不均匀地层中机械顶管技术探究

不均匀地层中机械顶管技术探究

张磊

中国水利水电第三工程局有限公司   陕西 西安 710000

摘要：顶管机对特殊地层的适应能力有限，可能出现顶管效率降低、顶管受阻等问题。为此，文章以机械顶管技术为对象，着重探讨其在不均匀地层中的应用要点，以供参考。

关键词：不均匀地层；机械顶管技术

前言：顶管属于地下管道施工领域的常见方法，其突出特点在于以无需开挖为前提，高效穿越公路、河流、地面建筑物等，无论何种季节均具备顶管作业的条件。在地下埋深管道施工中应用顶管技术后，可减少土方开挖量，保证管道施工质量的同时减轻对周边环境的影响，具有突出的综合应用效果。

1工程概况

本工程为城市室外管道工程，明挖深度一般为3.37-5.10m、顶管埋深6.11-9.12m，工程重要性等级为二级，顶管施工部分工程重要性等级为一级。拟建工程位于城市道路上，沿线分布地下管线及居民区等、沿线局部存在软土，不良地质作用不发育，场地复杂程度为二级（中等复杂场地）。场地沿线岩土种类较多，不均匀，性质变化较大，岩土条件复杂等级为二级（中等复杂地基）。

2顶管及沉井施工方案

2.1顶管施工技术及选择

2.1.1气压平衡管施工技术

在气压平衡的条件下，用工具管切割土体，期间地下水对顶管施工的影响微乎其微，有利于顶管的高效进行，同时挖掘面的稳定性较好，因此在渗透性较强的土基中取得广泛的应用。在卵砾石层顶进时，切削头难以适应高硬度的石料，切割效果变差，严重时引起气体管道失压问题，对工程质量和人员的人身安全均造成严重的不良影响。根据技术的适用性原则，在应用气压平衡管施工技术时需考虑现场地质条件，例如在硬度较大的卵砾石中不宜采用此技术。

2.1.2泥水法顶管

顶管工具采用“H”形盾构式旋转刀架，在土质硬度较大的地层中高效掘进。局部存在硬度较大的土质结构时，配套合金组合切削导排，保证切削的有效性，掘进过程中产生的切削物经由排浆管排放至指定位置，以免造成堆积。

2.1.3人工顶管法

机械设备和人工联合作业，高效推进顶管作业进程。顶管作业现场存在砂性及硬质泥岩土层时，宜采用人工开掘的方法，若存在地下水的干扰，此方法的适用性有限，需谨慎使用。具体至本工程，现场为填海复杂地层，地下水对工程施工的干扰较强，因此人工顶管法在本工程中缺乏适用性。经技术可行性、施工安全性、经济高效性多角度的对比分析后，认为泥水法顶管施工技术在本工程中具有可行性。

2.2顶管施工的基本要求

（1）管道的轴向曲率需达标，管材性能稳定可靠，满足成孔稳定性的要求。

（2）顶管的扰动性较小，不可由于顶管而导致地面出现明显的沉降现象，同时路面及周边构筑物均要保持相对稳定的状态。

（3）顶管全过程中加强观测，判断邻近建筑物及管线是否发生沉降，根据观测结果采取控制措施。

2.3顶管施工建议

（1）顶管采用泥水平衡式顶管工具头，原因在于此装置对岩土层的适应能力强，顶管过程中周边设施的沉降处于可控状态，顶管的控制精度较高。

（2）顶管必须建立在明确现场情况的前提下，因此需加强调查，判断顶管路线、现状道路管线等的具体情况，结合顶管路线规划做对比分析，评价是否存在交叉冲突，若确有存在，需及时优化，避免干扰。

（3）顶管过程中，由专员24h不间断监测，及时掌握现场情况，采取控制措施。顶管掘进机缺乏防爆特性，即便管道中汇聚少量气体也易引起浓度超标的情况，严重时发生爆炸事故。因此，需加强监测，且根据各部位的特点采取适宜的监测方法，例如管道内及井口部位用便携式气体检测仪监测，机仓内采用固定式气体监测系统。

