泥水平衡法頂管施工過程控制研究

艾祖斌

（中電建路橋集團有限公司，北京市100089）

泥水平衡法頂管施工過程控制研究

艾祖斌

（中電建路橋集團有限公司，北京市100089）

隨著施工技術(shù)和施工機械的研發(fā),頂管施工技術(shù)現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用。頂管施工技術(shù)由于不需要開挖面層，能穿越地面建筑物和地下管線及道路、河道等，節(jié)省大量投資和時間，對城區(qū)的交通、噪音、粉塵的危害和影響大大降低。所述工程路徑基本沿城市主要道路的機動車道、非機動車道及綠化帶等布置，穿越多條內(nèi)河（港），對頂管施工的過程控制有較高要求。根據(jù)頂管施工的各項標準規(guī)范、文獻，結(jié)合電力土建工程實例，就泥水平衡法頂管施工過程控制進行研究;。

泥水;頂管施工;過程;控制

1 概述

基于為福州電力纜化土建工程項目，主要采用頂管施工工法，項目地處福州市中心地帶，車流人流多，線路沿線建（構(gòu)）筑物多，地下管線多，線路穿越多條內(nèi)河（港）、地質(zhì)情況復(fù)雜，部分頂管段與福州地鐵盾構(gòu)施工存在交叉。工程工作井采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，頂管主要采用內(nèi)徑3.0 m、外徑3.6 m鋼筋混凝土管；綜合分析線路特點、工期要求，并結(jié)合沿線地質(zhì)條件，經(jīng)論證分析，選定了泥水平衡頂管法組織施工。頂管法施工管道偏差控制、長距離頂管施工技術(shù)、曲線頂進和注漿減阻技術(shù)為本工程技術(shù)重點、難點，也是主要論述點和分析點。

2 頂管施工過程

從管節(jié)吊裝于導(dǎo)軌上開始，頂管施工的過程主要包括挖（切）土、頂進、出土（泥）、測量、糾偏等工序。

2.1 頂管機出洞

2.1.1 頂管出洞的施工步驟

設(shè)備調(diào)試→割掉預(yù)埋鋼盒外側(cè)鋼板→安裝止水環(huán)結(jié)構(gòu)→頂管機頭進預(yù)留孔→穿越圍護結(jié)構(gòu)→正常頂進。

2.1.2 頂管頂進

頂管機頭穿墻時，一方面要帶一個向上的初始角（約5′），另一方面穿墻管下部要有支托，并且加強管段與工具管、管段與管段之間的聯(lián)結(jié)。此外，工具管的推進一定要迅速穩(wěn)妥，不使穿墻管內(nèi)的土體暴露時間太長。頂管穿墻位置必須作好止水，防止孔口因為流失減阻泥漿，造成孔口塌陷，發(fā)生安全事故。

2.2 頂管正常段頂進施工

管道出洞成功后，管道開始正常頂進。

2.2.1 頂進施工參數(shù)的控制

（1）初始頂進時頂進速度一般控制在20～50 mm/min，正常頂進時頂進速度控制在50～150 mm/min，如遇正面障礙物，應(yīng)控制在10 mm/min以內(nèi)。

（2）一節(jié)管節(jié)的理論出土量約30 m3。初始頂進時出土量一般控制在理論出土量的95%左右，正常情況下出土量控制在理論出土量的98%～100%。在頂進過程中應(yīng)盡量精確地統(tǒng)計出每節(jié)管節(jié)的出土量，力爭使之與理論出土量保持一致，以保證正面土體的相對穩(wěn)定，減少地面沉降量。

2.2.2 頂進軸線控制

頂管在正常頂進施工過程中，必須密切注意頂進軸線的控制，在每節(jié)管節(jié)頂進結(jié)束后，必須進行機頭的姿態(tài)測量，并做到隨偏隨糾，且糾偏量不宜過大，以避免土體出現(xiàn)較大的擾動及管節(jié)間出現(xiàn)張角。

