市政工程泥水平衡式頂管施工常見問題及對策

黃平 吳煒銘

摘要：泥水平衡式頂管施工技術(shù)在市政雨污水工程中得到廣泛的應(yīng)用，但施工過程中面臨一系列問題，如出洞方向失控、頂力控制、扭轉(zhuǎn)、地面沉降等，對這些問題加以控制或解決，可保證頂管的施工質(zhì)量。本文基于實際工程項目，結(jié)合相關(guān)施工數(shù)據(jù)和施工實踐經(jīng)驗，對泥水平衡式頂管施工過程中的常見問題及解決對策進行論述，謹(jǐn)供其它地區(qū)類似工程進行參考。

Abstract： The mud-water balanced pipe jacking construction technology has been widely used in municipal rainwater and wastewater projects， but it faces a series of problems during the construction process， such as out-of-way direction control， top force control， torsion， ground subsidence， etc..To control or solve these problems can guarantee the construction quality of the pipe jacking. Based on the actual project， combined with relevant construction data and construction practice experience， this paper discusses the common problems and solutions in the process of mud-water balanced pipe jacking construction， and is for reference in similar projects in other regions.

關(guān)鍵詞：市政;雨污水;泥水平衡式;頂管施工

Key words： municipal;rainwater;mud-water balance;pipe jacking

中圖分類號：TU99? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）25-0185-03

0? 引言

隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，地下市政工程不斷增多，特別是地下管網(wǎng)工程增速更加迅速，在不影響地面設(shè)施情況下，市政工程中廣泛采用非開挖式施工技術(shù)。頂管技術(shù)把施工作業(yè)面轉(zhuǎn)為地下，特別適合大中型管徑的雨污水管道工程，當(dāng)管道的覆土較深時，采用該施工方法可大幅度提升社會效益，減少了城市面貌的破壞。近年來，在福建地區(qū)有多個市政雨污水項目采用了泥水平衡式頂管施工技術(shù)，這些市政雨污水項目根據(jù)其所在地的地質(zhì)條件，在施工中積極采取一些有針對性的控制措施，這些控制措施對保障項目的順利竣工提供了極大的幫助。

1? 市政雨污水工程簡概況

福州市軌道交通5號線一期工程浦上大道站市政雨污水頂管工程，其污水頂管橫斷面上布置于浦上大道與金洲南路交叉路口周邊路面下，場地內(nèi)主要為現(xiàn)狀道路和綠化帶等，其周邊環(huán)境主要為東北側(cè)為倉山萬達廣場，西北側(cè)為正祥一品新筑（砼9F），西南側(cè)為振源科技大廈，東南側(cè)為和園（砼7F）。主要工程量有：污水頂管沉井10座，其中7m圓形工作井5座，壁厚為60cm;4m圓形接收井5座，壁厚為60cm。污水頂管管徑為？準(zhǔn)1000和？準(zhǔn)800mm，DN800鋼筋砼專用頂管171.3m、DN1000鋼筋砼專用頂管385.3m，管材均采用鋼承口（F型接頭）頂進式Ⅱ級鋼筋混凝土排水管。本工程緊臨四周建筑物，沉井及頂管施工過程需作好沉降控制，減少對周邊筑物的影響，同時由于頂管深度較深，對路面的隆起及下沉影響不大。

2? 施工機械的選擇及布置工作井中注意事項

2.1 施工方案的選擇

因車站所處地段的地上情況復(fù)雜，且地質(zhì)條件不好，底層屬于砂、礫地層，還伴有淤泥質(zhì)土、軟粘性土，水位也不高，且當(dāng)?shù)赜晁草^多，地下管線繁多且地面交通疏導(dǎo)難，所以該工程采用明挖法施工難度大，采用暗挖法又存在巨大的施工風(fēng)險，泥水平衡式頂管對地層地質(zhì)的適用性較好，且在福建多個項目上廣泛采用，最終決定采用頂管工法施工，該方法對周圍環(huán)境影響最小，施工風(fēng)險小，綜合投資效果好，具有很好的社會效益與經(jīng)濟效益。但頂管施工中容易產(chǎn)生一些問題，正確處理好問題，是保證頂管施工成功的關(guān)鍵。本工程選擇泥水機械平衡頂管機np1000、np800系統(tǒng)，此種機頭具有以下特點：在頂進過程中，這套系統(tǒng)可以實現(xiàn)遙控控制，開挖、出土、糾偏、測量都可以進行遙控操作，適合較小管道的施工;因使用泥水機械二重平衡，對地表沉降可進行有效控制，對開挖土體形成有效支護;后端設(shè)有泥漿槽，向工具頭外壁連續(xù)壓注觸變泥漿可大大減少頂管阻力。

