泥水平衡頂管法在市政管道施工中的應(yīng)用

李玉鑫

（山西建筑工程集團有限公司，山西 太原 030000）

隨著我國的城鎮(zhèn)化建設(shè)越發(fā)完善，一些原有的污水管道也需要拆除、擴建。但市政道路涉及到的人員、建筑因素較多，尤其是會影響周遭居民的日常生活。因此相較于傳統(tǒng)的明挖法，泥水平衡頂管法的優(yōu)勢更加明顯，對施工設(shè)備、人員的要求更低，也保障了基礎(chǔ)的施工進(jìn)度要求。

1 泥水平衡式頂管法概述

在主頂油缸的推進(jìn)下，掘進(jìn)機頭逐漸進(jìn)入止水圈，連接到接收井、在電動機的支持下，切削刀盤不斷轉(zhuǎn)動，進(jìn)入土層。在轉(zhuǎn)動切削刀盤的過程中，粉碎挖掘的石塊等物質(zhì)，融合泥水艙中準(zhǔn)備好的泥漿，在排泥泵的運行下輸送到地面。在這個環(huán)節(jié)當(dāng)中，需要按照高精度的土壓平衡設(shè)備，讓溺水之間處于平衡狀態(tài)，防止造成地面的隆起與沉降。在挖掘機完全進(jìn)入土層后，才能拆除電纜和泥漿管，將第一節(jié)頂進(jìn)管安裝在掘進(jìn)機的尾套位置，終止挖掘收回液壓。在此基礎(chǔ)上將另一節(jié)管道吊入井中，連接在第一節(jié)管道后方，開展后續(xù)頂進(jìn)作業(yè)。不斷重復(fù)上述環(huán)節(jié)，在確保所有管道都被頂入土層后，完成泥水平衡頂管施工，如圖1所示。

圖1 泥水平衡式頂管施工

掘進(jìn)機掘進(jìn)施工時，主要是借助激光導(dǎo)向控制系統(tǒng)工作。首先由激光經(jīng)緯儀發(fā)射出激光束，利用已經(jīng)調(diào)整好的標(biāo)高以及方位，對掘進(jìn)機中的定位光靶進(jìn)行瞄準(zhǔn)，從而捕捉到機內(nèi)攝像機中的影像，最后將所獲得的影像直接輸送到電腦中，配合挖掘系統(tǒng)工作。作為機械設(shè)備的操作者，應(yīng)該根據(jù)實際需要，將掘進(jìn)機內(nèi)置油缸的伸縮進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而保證不會出現(xiàn)偏移，對切削部分頭部位置進(jìn)行全面調(diào)整。掘進(jìn)操作中，需要對整個管道的水平進(jìn)行全面控制，保證偏離精度維持在垂直向30cm內(nèi)即可。工作井施工完畢后，需要借助頂管掘進(jìn)機將液壓系統(tǒng)運輸至工地上，并做好安裝工作，使其固定在導(dǎo)軌上。微型掘進(jìn)設(shè)備中，主要包括遙控臺、后方主頂、激光定位裝置以及操縱臺、泥水處理以及循環(huán)裝置等等，此外，還包括卡車、發(fā)電機、起重機以及電焊機等等。

2 泥水平衡式頂管施工優(yōu)勢

首先，泥水平衡式頂管施工適用范圍廣，其既能夠在地下水壓很高的情況下作業(yè)，也能夠在不同的土質(zhì)中作業(yè)，其次，泥水平衡式頂管施工能夠最大化維持挖掘面的穩(wěn)定性，不會對頂管周邊的土體造成過大的干擾，也不會引起過大的沉降，對土體破壞性較小。第三，相比于其他普通的頂管施工，泥水平衡式頂管施工總推力較小，適合應(yīng)用于粘土層區(qū)域，也常用于長距離頂管施工操作。第四，泥水平衡式頂管施工的坑內(nèi)作業(yè)環(huán)境良好，且不易出現(xiàn)塌陷等安全事故，也無需進(jìn)行吊土以及搬運等危險性較高的作業(yè)，其主要依靠管道對棄土進(jìn)行運輸，安全性相對較高。第五，泥水平衡式頂管施工的作業(yè)速度相對較快，可以實現(xiàn)連續(xù)作業(yè)，工期較短。

