡控制保證了施工的安全穩(wěn)定可靠，土體擾動小，地面沉降小[1]；泥水循環(huán)利用，分離渣土環(huán)保處理，對環(huán)境影響小。

2 適用范圍

泥水平衡頂管施工技術(shù)適用于各種土質(zhì)地層及存在地下水、地質(zhì)變化大等地質(zhì)環(huán)境，應(yīng)用在交通繁忙、地面建筑物眾多、地下管線復(fù)雜等特殊環(huán)境或特殊工程地段的管道穿越施工，可達到良好的效果。

3 工藝原理

泥水平衡頂管施工技術(shù)是非開挖埋管施工技術(shù)之一[2]，是一種以全斷面切削土體，以泥水壓力來平衡土壓力和地下水壓力，又以泥水作為輸送棄土介質(zhì)的機械自動化頂管施工技術(shù)[3]。它以泥水平衡和控制原理為基本，在工作井內(nèi)利用主頂站施加推力，將泥水平衡頂管機、管道或套管推入穿墻孔；頂管機的刀盤以均勻速度對土體進行切削，被切削的土體進入機頭泥水倉內(nèi)；再通過送泥泵將具有一定相對密度的泥水送至泥水倉及挖掘面，并在挖掘面上形成泥膜而起到穩(wěn)定作用；土體在泥水倉內(nèi)與泥水混合成泥漿后，再由排泥泵排到泥漿箱，經(jīng)水分離裝置處理后的泥水可重復(fù)利用，殘渣按環(huán)保要求專門處理。

4 施工工藝流程及操作要點

4.1 施工準備

根據(jù)泥水平衡頂管施工工藝流程圖（圖1），首先要熟悉并審查合同文件、設(shè)計文件和規(guī)范標準，研究施工界限范圍地下管線及建（構(gòu)）筑物、工程水文地質(zhì)等原始資料。施工前要進行現(xiàn)場調(diào)查，掌握頂管施工沿線的地形地貌、水文地質(zhì)、建（構(gòu)）筑物、管線、障礙物及其他設(shè)施等周邊環(huán)境情況，對原始資料詳細核實確認，必要時進行復(fù)核勘測和探坑。建立地面與地下測量控制系統(tǒng)，確?？刂泣c不易擾動并且校核方便，對施工影響范圍內(nèi)的地表、臨近建（構(gòu)）筑物及管線設(shè)置監(jiān)測觀測點。施工前應(yīng)對參與施工的單位、人員進行資格審查，對各級施工人員開展相應(yīng)培訓(xùn)教育和安全技術(shù)交底。

圖1 泥水平衡頂管施工工藝流程圖

4.2 工作井、接收井施工

按設(shè)計要求進行工作井、接收井施工，編制專項施工方案，支護形式應(yīng)依據(jù)其結(jié)構(gòu)形式、尺寸和周圍環(huán)境條件等因素確定，還要考慮井外附近材料、設(shè)備等堆載力的影響。依據(jù)施工條件采取必要的降水施工或土體加固措施。降水施工以保證頂管施工質(zhì)量、安全為前提，合理選擇相應(yīng)的降水方法，水位控制在井底至少0.5m 以下。土體加固可盡量利用工作井圍護結(jié)構(gòu)穩(wěn)固土體，也可補充采用注漿、噴錨等技術(shù)措施，還可設(shè)置一定厚度的混凝土洞門并安裝止水裝置，必須適時確認止水效果。

依據(jù)設(shè)計頂力、地形、地質(zhì)及設(shè)備材料等實際條件合理確定后座類型，通常采用現(xiàn)澆混凝土式后座，后座施工允許偏差為垂直高度和水平長度的1%。后座面積應(yīng)確保反力墻的承載能力滿足頂力要求，后座平面與管道軸線垂直，允許偏差不垂直度為5mm/ m，并且表面堅實平整。反力墻經(jīng)驗算須滿足設(shè)計要求和最大允許頂力的強度和剛度，否則須進行加固處理。

4.3 頂管設(shè)備安裝和調(diào)試

根據(jù)工程實際情況選擇性能及參數(shù)滿足要求的成套集成頂管系統(tǒng)設(shè)備及配套附屬設(shè)施，按照設(shè)備操作要求及施工便利的原則確定安裝位置，應(yīng)采取必要的措施并兼顧其經(jīng)濟性。