2.2 布置工作井過程中的注意事項

在本工程中對井內(nèi)軌道開展安裝時，要依據(jù)相關(guān)規(guī)范對基準(zhǔn)線精度與高程進行控制，對軌道下排架開展固定過程中，要和底板連接，使豎梁與橫梁加長后，進行井壁支撐。選用裝配式后墊鐵。后墊鐵基礎(chǔ)高40cm，使用砌筑磚。后墊鐵準(zhǔn)確安裝后，采用水泥砂漿對工作井后墻和墊鐵間空隙澆筑填充，以使井壁受力均衡。后靠背（加型鋼澆筑砼板）就位后，保證豎直精度，要根據(jù)頂進軸線找正，在井壁與后靠背間設(shè)置多點型鋼支撐，間隙填滿素混凝土并在面層加鋪2cm厚的鋼板作為千斤頂?shù)暮罂勘撤娇烧巾敼?。為減少頂管準(zhǔn)備期，后靠背與沉井壁間打素砼時加早強劑。本次頂管工程的工作井均為圓形井且圓井尺寸一致，圓形井內(nèi)布置方案如下：油缸支架安裝好后，對油缸進行就并檢驗其平行度，然后對軸線確定，在安裝后靠背，調(diào)整后靠背方向，使其距離井壁100～200mm，使后靠背的中心和軸線重合，在軸線設(shè)定好后，安裝后頂和導(dǎo)軌，在預(yù)留洞口里設(shè)置副導(dǎo)軌，主導(dǎo)軌和副導(dǎo)軌的軸線及高程都要相同，副導(dǎo)軌可避免機頭進洞后產(chǎn)生低頭，同工作井內(nèi)進行頂管方向轉(zhuǎn)換工作。轉(zhuǎn)換步驟如下：一側(cè)頂進到位→拆除、吊出井內(nèi)設(shè)備→破除后靠背砼→另一側(cè)井壁設(shè)置后靠背墻→重新調(diào)轉(zhuǎn)井內(nèi)設(shè)備方向→頂管機頭下放到位→頂管。注意事項：①在破除后靠背砼墻時采用人工風(fēng)鎬自上而下作業(yè)，注意保護工作井井壁免受破壞;②重新調(diào)轉(zhuǎn)布置井內(nèi)設(shè)備時需校正頂進軸線和提高精度;③開始頂管時需加設(shè)橡膠止水圈，防止涌水涌沙事故發(fā)生。

3? 市政雨污水工程泥水平衡式頂管施工中常見問題及對策

3.1 出洞時的方向失控

若頂管能夠順利出洞，則代表頂管施工成功，減少出洞時附近一定范圍內(nèi)土體受到的擾動和控制好出洞后工具管方向，是做好頂管方向控制的基礎(chǔ)性工序。當(dāng)工具管出洞時，洞口周圍的土體遭受擾動，這會對頂管方向控制產(chǎn)生不利影響。同時，出洞后的工具管方向也對管子方向的控制產(chǎn)生重要影響。地下工程具有危險性與不可預(yù)見性，不同管道埋設(shè)深度也不同，且工程項目的地質(zhì)條件也不同，總結(jié)以往的施工經(jīng)驗，提出以下控制措施。

3.1.1 軟粘性土或淤泥質(zhì)土

當(dāng)土質(zhì)的承載力小時，泥水平衡式工具管易出現(xiàn)“叩頭”現(xiàn)象，這主要是因為工具管的重量較大，受到重力作用后，導(dǎo)致頂管方向失控?？刹扇∪缦麓胧行Э刂祈斶M方向：為提升管子的整體性，工具管后的幾節(jié)管子的接頭進行連接，采用10～20螺栓縱向螺紋連接;工具管要出洞時，對其預(yù)設(shè)3′～4′向上的角;通過減少洞口土體暴露的時間，減少土體遭受的擾動作用，當(dāng)工作井時下沉，預(yù)設(shè)槽鋼封門，當(dāng)工具管要出洞時，在拔掉槽鋼;為改善洞口土體強度及性質(zhì)，對土地采取注漿加固方法。