2.2.3 地面沉降控制

在頂進過程中，應(yīng)合理控制頂進速度，保證連續(xù)均衡施工，避免出現(xiàn)長時間擱置情況，不斷根據(jù)反饋數(shù)據(jù)進行頂進參數(shù)調(diào)整，減小地面沉降量。

2.2.4 穿越橋梁、河流、建筑物

在頂管頂進過程中主要采取以下三項技術(shù)措施，來嚴格控制。

2.2.4.1 頂進技術(shù)措施

（1）穿越前對全套機械設(shè)備進行全面、徹底檢查，保證其頂進時具有良好的性能。

（2）嚴格控制頂管的施工參數(shù)，防止超、欠挖。

（3）嚴格控制頂管頂進的糾偏量，盡量減少對正面土體的擾動。

（4）施工過程中頂進速度不宜過快，一般控制在20 mm/min左右，盡量做到均衡施工，避免在途中有較長時間的停滯。

（5）在穿越過程中，必須保證持續(xù)、均勻壓漿，使出現(xiàn)的建筑空隙能被迅速得到填充，保證管道上部土體的穩(wěn)定。

2.2.4.2 安全監(jiān)測

在本工程的施工頂進過程中，由專業(yè)測量監(jiān)測隊伍進行工程全過程監(jiān)測。運用先進的儀器設(shè)備，及時獲取準確可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)，經(jīng)電腦軟件處理后，向各方匯報施工對周圍環(huán)境產(chǎn)生的影響，以便于頂管進行施工，從而達到安全施工的目的。通過監(jiān)測其變化規(guī)律和發(fā)展趨勢，以便及時地了解施工過程中的變形情況，并根據(jù)現(xiàn)場實際情況，及時調(diào)整各類施工參數(shù)，保證過橋、過河、過建筑物的安全。

2.2.4.3 保證措施

一旦變形量超過控制范圍，應(yīng)及時采取措施來控制變形量，及時調(diào)整頂進參數(shù)，嚴格控制注漿和糾偏量，做到均衡施工，在穿越過程中避免在該范圍進行糾偏等易擾動土體的操作，以確保頂管安全平穩(wěn)順利的從橋下、河下、建筑物下通過。

2.2.5 頂進施工中注意事項

（1）頂管機頭開始頂進5～10 m的范圍內(nèi)，允許偏差應(yīng)為：軸線位置50 mm，高程30 mm，當(dāng)超過允許偏差時，應(yīng)采取措施糾正。

（2）為防止管節(jié)飄移，可將前3～5節(jié)管與工具管聯(lián)成一體。

（3）在管道頂進的全部過程中，應(yīng)控制工具管前進的方向，并應(yīng)根據(jù)測量結(jié)果分析偏差產(chǎn)生的原因和發(fā)展趨勢，確定糾偏的措施。

（4）中繼間安裝前應(yīng)檢查各部件，確認正常后方可安裝；安裝完畢應(yīng)通過試運轉(zhuǎn)檢驗后方可使用；中繼間的啟動應(yīng)由前向后依次進行。

（5）頂進施工期間，管道內(nèi)動力、照明、控制電纜的接頭要安全可靠。

（6）在頂管機和中繼間處應(yīng)放置應(yīng)急照明燈具，保證斷電或停電時管道內(nèi)的工作人員能順利撤出。

2.3 頂管進洞

2.3.1 接收井準備

接收井施工完成后，必須立即對洞門位置的方位測量確認，根據(jù)實際標高安裝頂管機接受基座。

2.3.2 頂管機位置姿態(tài)的復(fù)核測量

當(dāng)頂管機頭逐漸靠近接收井時，應(yīng)適當(dāng)加強測量的頻率和精度。減小軸線偏差，以確保頂管能正確進洞。

2.3.3 各施工參數(shù)的調(diào)整

在頂管到達距接收井6 m后，開始停止第一節(jié)管節(jié)的壓漿，并在以后頂進中壓漿位置逐漸后移，保證頂管在進洞前有6 m左右的完好土塞，避免在進洞過程中減摩泥漿的大量流失而造成管節(jié)周邊摩阻力驟然上升，以致出現(xiàn)工程難點。