3 泥水平衡頂管法施工工藝

3.1 工作井的施工

1）工作前期準(zhǔn)備。需要對施工圖紙詳細(xì)了解、分析，對照與實際施工場地的差距，檢查設(shè)計管線沿線管道的產(chǎn)權(quán)歸屬，了解管道埋藏的深度等因素，了解原有管道的走向，保障后續(xù)施工的有序開展；2）測量定位。結(jié)合設(shè)計單位給出的導(dǎo)線點、水準(zhǔn)點坐標(biāo)，分析是否符合實際施工場地和具體要求，提前測量工作井的范圍，做好前期圍擋與處理；3）工作坑開挖。根據(jù)施工位置，施工鋼板樁、水泥攪拌樁等支護市政管道，開挖工作坑。一些市政管道工程由于位置特殊，可以嘗試?yán)贸辆に囬_挖工作坑。（施工流程見圖2）

圖2 施工流程圖

3.2 設(shè)備的選型及安裝

3.2.1 設(shè)備選型

市政管道施工也需要配合合適的頂管設(shè)備，才能保障施工的整體質(zhì)量。頂管設(shè)備的頂力需要控制在規(guī)范的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，防止由于頂力不適合，導(dǎo)致頂管距離以及工作坑和接收坑數(shù)量上出現(xiàn)偏差。尤其是一些頂管施工的地質(zhì)曲線比較復(fù)雜、半徑相對較小，如果在設(shè)備選型上出現(xiàn)差錯，后續(xù)管道糾偏也比較困難，所以需要相關(guān)設(shè)計、施工人員加以關(guān)注。

管道允許頂力計算公式1所示，結(jié)合管道設(shè)計埋深、使用的管道材質(zhì)、壁厚和挖井等因素，計算管道的允許頂力。公式2為管道頂管頂進(jìn)阻力的計算公式，D為管道外徑、L為管道設(shè)計頂進(jìn)長度、f為管外壁與土的單位面積平均摩阻力；迎面阻力的計算則參照公式3。

3.2.2 設(shè)備安裝

先安裝好導(dǎo)軌、止水圈等基礎(chǔ)設(shè)備，然后在安裝千斤頂、頂鐵，才能在全站儀測量導(dǎo)線的支持下，確定具體的平差。借助三角形原理開展定向測量，從地面將坐標(biāo)傳遞到地下。按照已經(jīng)設(shè)計好的方向，安裝激光經(jīng)緯儀，在后續(xù)的管道施工中也不能移動位置，確保推進(jìn)機與管道中心中軸線重合，才能讓設(shè)備與頂進(jìn)坑底板固定好。

3.3 入洞

在頂管設(shè)備實際入洞之前，也需要做好基礎(chǔ)性的測試，確保泥漿的數(shù)量和密度滿足實際需求。泥漿制備影響著頂進(jìn)施工的有序推進(jìn)，泥漿需要有一定比重的黏土成分，才能滿足施工的實際需求。在現(xiàn)階段，市政管道施工常用的泥漿材料為泡沫、聚合物等，膨潤土作為一種黏土礦物，其強大的膨脹性、觸變性也發(fā)揮了明顯的作用。在泥水平衡頂管施工環(huán)節(jié)，經(jīng)常應(yīng)用5%濃度的膨潤土泥漿。

結(jié)合市政管道實際的施工要求和頂管施工現(xiàn)場情況，需要選擇適合圖紙的泥漿密度，才能推進(jìn)施工的有序進(jìn)行。不同土質(zhì)的相對密度也有明顯差別，黏土和粉土泥水的相對密度為1.025～1.075之間；粉砂和細(xì)砂泥水的相對密度在1.047～1.125之間，需要根據(jù)工程需要合理選擇與調(diào)配。

先選擇施工工程需求的泥水相對密度。在實際施工環(huán)節(jié)，結(jié)合實際施工情況和需求，適當(dāng)調(diào)整泥水的相對密度，平衡好泥水壓力，發(fā)揮出泥水平衡頂管法的真正作用。在機械設(shè)備的支持下攪拌均勻泥水漿液，灌入專門的儲漿罐放置一天一夜。膨潤土顆粒吸收了充足的水分后，檢測膨潤土泥水的粘度、比重等數(shù)值，在達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后開展后續(xù)施工。

3.4 頂進(jìn)

技術(shù)人員先檢查好千斤頂、頂進(jìn)鐵的安裝，確保安裝合理并對稱，才能在頂進(jìn)作業(yè)時防止產(chǎn)生偏心力。先安裝橫頂鐵、順頂鐵、環(huán)頂鐵；然后啟動千斤頂油泵，打開閥門開始回油；在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步添加頂鐵、下管，完成整個泥水平衡頂進(jìn)作業(yè)流程。