在井底安裝導(dǎo)軌，允許高程偏差0～3mm，中軸線位移偏差3mm，兩軌間距偏差±2mm，合理設(shè)置支承角，宜為60°。頂進千斤頂應(yīng)規(guī)格相同、對稱安裝且合力作用在管道中垂線上。吊裝頂管機就位如圖2 所示，應(yīng)貼合導(dǎo)軌，復(fù)核頂管機的高程、中線、仰俯角、旋轉(zhuǎn)角等參數(shù)，調(diào)整導(dǎo)軌及底盤進行校正，底盤與井底的縫隙使用鋼板襯墊。

圖2 頂管機吊裝就位

頂管機就位以后，連接頂進液壓設(shè)備、泥水循環(huán)管道、控制電纜、動力電纜和攝像儀等。機頭與各種管線連接應(yīng)牢固，不得出現(xiàn)滲漏。頂鐵與頂管承插口使用軟木板或木墊圈襯墊。注漿泵優(yōu)先選用螺桿泵，以更好滿足形成泥漿套的要求。長距離頂進時，可考慮選擇自動注漿系統(tǒng)，自動模塊與控制系統(tǒng)連接，實現(xiàn)自動化遠程控制。測量儀器有獨立固定基座，不能直接固定在設(shè)備底盤、后座上，盡量減少移動和調(diào)整。

嚴格按照設(shè)備說明書及施工方案指導(dǎo)全部設(shè)備檢驗和試運行，根據(jù)安裝情況進行單機、整機聯(lián)動調(diào)試，確保設(shè)備運行正常及功能處于完好狀態(tài)。

4.4 頂進

頂進的操作控制在中央控制室進行，一般情況下應(yīng)連續(xù)頂進，分初始頂進、正常頂進和到達頂進3 個階段。頂進前須進行頂力估算，最大頂力應(yīng)大于頂進阻力，但不允許超過管材或反力墻允許最大荷載。頂進時側(cè)重考慮挖掘、頂進、送排泥的作業(yè)順序，以及調(diào)整頂進參數(shù)。

4.4.1 初始頂進

頂進始發(fā)前驗算頂管機和管道后退受力狀態(tài)，設(shè)置可靠的止退裝置或采取如將管道與井壁相連的止退措施。初始頂進如圖3 所示，應(yīng)緩慢進行，確保頂管機、管道與洞口止水裝置處于同一軸線，主油缸合力中心宜略低于管中心，過程中要掌握頂進相關(guān)數(shù)據(jù)，作為正常頂進參數(shù)的依據(jù)。

圖3 初始頂進

初始頂進速度宜小于10mm/ min，合理控制油壓和頂管機土壓力控制值，防止千斤頂退回速度過快；當(dāng)出現(xiàn)油壓突然增高時，要立即停止頂進，并查明原因，處理后才能繼續(xù)頂進。機頭與首節(jié)管道連接時，應(yīng)保證機頭尾部超過500mm 在軌道上，并快速完成連接。

預(yù)防頂管機頭部下沉的技術(shù)措施：將導(dǎo)軌前端盡可能接近洞口，以縮短頂管機懸臂長度；出洞時要求頂進連續(xù)不停頓；設(shè)置定心環(huán)；頂管機與后三節(jié)（或五節(jié)）管道連成一體；加固洞口外側(cè)土體，確保洞口止水裝置密封可靠。

4.4.2 正常頂進

正常頂進時，應(yīng)確保設(shè)備運行參數(shù)較穩(wěn)定，速度控制平穩(wěn)但宜小于30mm/ min，杜絕突然加大頂進速度的情況。正常頂進時，側(cè)重對刀盤的轉(zhuǎn)速、扭矩進行合理的控制和調(diào)整，以確保泥水循環(huán)及分離棄土效果良好。刀盤通常設(shè)為高轉(zhuǎn)速、中低扭矩狀態(tài)，具體情況應(yīng)視土質(zhì)變化和頂進效果而定。合理控制開挖量與出土量，促使掘進面穩(wěn)定和泥水平衡，確保頂管機正常頂進。根據(jù)控制臺儀表顯示信息，不斷地對土壓力、刀盤位移、切土口大小、糾偏千斤頂行程、泥漿泵和泥漿流向等進行調(diào)整，確保頂進正常進行，如圖4 所示。