本工程中，開展穿墻施工作業(yè)時，對頂管外徑頂部和二側(cè)一定范圍里土體進行加固，對穿墻管前方土體實施化學(xué)漿液灌漿加固，以控制頂管機頭流水流泥引起地面塌陷情況的發(fā)生，使頂進不會失去方向控制。

3.1.2 砂性土

因砂性土承載力大，因為而向下糾偏很困難，所以不可對工具管設(shè)置向上角度，在承載力較大的土層中，不會產(chǎn)生“叩頭”現(xiàn)象。工具管向下糾偏較困難，向上糾偏卻較容易。特別要注意，若砂性土層中的地下水位較高，若想控制好頂管出洞的方向，必須要做好出洞時的洞口止水工作。若未做好洞口止水工作，洞外部的砂便隨著流水進入井里，導(dǎo)致管子底部被掏空，進一步誘發(fā)管子與工具管下沉，這樣頂進方向發(fā)生偏移，若此時繼續(xù)進行頂進作業(yè)，會導(dǎo)致管子失穩(wěn)甚至破裂。

第一，出洞過程中，首先要使墻孔具備很強的止水能力，可采取預(yù)埋穿墻管或加設(shè)一道止水圈的措施，此時，止水圈要采用充氣式可更換的止水材料。本工程中，為使頂管進出洞口時，水土不出現(xiàn)流失，于進出洞口設(shè)置止水裝置，采用雙道橡膠法蘭形式止水圈，其施工安裝簡單且具備很好的密封性，在安裝中，要保證止水圈和設(shè)計軸線同軸，以使橡膠法蘭受到周圍均勻壓縮，起到水密效果。

第二，可采用高壓旋噴樁、深層攪拌樁、壓密注漿等形式，對洞口周體土體開展加固。本工程中，部分頂管工作井的洞口使用了壓密注漿與高壓旋噴樁相結(jié)合的加固措施，施工效果很好。

3.1.3 流塑狀態(tài)的土層

泥水平衡式工具管屬于全封閉式，在腐植土這類流塑狀態(tài)的土層施工時，剛出洞時，會產(chǎn)生前幾節(jié)管子和掘進機后退的情況。管子后退后，若土體類型較單一，前面土體會出現(xiàn)不規(guī)則坍塌現(xiàn)象，土體會沿著滑裂面坍下，掘進機繼續(xù)推進后，便產(chǎn)生頂進方向失控。

為有效處理這類問題，可在洞口兩側(cè)設(shè)置手拉葫蘆，收回主頂油缸之前，借助手拉葫蘆拉住掘進機或后一節(jié)管子，此外，也可在回收主頂油缸前，使用柱子將管子抵住。

3.2 地面沉降

3.2.1 滲透系數(shù)較小的土層

在粘性土、淤泥質(zhì)土等滲透系數(shù)較小的土層中采用泥水平衡式頂管施工技術(shù)時，很容易對地面沉降進行控制，但要充分考慮管壁觸變泥漿導(dǎo)致的地面沉降作用。管壁觸變泥漿套具備減阻的功能，當(dāng)管道進行糾偏時，管道外周附著一層粘土，泥漿還可隨頂進及時的填充外周空隙，這些孔隙是導(dǎo)致起地面沉降的主要原因。越厚的泥漿套具有越好的減阻作用，但若其太厚，將不利于地面沉降的控制。所以泥漿套的厚度要適宜，理想的狀態(tài)是正好對管壁外周空隙進行填充，并呈現(xiàn)連續(xù)狀態(tài)。