2.3.4 頂管進洞

頂管機頭距接收井高噴樁20 cm左右時，頂管停止頂進，并在預(yù)留洞圈外高噴樁的四個角開觀察孔，以確切探測出機頭的實際位置，在探明機頭位置確實正確落在接收井洞圈范圍內(nèi)時，頂管應(yīng)迅速、連續(xù)頂進管節(jié)，盡快縮短頂管機進洞時間。

2.3.5 注意事項

進洞時，要防止井外的泥水大量涌入井內(nèi)，嚴防塌方和流砂，必須做好洞口止水環(huán)節(jié)。首先在預(yù)埋鋼盒上焊接鋼套環(huán)（法蘭），然后在套環(huán)上安裝25 mm厚橡膠法蘭，用10 mm厚鋼壓板通過M20螺栓壓緊。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有地下水和泥砂流入工作井內(nèi)時，可以收緊橡膠法蘭和壓板上的螺栓，達到止水效果。

3 減阻措施（觸變泥漿）

頂進施工中，減阻泥漿（觸變泥漿）的應(yīng)用是減小頂進阻力的重要措施。頂進時通過頂管機鉸接處及管節(jié)上預(yù)留的注漿孔，向管道外壁壓入一定量的減阻泥漿，在管道四周外圍形成一個泥漿套，減小管節(jié)外壁和土層間的摩阻力，從而減小頂進時的頂力。泥漿套形成的好壞，直接關(guān)系到減阻的效果。

為了做好壓漿工作，在頂管機頭及其后面3節(jié)每節(jié)都設(shè)有注漿孔，使泥漿及時填充管壁與土間的全部空隙，其后逐步過渡到每4節(jié)加設(shè)1節(jié)帶有注漿孔的管節(jié)，及時補漿，使全線管壁都包裹在泥漿套中，注漿孔沿管段周邊按120°均勻布置三個或按90°均勻布置四個。

3.1 主要技術(shù)措施

（1）對泥漿原材料進行驗收，保證其質(zhì)量；制定合理的泥漿配比，保證潤滑泥漿的穩(wěn)定；經(jīng)常對拌好的泥漿進行測試，確保潤滑泥漿的質(zhì)量。

（2）制定合理的壓漿工藝，嚴格按壓漿操作規(guī)程進行，堅持“隨頂隨壓、逐孔壓漿、全線補漿，漿量均勻”的原則。

（3）加強壓漿管理，保證壓漿工作的正確落實。

3.2 壓漿順序：

地面拌漿→總管閥門打開→啟動壓漿泵→管節(jié)閥門打開→送漿（頂進開始）→管節(jié)閥門關(guān)閉（頂進停止）→停泵→總管閥門關(guān)閉→井內(nèi)快速接頭拆開→下管節(jié)→接總管，循環(huán)復(fù)始。

3.3 技術(shù)規(guī)范

減阻泥漿的灌注應(yīng)符合以下要求：

（1）攪拌均勻的泥漿應(yīng)靜置一定時間后方可灌注；

（2）注漿前，應(yīng)通過注水檢查注漿設(shè)備，確定設(shè)備正常后方可灌注；

（3）注漿壓力可按不大于0.1 MPa開始加壓，在注漿過程中的注漿流量、壓力等施工參數(shù)，應(yīng)按減阻及控制地面變形的量測資料調(diào)整；

（4）每個注漿孔宜安裝閥門，注漿遇有機械故障、管路堵塞、接頭滲漏等情況時，經(jīng)處理后可繼續(xù)頂進。

頂進施工中，減阻泥漿的用量主要取決于管道周圍的空隙的大小及周圍土層的特性，由于泥漿的流失及地下水等的作用，泥漿的實際用量要比理論用量大得多，一般可達到理論值的4～5倍，但在施工中還要根據(jù)土質(zhì)情況、頂進狀況、地面沉降的要求等做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