圖4 控制室操作

4.4.3 頂管管節(jié)安裝

管節(jié)安裝時應(yīng)暫停頂進，并對已頂進的管節(jié)采取臨時限位固定措施后，才能縮回主千斤頂。管節(jié)安裝完成后，繼續(xù)頂進。當(dāng)施工最大頂力可能超過允許頂力時，應(yīng)按設(shè)計采取減少頂進阻力或增設(shè)中繼間等技術(shù)措施。管節(jié)吊裝前要做好準備工作（圖5），預(yù)先將泥水循環(huán)管道通過配套弧形卡環(huán)合理固定在管道內(nèi)壁，將橡膠密封圈內(nèi)嵌或外套在預(yù)留的環(huán)拱槽中，具體情況視管材類型確定。

圖5 管節(jié)吊裝準備

使用移動吊車將管節(jié)調(diào)運至導(dǎo)軌上（圖6），重新可靠連接泥水循環(huán)管道，檢查調(diào)整密封圈使其滿足要求，并與前一段管節(jié)承插連接安裝。頂管管節(jié)安裝時，要確保管壁和接口處無滲漏、無灰塵、無油污，管道內(nèi)部干燥、清潔無雜物。繼續(xù)頂進前，必須檢查每節(jié)管道中線位移、管底高程和接口情況，確保符合設(shè)計和質(zhì)量驗收要求。及時按照管節(jié)實際安裝順序?qū)ζ溥M行連續(xù)編號，并明顯標注在管節(jié)外壁。頂管機后應(yīng)連續(xù)設(shè)置4 節(jié)帶注漿孔的管節(jié)，往后每隔一段距離放置一節(jié)帶注漿孔的管節(jié)。小于1000mm 的管道在兩端預(yù)埋注漿管。

圖6 吊裝管節(jié)下井安裝

4.4.4 到達頂進

當(dāng)頂管機頂進至離接收井約3 倍管經(jīng)范圍內(nèi)，須降低頂進的速度，以減少管道的正面阻力，盡可能減少對周圍土體擾動，避免對接收井造成不利影響，確保頂管機能平穩(wěn)進洞。加密復(fù)核測量頂管機的方位，確認頂管狀態(tài)、預(yù)估頂管機出洞時的狀態(tài)，確保頂管頂進是按照預(yù)定線路和方案實施，且能準確無誤的進洞。頂管接收應(yīng)準備好枕墊或接收導(dǎo)軌，進洞后應(yīng)適當(dāng)繼續(xù)頂進，直到管道超出洞口至少0.5m。

4.5 泥水循環(huán)及減阻注漿

泥水循環(huán)和減阻注漿是泥水平衡的最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，它們幾乎與頂進作業(yè)同時進行。循環(huán)泥水的比重、黏度參考試驗確定值或施工實際情況調(diào)整。嚴格控制和調(diào)整泥水流速、壓力和比重等參數(shù)，確保掘進面快速形成泥膜并保持穩(wěn)定狀態(tài)。利用泥水分離裝置（圖7），對泥水分離進行有效管理，并及時將排放顆粒進行二次處理。

圖7 泥水分離裝置

觸變泥漿是最常用的減阻注漿材料，將添加膨潤土制成的觸變泥漿泵送注入管道與土體環(huán)空內(nèi)，起到潤滑作用從而降低頂進阻力，使頂力得到合理控制。觸變泥漿注漿流程：造漿靜置→注漿→頂管頂進進（同步注漿）→頂管停止頂進→停止注漿。觸變泥漿注漿原則：先注后頂、隨頂隨注、及時補漿。觸變泥漿的配合比根據(jù)試驗確定。觸變泥漿實際注漿量往往比理論注漿量大，要避免過量注漿而造成管道上浮或失穩(wěn)的情況發(fā)生。注漿壓力須合理控制，按不大于0.1MPa 逐步加壓直到升至控制壓力。注漿時如出現(xiàn)故障、堵塞、滲漏等情況，必須經(jīng)處理后才能繼續(xù)頂進。當(dāng)較長停頓后恢復(fù)頂進時，須加大補漿量、連續(xù)補漿或增加補漿點。