3.5 出洞

在實際的泥水平衡頂管施工中，最容易發(fā)生事故的就是出洞環(huán)節(jié)。需要施工人員、設(shè)計人員對出洞區(qū)域附近的土質(zhì)有一定了解，必要時需要及時加固出洞口。一些市政道路工程由于距離建筑物較近，可以應(yīng)用高壓旋噴樁來加固出洞區(qū)域的土質(zhì)，保障出洞的整體安全。如果在頂管設(shè)備出洞階段，出洞口范圍內(nèi)的土壤擾動，也會影響控制頂管的方向，嚴(yán)重時甚至?xí)a(chǎn)生一定的安全事故。所以，就需要先降低周圍土壤對頂管出洞的干擾，確定出洞后工具管的準(zhǔn)確位置，才能保障出洞的安全推進(jìn)，進(jìn)而發(fā)揮出泥水平衡頂管法的優(yōu)勢。

3.6 設(shè)備拆除

先安裝的設(shè)備在拆除環(huán)節(jié)要延后，先拆除后安裝的設(shè)備。著重拆除主體設(shè)備，先以地下設(shè)備的拆除為主。借助起重設(shè)備的支持，將各種設(shè)備轉(zhuǎn)移出施工現(xiàn)場。

3.7 泥漿置換

在順利貫通頂板的基礎(chǔ)上，借助一定濃度的水泥漿置換填充固化，置換泥漿的量要在頂管觸變泥漿量之上，防止土層出現(xiàn)較多損失。

3.8 竣工測量

在施工結(jié)束之后，在激光引導(dǎo)技術(shù)的支持下，判斷管道軸線、管底標(biāo)高是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對照設(shè)計圖紙和要求開展竣工測量。

4 施工需注意的問題

作為地下隱蔽工程的一種，市政管道的頂板施工復(fù)雜性較高，并且對施工技術(shù)的要求也比較復(fù)雜。尤其是要做好施工前期準(zhǔn)備，準(zhǔn)確判斷、深入了解施工圖紙與方案。而在具體的施工中，則需要關(guān)注以下四點注意事項。

1）在掘進(jìn)頂管時，需要有專業(yè)的工作人員，實時記錄進(jìn)水壓力和泥艙壓力數(shù)值，在第一時間采取有效處理與補救。這樣才能確保挖掘面施工的穩(wěn)定性、安全性。過大的泥艙壓力容易堵塞管道，而泥艙壓力太小也會導(dǎo)致周圍土層的流失、沉陷等問題；2）頂進(jìn)施工應(yīng)當(dāng)保持連續(xù)性，要結(jié)合實際要求，配備充足的泥漿生產(chǎn)儲備量。在特殊情況下頂管掘進(jìn)需要停工，要第一時間判斷泥水流向，防止由于土層存在縫隙，導(dǎo)致泥水流失。在停工時間過長的情況下，就需要關(guān)注地下水滲透、頂力增加等因素。做好洞口止水作業(yè)，用密封檢查等方式避免出現(xiàn)漏水，開展頂管機械出洞；3）對泥水的濃度、相對密度也要實時監(jiān)測，尤其是要控制好進(jìn)排泥泵的流量和壓力，防止淤泥堵塞排泥管，確保施工的有序推進(jìn)；4）在實際頂進(jìn)施工環(huán)節(jié)，如果實際情況與設(shè)計存在明顯偏差，需要第一時間停止頂進(jìn)，判斷造成偏差的具體原因，開展有針對性的糾偏。

5 泥水平衡頂管法在市政污水管道施工中的具體應(yīng)用

5.1 施工步驟

1）勘測引點，在上述操作全部完成后開始進(jìn)入工作井施工；2）對具體位置進(jìn)行勘測取樣；3）對相應(yīng)裝置進(jìn)行布置，包括液壓控制系統(tǒng)等；4）開始準(zhǔn)備安裝地面輔助裝置；5）把全部的頂管掘進(jìn)機都安裝在了規(guī)定地點上，以待為下一次建設(shè)時所用；6）根據(jù)相關(guān)規(guī)定對激光經(jīng)緯儀進(jìn)行適當(dāng)設(shè)置；7）將掘進(jìn)機先開出工作槽，而后才開始頂進(jìn)；8）頂管單位主體進(jìn)到接受坑。