3.4 減阻泥漿有關(guān)技術(shù)參數(shù)

（1）地表沉降控制要求不高的頂程減阻泥漿配合比（參考）見表1。

表1 泥漿配合比1 kg

（2）地表沉降控制要求高的頂程減阻泥漿配合比見表2。

表2 泥漿配合比2 kg

4 頂管施工過程測量及糾偏方法

4.1 頂管施工過程測量

4.1.1 頂管軸線的布設(shè)

按設(shè)計單位所提供的城市坐標點連接出洞井和進洞井之間的進、出洞門的兩點坐標及高程，以坐標值的計算建立相應(yīng)坐標系，為頂進軸線高程之差決定頂管頂進坡度。

4.1.2 建立施工頂進軸線的觀測臺

按獨立坐標系放樣后靠觀測臺（后臺），使它精確地移動至頂管軸線上，用它正確指揮頂管的正確施工。以后按施工的情況，決定定期復(fù)測后臺的平面和高程位置。如圖1所示。

圖1 觀測臺布置圖

4.1.3 頂進施工過程測量

在后臺架設(shè)激光經(jīng)偉儀一臺，后視出洞口紅三角（即頂進軸線）測頂管機的前標及后標的水平角和豎直角測一全測回，采用程序計算頂管的頭尾的平面和高程偏差離值，來正確指揮頂管的施工。

4.1.4 注意問題

頂管施工初次放樣及頂進極為重要。另外由于頂管后靠頂進中要造成變化，后臺的布置應(yīng)保持始終不動，來確保頂管施工的測量的正確性。

4.2 測量糾偏控制

為了使頂進軸線和設(shè)計軸線相吻合，在頂進過程中，要經(jīng)常對頂進軸線進行測量。在正常情況下，每頂進一節(jié)管節(jié)測量一次，在出洞、糾偏、進洞時，適量增加測量次數(shù)。施工時還要經(jīng)常對測量控制點進行復(fù)測，以保證測量的精度。

在施工過程中，要根據(jù)測量報表繪制頂進軸線的單值控制圖，直接反映頂進軸線的偏差情況，使操作人員及時了解糾偏的方向，保證頂管機處于良好的工作狀態(tài)。

在實際頂進中，頂進軸線和設(shè)計軸線經(jīng)常發(fā)生偏差，因此要采取糾偏措施，減小頂進軸線和設(shè)計軸線間的偏差值，使之盡量趨于一致。頂進軸線發(fā)生偏差時，通過調(diào)節(jié)糾偏千斤頂?shù)纳炜s量，使偏差值逐漸減小并回至設(shè)計軸線位置。在施工過程中，應(yīng)貫徹“勤測、勤糾、緩糾”的原則，不能劇烈糾偏，以免對管節(jié)和頂進施工造成不利影響。

項目測量所用的儀器有全站儀、激光經(jīng)緯儀和高精度的水準儀。頂管機內(nèi)設(shè)有坡度板和光靶，坡度板用于讀取頂管機的坡度和轉(zhuǎn)角，光靶用于激光經(jīng)緯儀進行軸線的跟蹤測量。測量布置見圖2。

圖2 測量布置圖

頂管施工中允許偏差見表3。

表3 頂進管道允許偏差表

4.3 長距離曲線頂管施工過程控制

曲線頂管開始前，先進行一段的直線頂管。在經(jīng)過直線段頂管后到達始曲點后，便開始曲線施工，曲線頂管利用頂管機在頂進過程中，按設(shè)計的方向進行強制式糾偏，根據(jù)曲線半徑R=600 m，計算出糾偏千斤頂?shù)纳炜s量，并在施工過程中不斷進行調(diào)整，造成人為的軸線偏差，使這個偏差值符合設(shè)計的曲線要求，從而形成曲線通道。

