泥水平衡顶管施工技术在市政管道工程中的应用

泥水平衡顶管施工技术在市政管道工程中的应用

胡志格戚钦杰芦家骏李建温紫能

中建一局第三建筑有限公司武汉430070

摘要：泥水平衡顶管作为一种非开挖技术，以其施工效率高、对环境影响小和成本低等优点，广泛用于穿越河流、道路等障碍限制条件下的管道工程建设中。本文以泥水平衡顶管在建安街项目排水工程中的应用为例，结合泥水平衡顶管的原理及优点，介绍了工作井设计及管材选择，阐述了顶力、后背墙的计算选用，以及管节顶进方法、泥浆护壁、泥浆置换等措施，指出该施工技术加快了施工进度，值得推广应用。

关键词：水泥平衡；工作井；顶力计算；顶进方法；泥浆护壁；泥浆置换

0引言

随着城市建设的发展，传统的开槽施工越来越不适宜于市政管网的施工需要。为了减少对交通、市民正常活动的干扰，减少房屋的拆迁，改善市容和环境卫生，地下管道顶管施工目前已成为市政排水工程施工的最佳方案。但是顶管施工投资比开挖施工高，对施工技术及管道材料要求也高，掌握施工技术要点有助于合理选择市政排水施工工艺，成功高效地完成顶管施工。

1工程概况及顶管工艺选择

1.1工程简介

建安街（白沙洲大道~南湖路）工程施工项目中，过京广铁路段污水管道采用管径D1200mmⅢ级钢筋混凝土管，管材强度要求不小于C50，抗渗等级不小于P8，设计采用顶管方式完成施工，总长度约880m，管道埋深约8m，顶管穿越土层主要是粉细砂层，地下静止水位在地面以下6m~7m。

1.2工艺选择

目前顶管设备选型主要考虑穿越地层渗透性系数、岩土颗粒大小以及穿越工程周边条件。当穿越地层为渗透系数较大的大砂层、砂砾层时宜选用泥水平衡顶管机，而渗透性数较小的黏性土层应选用土压平衡顶管机。同样，地层中粉粒和黏粒的总量达到40％以上时，通常会选用土压平衡顶管机；相反则选择泥水平衡顶管机比较合适。当顶管穿越周边环境安全等级较高时，泥水平衡顶管法为最优选择。

由于管线距离长、埋深大、施工场地狭窄，且地上周边建筑较为密集，紧邻的交通道路车流量大，开挖深度较大，土方量大难于倒运等因素，若采用大开挖方式必定会对路面的交通运输产生严重影响且受制于场地施工难度极大，根据土质水文条件、周边环境以及工期要求，经专家论证后决定采用泥水平衡顶管施工工艺。

2泥水平衡顶管的原理及优点

2.1原理

从地面开挖工作井和接收井，采用泥水平衡式工具管全断面切削土体，进泥管向泥水舱注入一定压力的泥水，排泥管不断将混有弃土的泥水排出泥水舱，以泥水压力来平衡土压力和地下水压力。管节从工作井吊放，千斤顶选用高压油泵从工作井将管道逐节顶入，从接收井预留孔穿出，从而形成管道的施工方法。

2.2优点

采取全封闭式顶进，无需土质改良或降水处理，可有效的保持挖掘面的相对稳定，对管道周围的土体扰动小，地表沉降小;顶管施工总推力较小，施工速度快，适宜较长距离顶管;工作井内的作业环境好，作业较安全;尤其对地下水位很高，地下水压力变化较大的地层更具有优越性。

3工作井设计

3.1工作井位置的选择

顶管工作井选在设计检查井位置;工作井处应便于设备、材料运输及下管、排水;单向顶进，当顶管段两端条件相近时，工作坑宜选在管线下游;工作井距离建筑物、铁路等较近时，必须保证足够的安全距离或采取加固措施。

3.2工作井结构形式

本工作井结构形式有矩形井及圆形井，按照井两侧顶管施工走向确定，一般呈直线采用矩形井，两侧走向夹角呈钝角采用圆形井。本工程顶管工作井与接收井设计均采用矩形钢筋混凝土沉井。

3.3工作井尺寸

底宽:B=D1+S，其中，D1为管外径，m;S为管两侧操作宽度，一般为每侧1.2m～1.6m。

底长:L=L1+L2+L3+L4+L5，其中，L1为管子顶进后，尾端压在导轨上的最小长度，混凝土管一般留0.3m～0.6m，使用工具管时，L1应取0.5m;L2为管节长度，m，取2m计算;L3为出土工作间长度，m，取1.5m;L4为液压油缸长度，m，此处取1.2m;L5为后背所占工作井长度，包括横木、立铁、横铁，取0.8m。