所以為減少地面沉降，要提升泥漿套填充空隙，可采取如下措施：壓漿方式使用機頭同步注漿，輔助機后砼管補漿操作;頂進施工中，根據(jù)地下水位、地面變形等情況對壓漿量與壓力進行調(diào)整，注漿壓力通?？刂圃?.5γ×H（H是管頂履土厚度;γ是土層容重）;為使?jié){液呈現(xiàn)環(huán)狀，要對壓漿孔進行科學(xué)布置，通常每個注漿斷面間隔6m，且，每個注漿斷面設(shè)置4口注漿孔;觸變泥漿要科學(xué)配置，其失水量小于14ml/30min，粘滯度控制在20～30s，比重約1.10，穩(wěn)定性好;當(dāng)貫通頂管，要及時借助補漿孔開展換漿固化操作，其換漿量稍大于觸變泥漿量。

3.2.2 滲透系數(shù)較大的土層

砂性土的滲透系數(shù)較大，內(nèi)聚力較小，內(nèi)部呈現(xiàn)松散狀態(tài)，因此易受到擾動，開展泥水平衡法頂進作業(yè)時，因土體自承時間短，易產(chǎn)生地面沉降。本工程中，局部井段管線位置的地下土層為砂性土，通過借鑒以往施工經(jīng)驗及類似工程經(jīng)驗，項目部采取如下措施，成功的對地面沉降進行控制，最大沉降僅4mm，具體措施如下：對刀盤的壓力要適當(dāng)加大，通過前伸刀盤使前端的被動土壓力變大;使刀頭和刀盤間的空隙減小，為防止前端機頭正面土體產(chǎn)生坍塌，對排泥量進行控制，并對主頂油缸的頂進速度進行調(diào)整;為保持管道頂進需切除土體量和排泥量的動態(tài)平衡，要全程繪制二者關(guān)系圖，并準(zhǔn)確及時的進行預(yù)測;提高泥水的參數(shù)指標(biāo)，包括稠度、含泥量、相對密度、濃度，這樣在較短的時間內(nèi)，在挖掘面內(nèi)形成泥膜，通過泥水壓力的作用，可控制挖掘面的失穩(wěn)現(xiàn)象，為使泥水具備一定的穩(wěn)定性，可在泥漿內(nèi)加入適當(dāng)?shù)脑稣硠〤MC和膨潤土;分二步開展糾偏，首先調(diào)整機頭方向，處于水平狀態(tài)后要對工具管上爬趨勢控制，然后對工具管向下姿態(tài)進行調(diào)整，使預(yù)設(shè)軸線靠近管子，調(diào)整工具管處于水平位置，根據(jù)曲線發(fā)展“慣性”原理，管子和工具管便回歸于預(yù)設(shè)軸線位置;頂進時，觸變泥漿對管道周圍的擾動空隙進行填充，頂管完畢后，要及時用水泥漿置換泥漿，以保持土層的穩(wěn)定。

3.3 頂管機旋轉(zhuǎn)

3.3.1 出洞過程

由于正面土體進行了加固，刀盤轉(zhuǎn)動時扭矩相對較大，另外剛出洞周圍土體摩擦力很小，容易導(dǎo)致機身自轉(zhuǎn)?？梢圆扇∫韵聝煞N措施：一是減慢推進速度，根據(jù)機頭的壓力表，選擇出土的最佳時機;二是在機身與軌道的接觸面的上兩側(cè)焊防轉(zhuǎn)擋板。

3.3.2 頂進過程

頂進施工中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，是每條頂管施工中常出現(xiàn)的問題，若不及時對其進行控制，會對管內(nèi)設(shè)備產(chǎn)生不利影響，嚴(yán)重時會產(chǎn)生液體外溢。本工程首先將從源頭上控制可控因素：一是要嚴(yán)格控制管材的質(zhì)量，確?，F(xiàn)場對接的質(zhì)量;二是規(guī)范對設(shè)備進行安裝，尤其做好后靠背和油缸的安裝精度控制;三是操作人員必須有豐富的經(jīng)驗和很強的責(zé)任心，能盡早作出正確的判斷和采取相應(yīng)對策。