（4）有限空间作业必须配备的空气呼吸器、便携式气体检测仪、有毒有害气体防护面罩、安全带、安全绳，防护服、应急消防器材等配备到位，并确保能够正常使用。

3顶管施工常见问题、原因分析及防治措施

3.1管道轴线偏差

3.1.1原因分析

（1）地层不均匀，工具管在使用过程中局部受力异常偏大，出现导向偏差，进而作用于管道，迫使其产生偏差。

（2）顶管后背缺乏平整性或存在位移现象，产生管道轴线偏差。

（3）多台千斤顶协同作业时，每台设施的运行缺乏同步性，或安装精度偏低，诸如此类情况均会导致管道轴线出现偏差。

（4）未严格按照要求检测偏差并纠正，或单次纠偏力度过大。

（5）检测所用的经纬仪遭到碰撞而缺乏足够的精准性，或未及时调整轴线导向。

3.1.2预防措施

（1）顶管前，详细检查管道通过地带的地质条件，根据现场情况防控，为正式顶管创设良好的条件。

（2）配套测力装置，为顶管纠偏提供参照基准。

（3）顶管采用同规格的千斤顶，由专员协调管控，要求顶速、顶力、行程均具有一致性且满足要求。

（4）加大对顶管后背施工质量的管控，要求后背维持稳定与平整。

（5）顶管期间需及时发现偏差并予以调整，即遵循“勤测量、勤纠偏、小量纠”的原则。

3.1.3治理方法

（1）根据顶管状态调整千斤顶的运行参数，着重考虑的是顶速、顶程、顶力。

（2）对顶管后背采取加固措施，以免出现位移现象。

（3）避免盲目纠偏，即在纠偏前需分析顶进曲线的发展趋势，根据实测结果以循序渐进的方式纠正偏差，经过多次纠偏后达到要求。

（4）经纬仪的轴线导向可能出现偏差，因此每日均要由专员检查。

3.2地面沉降与隆起

3.2.1原因分析

（1）覆土深度不足，地面隆起。

（2）纠偏方法缺乏科学性，导致地层土体损失。

（3）顶管结束后未置换泥浆，或管道外围存在环形空隙，均会导致土体损失。

（4）管道接口部位的严密性不足，该处有水土流失问题。

3.2.2防治措施

（1）详细调查地质条件和现场环境，根据掌握的现场施工条件制定科学可行的施工方案。对于临近管道的建筑物，采取加固防护措施。

（2）配套测力装置，及时测定顶进压力并予以控制。

（3）严格控制顶管轴线偏差，采取勤测量、勤纠偏、小量纠的操作方法。

（4）顶进过程中及时足量地注入符合技术标准的润滑支承介质填充管道外围环形空隙。施工结束及时用水泥或粉煤灰等置换润滑泥浆。

（5）管道接口部位易渗漏，因此需加强控制，保证严密性。

3.3顶力骤增

3.3.1原因分析

（1）掘进机运行过程中遇到障碍物，摩阻力增加。

（2）管道轴线存在偏差，从而出现弯曲现象，迫使摩阻力加大。

（3）膨润泥浆的配置不合理，或拌制后的浆液未及时注入，或注入量、注入压力异常。

（4）顶进设备的油缸、油泵等设施出现故障。

（5）由于设备异常或其它原因而长时间停顶，润滑泥浆的含水量逐步降低，难以取得良好的减阻效果。

3.3.2防治措施

（1）顶进过程中加强对偏差的检测与控制，确保全过程中管道轴线偏差始终在许可范围内。

（2）根据现场地质条件制备合适类型的泥浆，及时将拌制后的泥浆注入到位。

（3）顶进期间加强对顶进设备的检查与维护，避免设备带病运行。

（4）尽可能避免停顶现象，由于特殊情况必须停顶时，竭力缩短时间。

3.3.3治理方法

加强对顶力的监测与控制，发现此指标异常波动时，随即查明原因，采取控制措施。

结束语：

概而言之，本文对不均匀地层的顶管施工技术展开分析，提出关键作业要点，包含顶进前的全面勘察、顶进方式的选择、顶进设备的配套、顶进期间的监测与控制等，及时发现问题并快速处理，在安全的前提下有效将顶进工作落实到位，并最大限度减小对周边既有设施的影响，取得良好的综合应用效果。

参考文献：

[1]罗利,胡中华,王佳林.长距离大管径泥水平衡机械顶管技术研究——以毛家湾干管工程为例[J].科技和产业,2023,23(06):198-202.

[2]雷琳.长距离机械顶管先顶后井施工技术研究与应用[J].山西建筑,2023,49(10):111-113+149.

[3]李晓楠.水利工程建设中顶管施工技术的应用探讨[J].建材发展导向,2023,21(08):154-157.

[4]来峰.土压平衡式顶管施工技术在市政工程中的应用研究[J].工程与建设,2022,36(03):795-797.

[5]石子勇.机械顶管技术在市政管道施工上的应用[J].新型工业化,2022,12(09):111-115.

[6]鞠新杰,董海龙,华天波,冯建华.砂卵石地层机械顶管施工技术研究与应用[J].工程建设与设计,2022,(13):270-272.

[7]闫喜彬.泥水平衡机械顶管技术在燃气工程项目中的应用[J].化工设计通讯,2021,47(10):150-151.