5.2 具體應(yīng)用要點

5.2.1 做好地面準(zhǔn)備工作

在開始施工前，工作人員就必須嚴(yán)格地依照工程要求對水、電等設(shè)備以及其他設(shè)施加以布置，并重點配置照明設(shè)備。另外，必須把毛渣石所需的場平全部鋪好。并預(yù)留必要的空隙以便于安裝相應(yīng)物料，包括建筑物材料、建筑機械用具等。

工程施工之前，各種施工材料、機具和其他器材均要準(zhǔn)確齊備，防止由于上述原因而影響施工進(jìn)度。管節(jié)之間要保持一定余量，這樣才能在正常情況下使用。同時井上以及井下都要建立測量監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，待經(jīng)過審批并上報給工程監(jiān)理人員后就能夠使用。

5.2.2 做好井內(nèi)布置工作

井底基礎(chǔ)設(shè)計工作內(nèi)容相當(dāng)多，其中較為關(guān)鍵的項目有后椅背、油泵動力站等。而頂管基座在一般情況下都會選用鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件，但其具體位置則要求工作人員必須根據(jù)設(shè)計圖中所標(biāo)注的水平方向軸線來完成放樣，并且切忌產(chǎn)生偏差。安放頂管基座時，工作人員要根據(jù)測量放樣中的規(guī)定來找準(zhǔn)位置，然后逐步吊入到井下等其完全到位后，才能安放穩(wěn)固。由于導(dǎo)軌大多都位于基座上面，因此工作人員也必須根據(jù)設(shè)計軸線布置來加以布置，基座設(shè)置時一般都設(shè)置在洞口中心處，為確保導(dǎo)軌的安全穩(wěn)固，工作人員還要設(shè)置支柱，使之更加穩(wěn)固，以保證基座不會發(fā)生任何變化。

5.2.3 后座墻結(jié)構(gòu)施工

后座墻也可以叫做后背壁，其主要功用是當(dāng)管道頂進(jìn)時，可以給螺旋千斤頂提供一定的反作用力，從而使得螺旋千斤頂也能正常發(fā)揮作用。施工階段還需要確保后座墻體穩(wěn)定不可以發(fā)生任何的破壞，不然頂進(jìn)施工就會被停止。而后座墻的具體規(guī)劃方法也必須根據(jù)設(shè)計規(guī)范來制定，這一施工環(huán)節(jié)十分關(guān)鍵，相當(dāng)于頂力計算，所以施工者一定要多加注意。

影響頂力的原因甚多，可分成客觀原因和主體原因二種。客觀原因包含管道類型、直徑多少、頂距長度、浮土厚薄、土壤的類型、地下水位、管節(jié)比重大小等，而客觀因素則包含施工誤差、頂進(jìn)方式、中途停止與否、是否使用過潤滑油等。影響頂進(jìn)力的重要客觀因素，在各章中都做了說明?，F(xiàn)在將重點探討影響后座墻剛度的主觀原因。1）頂進(jìn)偏差。在頂進(jìn)工作過程中，因為土質(zhì)、裝置人員的動作等原因，造成了管子的走向或高度出現(xiàn)偏離，這些偏差就叫做頂進(jìn)偏差，又稱誤差。這些偏差都將引起頂力上升。施工人員需要具備豐富的經(jīng)驗與強大的技術(shù)能力，第一時間采取有效措施，防止偏差進(jìn)一步擴大，用正確、高效的矯正方式，將偏差范圍控制在允許區(qū)間，甚至從根本上避免出現(xiàn)偏差。這樣，及時頂力出現(xiàn)上升，也在可以承受的范圍內(nèi)。不過，在偏差出現(xiàn)后，因校正易操之過急而致使管道上產(chǎn)生折線段、錯口等問題，并由此造成頂力的上升，使后座墻發(fā)生損壞現(xiàn)象；2）中途停工。頂進(jìn)作業(yè)一進(jìn)行，在中途就不會停下來了。如果在停頓后繼續(xù)施工，頂力也會明顯增加。但使用注漿潤滑，施工中的頂進(jìn)壓力就會降低不少。

此外，后座墻在施工上對剛度也有一定要求，首先，需確保后座墻在受到最大頂力時不會出現(xiàn)變形的情況。其次，在材料選擇時，要保證彈性較小，避免對后座墻進(jìn)行壓縮，出現(xiàn)變形情況。

6 結(jié)語

由于市政管道工程環(huán)境、要求的特殊性，必須發(fā)揮出泥水平衡頂管法的優(yōu)勢，應(yīng)用于前期準(zhǔn)備到后期竣工驗收的各個環(huán)節(jié)，從根本上提升管道施工質(zhì)量，降低對周圍建筑及居民生活的影響。