大口径泥水平衡顶管的施工技术

大口径泥水平衡顶管的施工技术

谭璀

茂名市水务投资集团有限公司广东茂名525000

【摘要】泥水平衡顶管施工技术是城市建设中的一项重要的施工技术，普遍应用于市政管网施工中。本文结合工程实例，对大口径泥水平衡顶管施工技术进行了详细的介绍，并提出了应对高地下水位的技术措施，旨在为类似工程施工提供参考。

【关键词】泥水平衡；顶管施工；施工技术

引言

随着我国社会经济的快速发展以及城市建设的不断进步，顶管施工技术以其综合造价低、施工推进快、施工安全、对环境影响小等优点，在城市建设工程施工中得到广泛的应用。而泥水平衡顶管施工技术作为较为常用的一种非开挖施工方法，在地下水位较高的工程施工中具有良好的应用前景。鉴于此，笔者结合工程实例，进行了相关介绍。

1泥水平衡顶管施工

1.1工程概况

某供水管道顶进总长1319m(米)，单段顶进长度最长230m。管道穿越地质地层从地面以下20m以内为素填土、粉质粘土、淤泥、中砂层。3个顶进管段地下水位为地面以下2.3m。管道埋深(地面至管中心线)约7m。管道穿越地层土质主要为粉质粘土，部分是淤泥。此种地质适合选用泥水平衡式顶管施工。管道全部采用直线顶进。

1.2工艺原理

泥水平衡顶管机施工以泥水平衡为基础，由泥水平衡顶管机掘进头向前顶压掘进，刀盘切削前方泥水、砂石、磨碎大颗粒砾石，和输送至泥水仓的水混和成泥浆，由泥水输送系统输送至泥水处理站，即弃土以泥水方式排放出顶管机，利用泥水压力来平衡顶进工作面上的水压力和土压力，通过调节出泥舱的泥水压力稳定开挖面，在不开挖地表的情况下，利用液压顶进工作站从工作坑将铺设的管道顶入，从而在顶管机之后直接铺设管道。

1.3工艺流程

见图1。

1.4施工关键技术

1.4.1顶力估算

顶力计算参考《给水排水工程顶管技术规程》(CECS246:2008)

F=πDLfk+NF

F—总顶力(KN)

D—管道的外径(m)取2.16m

L—管道设计顶进长度(m)取230m

fk—管道外壁与土的平均阻力(KN/m2)取7kN/m2

NF—顶管机的迎面阻力(KN)

NF=π/4D2rH

D—顶管机外径(m)取2.16m

r—土的重度(KN/m3)取18KN/m3

H—覆盖层厚度(m)取7m

F=3.14×2.16m×230m×7kN/m2+3.14/4×2.162m2×18kN/m3×7m=10919kN+416kN=11335kN

总顶力估算为11335kN。无需设置中继环。

1.4.2泥水平衡管理

在不同土质条件下控制好泥水平衡，方能建立起挖掘面上的压力平衡。根据所在土层(粉质粘土、淤泥)实际控制泥浆密度在1.078－1.109(kg/cm3)之间，可以保证压力控制。

在施工时，输入的泥水在泥水仓建立一定的泥水压力，此压力应需比顶管机掘进头处土层的地下水压高△P，一般为20kpa，这样才能保证施工时开挖面的稳定。

在掘进过程中，除关注压力仪表外，应经常注意排泥处水头变化，观察水头可以看出地下水压力的变化。如果出现排水泥水压力水头大增，应及时采取调整顶进压力，增减泥水泵压力，或控制阀门大小等措施，保持挖掘面稳定。

要经常检查排出泥水浓度和密度，还有所含物质，对照检查排泥泵的流量及压力是否正常，防止排泥量过小造成排泥管淤积和堵塞，过大造成挖掘的失衡。

当掘进停止或者排泥管清淤时，应关闭排泥阀门，防止泥水流出，也应防止泥水从洞口或其他地方流失，防止挖掘面失稳。

泥水分离；对顶进过程中排放出来的泥水进行泥水分离，最常采用的是沉淀池法，就是把排出的泥水排入沉淀池，一定时间后，颗粒较大的自然沉淀于底层，抽去上层清水，下层既是分离出来的泥浆，上层清水可重复使用，泥浆可以处理，这是一种简单而又经济的处理方法。

1.4.3纠偏

随着管节的顶进，不断观察机头轴线位置和各种指示仪表，纠正管道轴线方向并根据土压力大小调整顶进速度。纠偏原理是:全站仪发出不可见光，到机头中心光靶，光靶把偏移反应到控制台，控制台控制纠偏千斤顶工作。本工程采用激光经纬仪进行顶管位置测量，这样可以保证在管道内黑暗环境中，比较准确地测量位置偏移。激光经纬仪进行顶管测量时，在工作井内安装激光发射器，并按设计要求，调整好坡度和方向，在机头位置安装接收靶标，靶标上有刻度线，当顶进管位置和设计数量一致时，激光点和靶标中心重合，若不重合即可通过刻度线知道偏移方向和程度。在操作室内通过摄像机可以清楚地观察到激光靶标的情况，通过激光点偏移中心点的刻度和方向，判断顶管偏离设计要求的位移量，操作顶管机头内置的四只纠偏油缸动作，及时调整至激光点和标靶中心重合。

