泥水平衡顶管施工的关键技术分析

泥水平衡顶管施工的关键技术分析

蒋红，艾思平，张思梅

(安徽水利水电职业技术学院，安徽 合肥231603)

摘要:文章结合具体工程实例，分析了顶管施工的关键技术，解决了顶进施工实际问题。

关键词:泥水平衡顶管；施工工艺；关键技术

收稿日期：2015-03-06；修回日期：2015-03-12

基金项目：2014高等教育计划项目(皖教高[2014]号)以赛导教、以赛促学，以赛代考——土建类专业技能人才培养路径的研究与探索。

作者简介：蒋红(1974-)，男，安徽寿县人，硕士、讲师，从事土木工程专业教学与研究。

DOI：10.3969/j.issn.1671-6221.2015.02.005

中图分类号：TU74

The analysis of the key technology of slurry

balance pipe jacking construction

JIANG Hong,AI Si-ping,ZHANG Si-mei

(Anhui Technical College of Water Resources and Hydroelectric Power，Hefei 231603，China)

Abstract:Combined with the concrete engineering example, This paper analyzes the key technology of pipe jacking construction,which can solve the practical problems.

Key words:slurry balance pipe jacking；construction technology；key technology

顶管属于非开挖施工技术，借助于主顶油缸及管道间中继间等的推力，把工具管或掘进机从工作井内穿过土层，并紧随工具管或掘进机后把管道埋设在两井之间，最后在接收井内将工具管或掘进机起吊。这一技术解决了城市管道埋设施工中对建筑物的破坏和对道路交通的堵塞等难题，在稳定土层和环境保护方面优势明显。对交通繁忙、人口密集、地面建筑物众多、地下管线复杂的城市是非常重要的。

1　工程概况

某市修建输水管线，要穿越城市主干道，拟采用泥水平衡顶管法施工。施工时，设立工作井和接收井各两座，线路全长3085m。顶进管为DN1800的Q235B镇静钢钢管，公称直径1800mm，壁厚18mm，外径为1820mm。工程地质勘查知：顶管穿越的土层以粒径较小的砂砾、淤泥为主，含水率、塑性较高，渗透性、地基承载力较低等性质。

2　工艺流程

在泥水式顶管施工中，顶管机头设有可调整推力的浮动刀盘，在顶管施工中进行切削并支承土体，刀盘的顶推力与正面土压力保持平衡。机头密封舱里接入泥水并保持一定的压力，泥水在挖掘面上可以形成一层不透水的泥膜，可以阻止泥水向挖掘面里面渗透。同时，该泥水本身又有一定的压力，可以用来平衡地下水压力和土压力。通过程序控制泥水与系统阀组的开合，由进泥泵将泥水通过旁通阀送入密封舱内，排泥泵将密封舱内的泥浆抽排到地面泥浆池中，从而实现管道的有序顶进。其工艺流程如下：

(1)顶进设备安装。顶进设备的安装流程如图1所示。

图1　设备安装流程图

(2) 泥水平衡顶管施工工艺流程。施工前期准备→测量放样、复核→工作井施工→搅拌桩施工→工作井上下设备安装准备→工具头吊装下井、全套设备调试→工具头穿墙顶进→后续吊放管道→管道顶进、测量控制及纠偏→管道排泥和废泥浆外运→下一管节吊放就位→下段顶管顶进→管道贯通、回收工具头→闭水试验→竣工验收、清场。

3　关键技术质量控制要点

3.1顶进设备安装

(1)安装洞口止水圈。 顶管过程中，管子从工作井出洞时，管道外壁与洞口之间预留一定的间隙。如果该间隙未能采取有效的密封措施，地下水和泥砂就会从该间隙中流到工作井中。轻者会影响工作井的作业，严重时则会造成洞口上方地表塌陷，殃及周围建筑物和地下管线的安全，甚至造成事故。

因此本工程采用平板式橡胶洞口止水圈，为保证止水效果，止水圈使用优质天然橡胶制作，厚度20mm，拉伸量>300%，肖式硬度在50±5°范围以内，为防止水圈磨损，在橡胶板中夹多层尼龙帘线层，以增加止水圈的强度。

(2) 洞口土体加固措施。为防止顶管机进入土体后出现下沉，须对洞口外土体进行旋喷桩加固。加固范围为沿井洞口侧外壁，从管外壁至3.0m内的土体。

3.2后背墙安装

后背墙是顶进管道时为顶进工作站提供反作用力的一种结构，作用是把主千斤顶产生的推力的反作用力，均匀地分布到工作井的后座墙上，因此，后背墙要求必须具有足够的刚度。施工方案选用钢靠背，用钢板和型钢焊接成整体结构，外形尺寸为3m×2．5m×0.3m，作用面积7.5m2。

施工时，用起重机将钢靠背吊到工作井后背处，用经纬仪和线坠配合，使钢靠背平面与顶进轴线垂直，并用Ф18钢筋与井壁预埋件焊接固定。钢靠背距工作井井壁350mm。钢靠背安装好后，用模板补齐靠背两侧的空隙，插入钢筋网片，浇筑强度等级不低于C20后背混凝土。