深度:H=h1+h2+h3，其中，h1为管道外缘底部深度;h2为管道外缘底部至导轨底面的高度;h3为基础及其垫层厚度。

本工程工作井净尺寸为6m×4m，深度为10m~11m。

3.4导轨安装

将枕木埋设于混凝土基础中，混凝土基础顶面低于枕木面10mm～20mm。枕木长度宜采用2m～3m，埋设间距可根据管重、顶力和土质选取400mm～800mm，枕木截面不小于150mm×150mm。导轨用型钢和38号钢轨制作，钢轨焊于型钢上，型钢用道钉将导轨固定在枕木上。导轨安装必须直顺、平行、等高，安装应严格控制高程、内距及中心线。导轨轴线偏差不大于3mm;顶面高差0mm～+3mm;两轨间距±2mm。安装时可用根据所顶管子的实际外径制作的弧形板进行检查。

3.5后背墙

后背应具有足够的强度、刚度和稳定性，当最大顶力发生时，不允许产生相对位移和弹性变形，此外考虑后背是临时结构，应力求节约。

工作坑需提供反力以保证顶管单段推进的最大推力，其反力应为总推力的1.2~1.6倍。反力计算公式如下：

R=αB（γH2Kp/2+2cHKp0.5+γhHKp）

式中：

R——总推力之反力(kN)

α——系数（取1.5~2.5），取2

B——后座墙的宽度（m），取3m

γ——土的容重（kN/m3）

H——后座墙的高度（m），取4m

Kp——被动土压力系数，Kp=tg2(45°+φ/2)，取φ=27

C——土的凝聚力（kPa），取0

h——地面到后座墙顶部土体的高度（m），取4m

按上式计算，工作井能承受728.58T顶力，约为实际最大顶力524.2T的1.38倍，能满足要求。

4管材选择

顶管管材按设计要求采用F型钢承口式钢筋砼Ⅲ管，强度C50，抗渗标号P8，钢套环和锲形橡胶圈接口。管材的规格、外观、强度等级必须符合设计要求，并具有出厂合格证及试验报告。

5顶力计算

顶管推力就是顶管过程中管道受到的阻力，包括工具管切土正压力、管壁摩阻力。本工程土质参数基本相同，顶力计算时取最大单元长度进行计算。

本工程按最大顶距180米计算：

F=F1+F2

上式中：F—总推力；

F1—端阻力；

F2—侧壁摩阻力；

F1=π/4×D2×P

上式中：D—管外径，取1.5m；

P—控制土压力；

P=Ko•γ•Ho

上式中：Ko—静止土压力系数，一般取0.55

Ho—地面至掘进机中心的高度，取值8m

γ—土的重量，取2.0t/m3

F2=πD•f•L

上式中：f—管外表面综合磨擦阻力，根据地质勘察报告及触变泥浆减阻工艺，取值0.60T/m2

D—管外径（m），取1.5m

L—顶距（m）

F=F1+F2=π/4×D2×P+πD•f•L=524.2T

工作井内设备顶进能力可达到600T，采用4个150T的千斤顶满足要求（当触变泥浆技术成熟可靠、管外壁能形成和保持稳定、连续的泥浆套时，f值可直接取0.3～0.5T/m2，本工程f值取值较大，设备顶进能力完全能满足需要）。

6顶力计算

6.1洞口止水装置

洞口止水装置安装质量好坏将直接影响到顶管是否能够顺利通畅地进出洞，对洞口密封的可靠性影响极大。洞口止水装置应依据每个工作井的具体情况进行设置，在富水的砂层顶管中，洞口止水是一个十分重要的环节，应做好洞口止水装置安装工作。为了防止因顶管机的剪切而使得止水装置失去止水效果，那么止水装置扣除止水圈外的最小直径应比顶管机外径大80mm。为了防止触变泥浆的流失及顶管机头进出洞时流进泥水，应安装由橡胶板、垫圈、预埋法兰底盘、钢压板和螺栓等零件组成的前墙止水圈，橡胶法兰，兰底盘应提前预埋在混凝土沉井内，并保证其预埋位置准确，预埋牢固，端面平整，螺栓的丝扣应采用塑料薄膜进行保护，前墙止水圈与井壁之间的缝隙采用防水砂浆封堵密实，确保不漏浆不漏水。对于接收井的洞口止水因顶管进洞的姿态很难确定，可以不设置止水装置，但必须对洞口的地基进行注浆加固，接收井预埋钢法兰与首管之间采用扇形板进行焊接，接收井应按照计算好的标高安装引导轨来接收工具管的进洞。这样接收井接头转变为钢性连接，除了满足止水需要，还能预防叩头情形出现。