后繼的管節(jié)頂入曲線通道內(nèi)，相鄰管節(jié)間自然形成一定的張角和相應(yīng)的間隙，及時墊入起曲墊塊經(jīng)過計算，管外開口間隙16 mm，用內(nèi)置千斤頂撐開管縫，墊入木墊塊，考慮到墊塊的壓縮變形，其厚度應(yīng)適當(dāng)增大，可選用δ=2 mm的五夾板，墊入的范圍為右側(cè)180°。

在曲線頂管時，頂進速度不能太快，一般控制在30～50 mm/min，密切注意正面土體壓力的變化，控制好出土量的大小及頂進速度快慢，盡量做到全斷面出土，嚴禁在擠壓狀態(tài)下頂進，防止周圍土體反彈，確保曲線通道和泥漿套的完整，使管子能順利進入預(yù)定的曲線軌道。在頂進工程中，要經(jīng)常對頂進軸線進行測量。在正常頂進情況下，每頂進一節(jié)管節(jié)測量一次，在進洞和出洞時適當(dāng)增加測量次數(shù)。頂管施工期間還要經(jīng)常對測量控制點進行復(fù)測，以保證測量的精度。

頂力的調(diào)整：在控制頂力不變的情況下，使管道頂進距離得到有效加長，是實現(xiàn)長距離頂進的有效途徑；曲線頂進時,管段的允許頂力要折減。折減系數(shù)與管段轉(zhuǎn)角有關(guān),混凝土管還與木墊片的彈性模量、木墊片的厚薄有關(guān)。采用減阻和接力頂進措施是兩種行之有效的方法。并與頂管機的糾偏系統(tǒng)結(jié)合起來，實現(xiàn)二維空間的同步糾偏，確保頂進軸線的正確控制。

4.4 曲線頂管測量

（1）管道內(nèi)設(shè)置一臺普通經(jīng)緯儀,一個覘標,二者均布置在工具管的后部。工具管上的標尺、經(jīng)緯儀、后視覘標3者間保持一定的距離,并與管道固定,隨管頂進而跟進。經(jīng)緯儀、后視覘標的中心坐標是根據(jù)事先測定的實際管軸線計算所得,工具管上的測點座標查設(shè)計軸線可得。依靠這3者的關(guān)系就可算出管道的頂進方向,并由經(jīng)緯儀指向。

（2）管軸線的測定采用一臺全站儀,管道每頂進10 m,測定一次工具管后的管軸線,并輸入計算機。施工中可以根據(jù)頂進距離,推算出3者的即時坐標,通過計算機的運算,就能指出工具管頂進方向。

（3）同時工作井內(nèi)設(shè)立水準儀來控制頂管的高程，工作井內(nèi)設(shè)一個固定的水準點。高程偏差測量采用水準儀測量頂管機中心標高，再與設(shè)計高程相比較，計算出高程的偏差。由于曲線頂管的距離較長，經(jīng)計算，在管道內(nèi)設(shè)置一個測站就能解決測量問題。

5 結(jié)語

通過已完成頂進的施工段落，我們體會到，在淤泥、黏土、砂層地理環(huán)境下采用泥水平衡式頂管具有施工速度快，成本低，占地少，環(huán)境影響小等優(yōu)點，可以最大限度的降低施工對交通環(huán)境的影響與破壞。然而，頂管施工機理及設(shè)備仍存在許多經(jīng)驗主義，這種情況很難適應(yīng)當(dāng)代發(fā)展的頂管施工技術(shù)。因此，對頂管施工過程中的各項施工工藝參數(shù)、施工方法進行分析和總結(jié)，以合理的規(guī)程、方案進行施工并實施預(yù)防措施，將對后續(xù)各頂管段落的施工組織、過程控制提供寶貴的經(jīng)驗和實施依據(jù)，也將為今后同類型頂管項目的實施有較好的指導(dǎo)和借鑒意義。

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U455.1

B

1009-7716（2017）12-0137-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.038

2017-11-06

艾祖斌（1971-），男，云南昭通人，高級工程師，主要從事基礎(chǔ)設(shè)施工程施工程技術(shù)及施工管理工作。