頂進過程中控制措施包括：頂進過程中，對刀盤旋轉(zhuǎn)方向的控制，把刀盤反向轉(zhuǎn)動于機體旋轉(zhuǎn)方向，頂管機因受到反向扭矩，方向便得以糾正，施工中，采用正、反轉(zhuǎn)刀盤交替作業(yè)，可控制頂管機的旋轉(zhuǎn);根據(jù)配重法，對稱分布頂管機內(nèi)的設(shè)備，以控制頂管機旋轉(zhuǎn)，但工作中仍有機體旋轉(zhuǎn)情況產(chǎn)生，通過于頂頭內(nèi)設(shè)置配重，若頂管機右旋，在機內(nèi)左側(cè)設(shè)置配重，反之亦然;調(diào)整主頂油缸的位置與中繼站千斤頂稍微傾斜放置也可作為對管道旋轉(zhuǎn)的控制措施，但是只能作為輔助措施。在本項目中采用了這些方法后，頂管機旋轉(zhuǎn)糾正取得了很好的施工效果。

頂管機倒退在機頭剛出洞或頂進距離不夠遠，由于機頭正面的靜壓力大于管線周圍的摩擦力，在主頂油缸回縮的時候，經(jīng)常出現(xiàn)管子往后退的現(xiàn)象，結(jié)果容易導(dǎo)致洞口止水裝置破壞和前面土體塌方。通?？梢圆捎靡韵聝煞N措施：一是在回縮油缸前，多出點土降低土倉內(nèi)的土壓力;二是在軌道上設(shè)置止退裝置，一般插止退銷。

3.4 頂力控制

頂力若不能有效控制，會間接或直接導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)、偏移、隆起、沉降的情況為產(chǎn)生，為了有效的對頂力進行控制，首先要全面分析和計算頂進過程中受到的阻力，通過現(xiàn)場實際頂力與理論計算阻力比較，結(jié)合現(xiàn)場機械的轉(zhuǎn)速、聲音、刀盤電流等信息，判斷其是否地下遇見風(fēng)化巖層、障礙物、孤石等，進行綜合分析，方可得出正確的判斷。還要分析泥漿套減阻是否有效進行。其中理論頂力估算可根據(jù)相關(guān)規(guī)范及歷史施工資料，對不同土層采用不同的頂力推薦值。進行頂力控制時，要降低頂進阻力，通過使用優(yōu)質(zhì)的觸變泥漿或膨潤土進行注漿，要對泥漿的失水率、造漿率、與動態(tài)塑性等參數(shù)嚴(yán)格控制，對漿液配置、膨脹時間、攪拌嚴(yán)格控制;要注意管子上預(yù)埋壓漿孔位置，利于漿液出現(xiàn)環(huán)狀;與頂進同步注漿為主，補漿為輔，各推進階段，還要常檢查的漿液情況，做好壓漿工作。

3.5 管線上浮

當(dāng)頂管頂進距離較長時，已頂好的管線不同的部位有時會出現(xiàn)上浮現(xiàn)象，結(jié)果會加大掘進機頂進方向控制的難度，影響管線的整體質(zhì)量，所以在頂進跟蹤測量的同時，必須常復(fù)測已頂進管子的標(biāo)高，及早的發(fā)現(xiàn)和采取應(yīng)對措施。同時可以采用以下兩種措施：一是通過泄?jié){孔泄掉一定漿液，釋放管子下面一定的壓力;二是在上浮的管線部位兩邊均勻堆配重，一般用沙袋。

4? 結(jié)語

頂進施工技術(shù)屬于非開挖施工方法，施工中不能直觀對現(xiàn)場情況進行判斷，只能借助現(xiàn)場間接反饋的信息和實踐工作經(jīng)驗，在施工過程中產(chǎn)生的問題進行原因分析并作出判斷，施工過程控制屬于事后控制，為此，要盡量使用事前控制的方式，對施工中的問題進行預(yù)防?？煞e極采用先進的頂進設(shè)備，提升其智能化操作水平，減少施工過程中對經(jīng)驗的依賴度;施工過程中，采用信息化管理，通過分析這些現(xiàn)場數(shù)據(jù)資料，不斷優(yōu)化操作參數(shù);施工前可順著管線方向選取一些特征點，通過鉆探掌握土質(zhì)的情況;先對較短的管道進行頂進施工，以獲取實踐工作參數(shù)，這些數(shù)據(jù)用于指導(dǎo)后期較長管道的頂進施工。

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