3.3顶进方向控制

由于钢管柔性不足，发生偏差后纠正困难，因此紧随掘进机后设置三只承插连接短钢管。钢管长度2.2m，管节间设置带密封圈的承插口进行连接，两节钢管间可以产生最大约20的夹角，以克服钢管顶进方向不易控制的缺点。

由长距离顶管自动测量导向系统为顶管施工测量导向，操作台上实时显示有高精度的顶管机偏差和姿态数据。

在推进过程中，必须注意偏差发展的趋势。纠偏的原则是：务必让偏差保持在较小的波动范围内，并且做到勤测勤纠，小幅度纠和看趋势纠。严格控制纠偏角度，严禁大角度纠偏。

不间断分析管道顶进中偏移轨迹的变化，确定合理的纠偏幅度。导向系统设有历史轨迹曲线查询和实时轨迹曲线显示，可直观地分析判断顶管机的偏差趋势。

严密监视顶管机高精度倾斜仪的读数变化，分析判断机头轨迹发展变化。倾斜仪读数是采取高程纠偏措施的主要依据，同时也是评估纠偏效果的重要数据。

顶管机纠偏油缸的油路上，设有压力监控装置，通过分析监控装置的数据来分析顶进中的不平衡外力的状况，预测顶管机的前进轨迹，为采取纠偏提供辅助参考信息。

顶管机刚产生偏转时，就必须用改变刀盘的转向来校正，校正方法是顶管机向哪个方向发生偏转，刀盘就朝哪个方向转动。顶管机设有高精度倾斜仪，能精确显示顶管机0.01度的旋转角度变化，可及时判断顶管机的偏转和校正效果。若改变刀盘转向的校正方法效果不佳时，可采取加快推进速度、降低螺旋输土机转速、适当提高控制土压的方法。

顶进至穿越河流以及靠近桥桩的区间时，密切注意偏差发展方向，防止顶管出现上浮趋势。保持顶管机趋势的稳定，防止顶管机碰上桥桩。此时应减少纠偏频率和纠偏角度，拉紧顶管机和后方的柔性钢管。

导向系统设有远程监控装置，在地面就可监控顶管机的实时各种导向信息。导向系统整合了顶管机的控制仪表信息，可以显示顶管机的姿态、纠角度以及偏油缸行程等信息。现场技术员及工班长应及时掌握顶管机的信息，发现异常现象及时停止顶进。

一旦发现顶管机自身的纠偏动作效果不佳，偏差数值急剧发展无法控制时，须在顶管机与第一节承插管之间增设150t液压千斤顶进行辅助纠偏。

3.4中继间的密封施工

在长距离顶管施工中，要设立中继间如图2所示。用于缩短管节长度，从而减少千斤顶和后背的数量。顶进距离长，中继间往复运动次数多，对中继间密封件的要求极高。中继间密封件一旦失效，将对顶管工程造成灾难性后果。首先地下水、泥砂进入管道影响影响施工作业。再则进入的泥砂加速了密封件的磨损，产生恶性循环。大量的地下水和泥砂流失将会造成地面沉降增加，严重的会造成地面建筑或地下管线及构筑物损坏。最后中继间的渗漏破坏了减阻触变泥浆套的完整性，使顶力猛增，甚至导致顶进施工失败。

中继间密封件一般采用橡胶件，橡胶耐磨性好则弹性差，反之弹性好则橡胶的耐磨性差。为解决这个问题，中继间密封采用如图3所示的内外组合形式，内圈为可充气的弹性橡胶气囊，外圈为橡胶耐磨环。充气环上设有充气嘴，通过充气嘴向充气环充气，使充气环内保持0.4MPa的压力。耐磨环就会紧贴中继间壳体行成一道可靠的密封，如图3所示。

图2　中继间布置 图3中继间密封示意

为了保证密封的可靠性，中继间设有两组密封。顶进时仅左边一组密封充气工作，如果密封磨损需要更换，才向右边充气环内充气，然后把左边的充气环放气泄压，缩回中继间油缸，拆除左边的法兰就可更换密封耐磨环了。

管道顶进结束后，先拆除中继间油缸等设备，再使用火焰切割拆除承力构件和各种筋板，然后将中继间顶推使前后段合拢，最后将后段的环形内衬板与前段壳体进行焊接，彻底封闭中继间的活动部分。焊缝为角焊缝，质量标准与钢管对接焊缝相同。中继间前后段与焊接的环形内衬板厚度均为18mm，与顶进用钢管相同，与正式管道等强度。

4　结束语

顶管施工由于在地面以下进行，施工难度较大。在施工过程中，只要做好以上关键技术，搞好注浆减阻并注意通风换气，制定详细的施工方案、组织可靠的技术交底，团结协作、创新攻关，就一定能解决超长大口径顶管施工技术问题。随着我国城镇化建设的加快，为适应旧城改造，既有交通水利设施改建要求，顶管施工作为一种优质高效的工程技术实施方案，有着广泛的用途和广阔的发展前景。

[参考文献]

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(责任编辑陈化钢)

绿色建筑

绿色建筑是指在建筑的全寿命周期内，最大限度地节约资源(节能、节地、节水、节材)、保护环境和减少污染，为人们提供健康、适用和高效的使用空间，与自然和谐共生的建筑。

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