4.6 頂進后處理

當(dāng)頂管管節(jié)為工作管道的保護套管時，在頂管頂進接收完成后，應(yīng)盡快將如圖8 所示套有墊圈或U 型滑輪的工作管道推送進入頂管完成安裝。頂進后，還需進行泥漿置換，采用現(xiàn)場拌合水泥漿及時置換頂進過程中注入的觸變泥漿，或?qū)μ坠芘c工作管之間的空隙使用泡沫混凝土填充，同時采用彈性密封材料對壓漿孔及時進行封堵。

圖8 帶墊圈的玻璃鋼工作管

4.7 測量與監(jiān)測

泥水平衡頂管施工應(yīng)遵循“勤測量、常監(jiān)測、微糾偏”原則，進行全過程測量與監(jiān)測。測量控制基準點、臨時水準點、管道軸線控制樁和高程樁等控制點，它們在使用前有可能發(fā)生位移、沉降、變形，應(yīng)及時復(fù)核并定期校核。使用全站儀或激光經(jīng)緯儀連同頂管機內(nèi)激光靶組成誤差測量系統(tǒng)，對頂進高程和軸線全過程測量糾偏，激光靶的感光元件將位置信息反饋至控制室。

是否采取糾偏措施應(yīng)由糾偏測量情況、偏差大小、偏差產(chǎn)生原因及發(fā)展趨勢來確定。頂管機糾偏不能追求零偏差，偏差大于2 倍中誤差時可考慮糾偏。通過對頂管機糾偏系統(tǒng)的相鄰千斤頂進行成對動作控制達到糾偏目的。糾偏在頂進中進行，且須保持掘進面穩(wěn)定，應(yīng)做到小角度逐步糾偏，先糾高程后糾中線。

初始頂進時應(yīng)不間斷測量，到達頂進時進洞前30m 應(yīng)加密測量，每頂進300mm，測量不應(yīng)少于一次；正常頂進時，每頂進500～1000mm，測量不應(yīng)少于一次；糾偏量較大或頻繁糾偏時，應(yīng)適當(dāng)增加測量的次數(shù)。對每個管節(jié)接口處進行水平軸線和高程測量，如有錯口應(yīng)立即測出相對高差。對地面沉降，建筑物的沉降、位移和損壞，地下構(gòu)筑物及管線的沉降、位移及滲漏等重點監(jiān)測。在穿越線路20m 范圍內(nèi)，設(shè)置2m×2m的網(wǎng)格測量坐標點矩陣，使用水準儀對原始地面進行測量，施工過程中使用全站儀或GPS 測量設(shè)備進行沉降監(jiān)測。

5 設(shè)備與管材

泥水平衡頂管施工技術(shù)使用的設(shè)備、材料均應(yīng)符合合同約定和設(shè)計要求。頂管系統(tǒng)設(shè)備主要包括頂進系統(tǒng)及導(dǎo)軌、頂管機及中繼間、泥水循環(huán)系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測量與監(jiān)視系統(tǒng)等，還應(yīng)配置起重設(shè)備、井區(qū)排水、辦公室、休息室、通風(fēng)、供電、通信及安全設(shè)施等附屬設(shè)施[4]。該技術(shù)使用的管材為混凝土包裹玻璃鋼管或混凝土套管，預(yù)制參數(shù)如圖9 和圖10 所示。

圖9 混凝土包裹玻璃鋼管預(yù)制尺寸表

圖10 混凝土套管預(yù)制尺寸表

6 質(zhì)量控制

頂進管道應(yīng)按合同約定質(zhì)量標準進行質(zhì)量驗收，主要控制中線位移、管底高程和相鄰管間錯口的允許偏差，每管節(jié)至少檢驗1 次。頂進距離不大于100m，中線位移允許偏差50mm，管底高程允許偏差-40～30mm；頂進距離大于100m，中線位移允許偏差100mm，管底高程允許偏差-60～40mm；相鄰管間錯口允許偏差不大于2mm。