1.4.4泥浆减阻

本工程泥浆润滑减阻是采用膨润土、CMC(羧甲基纤维素钠)粉末化学浆糊、纯碱和水按比例配方组成。(应根据不同地质，调整配方，满足不同需要)通过顶进管道上注浆孔，注入管道外壁，使之在顶进过程中，管道处于减阻泥浆中顶进，可减少管道与地层间的摩擦阻力，并减少顶管机顶进力，有利于顶进或长距离顶进。本工程浆液配比为(按重量)膨润土14.1%，水85.1%，纯碱0.5﹪，CMC0.2﹪。这种比例配比适合沙性土，高地下水地质，可对土层起一定支撑作用，并有利于管节周围迅速形成泥浆套。实际使用效果比较好。

2为应对高地下水位采取的技术措施

2.1污水管

本工程顶进管材全部采用内径1800mm内衬HDPE钢筋混凝土复合型管，管道外径2160m，单节长度2500m，单节可承受12000kN后顶推力。此种管材是将钢筋混凝土管材作为复合管道的承载体，将化学管材内表面移植为复合管材的内表面，两种材料依靠不同类型的机械链强制结合在一起，十分牢固，兼具有化学管材和钢筋混凝土管材的优点。管道承插口有T型橡胶防水环，保证在顶进过程中地下水不会渗透进管内。顶进完成后，管道内表面连接采用热熔连接。热熔连接是将HDPE焊条通过专业焊接设备把两节管材接口处HDPE材料加热熔化在一起，使之成为一个整体。采用这种管材，在整个顶进过程中没有发生过地下水渗透进管内的情况，在施工完成后所做的防渗试验中，也没有发生渗透，质量十分稳定，特别适合在高地下水位顶管施工中使用。

2.2沉井技术

不排水下沉:本工程在高地下水位地区进行施工，其中两个工作井，一个接收井第一节采用常规挖土下沉后，地下水及大量涌出，无法采用常规下沉施工。尝试采用降水的排水法，也因地下水太大，成本太高而无法采用。经研究后决定采用不排水下沉法，使用水力机械通过高压水枪流冲刷井壁边泥土，将土体破碎并与水枪出水混合成一定浓度的泥浆，再用吸泥浆泵经由输泥管吸排出沉井，使井下沉。利用高压射水代替人工进行沉井下沉的全部作业，包括土的切割、冲刷、搅动及所形成泥浆的排除。使用这种方法设备简单，效果显著，可以在井内有水的情况下施工，并能达到快速下沉的目的。本工程单井采用2台高压水枪，2台吸泥泵以及相应的供水管路和排泥管路组成，设备安装在浮阀上，可以方便地操作。水压约在15kpa时，高压水枪有效冲刷半径约5～6m，可以在井内有水时有效地冲刷泥土。在进行冲刷和排泥作业时，应该保持地下水位和井内水位平衡，即使高压水枪冲入井内的泥浆量和渗入水与吸出的泥水量保持平衡。保证不会因地下水过度渗入导致周边地质沉降。

沉井水下混凝土封底:沉井下沉到位后，保持井内水位和地下水位平衡，采用水下混凝土灌注进行沉井的封底，可以避免流沙和管涌的发生。沉井下沉至设计标高后，因泥浆还沉淀在井底，所以在封底之前先在井内抛石，使封底混凝土避免井底泥浆混入混凝土而形成夹泥浆，导致封底混凝土渗漏。沉井混凝土灌注采用钻孔灌注桩灌注水下混凝土专用灌注管，直径250mm，混凝土为C15。封底一次灌注完毕。待水下封底混凝土达到所需设计强度后，方可从井内抽水，并检查封底质量。

进出洞口土体防水和加固:为加固土体和防止地下水在顶管进出洞时涌入井内，采用高压喷射钻孔灌浆技术加固洞口土体。在进出洞口处洞口直径范围内钻孔，单重管注浆，成桩直径500mm。注浆压力22.5MPa。处于高地下水位的3个井位进出洞口采用4排桩，桩之间搭接长度50mm，梅花型布置。其余双排桩布置。桩长度为洞口直径加2m，宽度为直径两端加2m。布置形式如(图2)所示。水泥使用普通硅酸盐水泥，42.5级，注浆比重1.55kg/cm3。注浆完成后在14d以后才开始顶进。保证桩体有足够强度。加固土体后，进出洞口过程均没有大量泥沙涌入井内，保证进出洞口顺利进行，确保整个顶进过程的安全。

2.3止水圈

止水圈:为保证顶管机进出洞时泥浆和地下水不从顶管机外周围涌出，需在顶进方向安装洞口止水装置。洞口止水装置安装在工作井与接收井沿管线方向的侧壁预留洞上，预留洞的直径应比顶管机外径稍大，其由预埋螺栓，钢压环及橡胶圈组成。洞口止水装置结构如(图3)。

3闭水试验

由于本工程地下水位高，其中多个井段地下水位高于管顶，不能采用常规灌水闭水试验。经研究决定这些管道采用渗水法试验密封性能。通过人员观测这些已经施工完毕管道的内壁有没有渗水、渗多少水，来确定管道是否渗漏。观测结果没有发现有渗漏，管道密封非常好。达到设计验收要求。

4结语

综上所述，在城市污水管网、地下人行道、穿越铁路公路和河流的通道等地下工程施工中，顶管施工技术作为一种环境友好型的现代管道敷设施工方法，得到了广泛的应用。其中，泥水平衡顶管施工在地下水位较高的工程中具有良好的技术优势。在泥水平衡顶管施工技术应用于高地下水位工程施工中，要采取有效的应对措施，严格按照技术要求进行施工，从而确保工程施工的顺利进行。

参考文献

[1]余勇.泥水平衡顶管施工技术在市政工程中的应用研究[J].建材与装饰.2016(19)

[2]王河.市政排水工程施工中泥水平衡式顶管技术工艺[J].山西建筑.2015(27)