6.2穿墙

沉井下沉时后背预留孔洞用砖砌封堵与墙同厚，顶管完成后拆除。为防止管线出现偏斜，应采取以下几点措施:

1)将工具管推进至离洞口1m处停止。工具管要严格调零，将工具管调整成一条直线，此时仪表所映的角度应该为零，调零后将纠偏油缸锁住。

2)工具管出洞后，由于支撑面较小，工具管易出现下跌。为此须在工具管下的井壁上加设支撑，导轨前端尽量接近穿墙管，减少顶管机的悬臂长度，同时将工具管与前3节管之间连接，加强整体性。

3)工具管出洞后，发现下跌时立即采取主顶油缸进行纠偏。

4)工具管出洞前，可预先设定一个初始角(不大于+5')，以弥补工具管下跌。

5)出洞操作速度要快，以防出洞口外土体坍塌。6.3正常顶进

出洞工作结束后，即可进行正常的顶进施工。正常顶进时，先在顶管机头内注入水，经由小刀盘切削，由管道内泥浆管运送至井边始沉池和终沉池，然后将泥浆外运。

实际操作时，只要机头倾角与设计的偏离在±5%之内，且激光点偏离靶心不超过1cm，就可以不作调整继续顶进。顶管机纠偏不宜追求零偏差，不可用大角度纠偏，应根据管道偏差的大小、偏差发展趋势而确定，使顶管机轨迹过渡平稳。

6.4进洞

顶管进洞前应做好以下几方面的工作:

1)顶管机进洞前的3倍管径范围内应减慢顶进速度，减小正面阻力对接收井的影响。

2)破除接收井砖墙。

3)接收井安装临时支架，防止顶管机头下落。

4)顶入的首节管在接收井内露出的长度必须符合要求。

5)管道进洞后尽快封堵接收孔，防止泥水进入接收井。

6)工具管进洞后，尽快把工具管和混凝土管节分离，并把管节和工作井的接头做刚性接头。

7膨润土泥浆护壁（触变泥浆）

顶管机推进过程中，在顶管机内沿顶管轴线方向注入泥浆，达到改良土体，防止顶管机前端土体流失的目的。顶管的触变泥浆具有两种作用，一种是润滑作用，另一种是支撑作用，不使土体坍塌。

注浆应和顶进同步进行，其原则是先注浆，后顶进;随顶进，随注浆;确保管外围泥浆套的形成，充分发挥减阻和支承作用。在顶进过程中避免长时间的泥浆停注，保证顶进过程中的全部管段充满良好的泥浆套。为减少地面沉降，应减少减阻泥浆套的厚度。实际注浆量对于粘性土和粉土不应大于理论注浆量的3倍；对于砂层应大于理论压浆量的3倍。

8泥浆置换

顶管工序结束后，从混凝土管内部通过注浆孔向管外土体注入加固浆液，对土体进行加固，可最大限度地消除地面沉降以及保证管道的稳定。

注浆所需的设备有：空压机、搅拌机、压力罐、注浆管等，注浆设备加装隔膜型压力表，确认注浆压力，并为注浆记录提供参考压力数据。

使用的注浆材料为水泥加粉煤灰浆，由管道内部的注浆孔压注，注浆次数不少于三次，两次间隔时间不大于24小时。

每两节混凝土管编为一组，第一节管注浆孔注浆，第二节管注浆孔排浆，从管道一端开始，依次进行。将注浆泵清洗干净，吸浆龙头放入灰浆池内，开启注浆泵，打开第一组注浆口，当第一组排浆口冒出灰浆后，关闭阀门，再打开第二组，以此类推，直到全线完成。再关闭所有阀门，保压一小时。待一次注浆初凝后疏通注浆管，进行二次注浆。

9结语

随着城市建设的发展，顶管施工在市政排水工程中得到了越来越多的应用，技术人员需要掌握工作井设计方法、管材选择、顶力估算、管道顶进方法、触变泥浆减阻、测量控制等技术要点，控制好施工每个环节，做好施工质量控制。

本次施工采用泥水平衡顶管施工方法，相对于大开挖从社会效益和经济效益上来讲更具有优越性，同时大大加快了施工进度，为实现项目的节点目标打下了良好基础。

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