通常采取以下質(zhì)量控制措施：原材料和設(shè)備進場符合規(guī)定程序，并經(jīng)驗收合格，計量器具和檢測設(shè)備經(jīng)檢定、校準合格；制定質(zhì)量計劃及檢驗試驗計劃，嚴格落實技術(shù)交底，確保施工質(zhì)量滿足施工方案、合同規(guī)范和設(shè)計圖紙要求；制定交接班管理制度，做好頂管施工記錄資料及交接記錄；針對不符合項應(yīng)立即報告，并采取糾正和預(yù)防措施。

7 安全措施

堅持“安全第一，預(yù)防為主，綜合治理，持續(xù)改進”的安全生產(chǎn)方針，建立健全安全生產(chǎn)管理組織機構(gòu)及安全生產(chǎn)管理制度，落實全員職業(yè)健康安全環(huán)保責(zé)任制；對施工活動的危害和風(fēng)險進行評估，提出有效防范措施；嚴格落實安全技術(shù)交底，開展安全教育培訓(xùn)；確保施工現(xiàn)場安全通道、安全圍護、安全警示標志等安全措施落實到位；吊裝作業(yè)時，井內(nèi)與地面應(yīng)分別配一名起重信號工進行指揮；夜間頂進施工，必須符合夜間施工安全管理規(guī)定，夜間照明須滿足安全要求；落實建（構(gòu)）筑物、地下管線安全保護技術(shù)措施；配置通風(fēng)設(shè)施和氣體檢測報警裝置，確保每人所需通風(fēng)量不小于30m3/ h；現(xiàn)場張貼緊急聯(lián)系電話、消防疏散應(yīng)急預(yù)案及設(shè)施。

8 環(huán)保措施

嚴格遵守工程所在地環(huán)境保護相關(guān)法律法規(guī)，制定并遵守環(huán)保規(guī)章制度，加強環(huán)境保護控制與治理；編制環(huán)境保護計劃，嚴格落實環(huán)保技術(shù)交底，加強環(huán)保教育培訓(xùn)；材料堆放整齊，標識清楚，保持施工文明、環(huán)境整潔；避免油料污染；廢土、渣土和廢泥漿集中堆放，及時外運處理；夜間施工應(yīng)采取措施減少聲、光的不利影響；合理控制施工期間噪聲，必要時采取降噪措施。

9 效益分析

泥水平衡頂管施工技術(shù)突破了管道埋設(shè)受周圍環(huán)境或特殊情況影響選擇施工方法的局限性，最大限度避免了對施工范圍內(nèi)建（構(gòu)）筑物、地下管線設(shè)施等產(chǎn)生的影響或破壞，確保了頂管施工安全，施工產(chǎn)生的廢土、渣土、廢泥漿和噪音等危害也得到了最大限度地降低。穿越天然氣管廊、高壓電力電纜槽等頂管工程的成功執(zhí)行，為類似條件下同類工程施工的決策建議和技術(shù)指標提供了參考，有利于促進非開挖埋管施工技術(shù)的進步，具有明顯的環(huán)境效益、技術(shù)效益和社會效益。

該技術(shù)具有廣泛的土層適用范圍，采用成套集成設(shè)備及優(yōu)化創(chuàng)新的施工工藝，技術(shù)先進，易于操作，工程進度快，施工精度高，提高了頂管施工質(zhì)量，避免了施工程序或方法不當(dāng)而增加成本，一定程度上降低并控制了工程造價，具有較好的經(jīng)濟效益。

10 結(jié)語

結(jié)合迪拜世博會道路網(wǎng)改造工程項目采用泥水平衡頂管施工技術(shù)穿越天然氣管廊、高壓電力電纜槽遷改市政供水管的工程實例，闡述了泥水平衡頂管施工技術(shù)的特點、適應(yīng)范圍和工藝原理，詳細介紹了具體工藝流程和操作要點，并說明了質(zhì)量、安全、環(huán)保措施。該技術(shù)采用成套集成設(shè)備和新型管材，進一步拓展了適用范圍，并有效保證施工質(zhì)量、安全及環(huán)保，也提高了施工效率和進度，創(chuàng)造了較好的效益。泥水平衡頂管施工技術(shù)的成功實施，對相關(guān)的各類地質(zhì)條件和工程環(huán)境下頂管施工技術(shù)深入研究和應(yīng)用具有一定的參考價值，具有較高的社會、技術(shù)、經(jīng)濟效益。