复杂地质状况下复合顶管施工工法

【摘要】当前大量市政管道采用顶管施工工艺，下文对如何在同时含有淤泥、流砂和砂卵（砾）石的地层顶进进行论述，希望可以增加相关工程的实际操作性。

【关键词】顶管；淤泥；流砂和砂卵（砾）石地层；施工工法

1 前言

随着城市建设的飞速发展，人们生活水平的日益提高，城市供排水和供暖供热管道急需铺设。但是，多数城市地段不易或不能开槽施工，管道必须采用顶管施工工艺铺设。正常人工或机械顶管施工能满足地质状况较好的地段。但对于同时含有淤泥、流砂和砂卵（砾）石地层则不能正常顶进，国内也鲜有类似施工工艺研究。如何能在保证安全质量的情况下，以简便的施工工艺、较低的工程造价解决上述问题是亟待解决的一个课题。我们通过对黄山工业园区污水收集系统顶管工程的施工，对其进行了积极探索研究，并经后续工程的一系列施工应用、改进和完善，最终形成本工法。

本工法的关键技术---同时含有淤泥、流砂和砂卵（砾）石地层中的顶管施工

2 工法特点

2.1工艺使用范围较广，适应能力较强。能满足不同地质状况下的复合顶进。

2.2机具改进简单，操作灵活方便。可进行人工和机械顶进的交替操作。

2.3工艺简单，流程明确。

2.4工程质量可靠，随时掌握顶进断面的地质状况，采用不同的顶进工艺和纠偏方法。并根据掌握的地质状况决定后期注浆的方法。

2.5施工安全，减少了正常施工工艺中的安全隐患。

2.6经济适用，造价低廉，经济效益良好。

2.7节能环保，降低噪音。

3 适用范围

本工法适用于同时含有淤泥、流砂和砂卵（砾）石地层的顶管工程.

4 工艺原理

根据成熟工艺，机械顶管工艺完全适用于淤泥、流砂地层顶进。人工顶管工艺能在含砂卵（砾）石颗粒直径较大地层钻进。但是，用单一工艺不能钻进同时含有淤泥、流砂和砂卵（砾）石的地层。反复分段制作工作井会增加造价，且受地域限制较大，影响工程进度，增加施工危险性。本工艺核心就是：通过改进施工方法，使其同时具备人工顶管和机械顶管施工功能，且造价较低，质量可靠，安全风险较小。

5 工艺流程及操作要点

5.1 工艺流程

5.2 操作要点

5.2.1 施工准备

（1）编制、审核、审批方案，对顶进系统进行设计计算和机具选择；

（2）确定施工组织机构及人员、机具配置；

（3）调配施工设备机具，购进机具配件；

（4）制订相应的质量安全保证措施；

（5）布置施工现场的作业环境，安排泥浆池和清水池的循环路线；

（6）制订合理的降水方案，做好降水工作并经验收后能满足施工需要。

5.2.2 设备改进制作：

（1）密封仓

①切削刀头：在工具管端部内侧用钢板制作成刀状切削面，管道顶进时将淤泥流砂或卵（砾）石切削至密封仓，减小顶进阻力。

②冲刷喷嘴：沿切削刀头后侧环向布置供水管，其上下对称开口安装四个冲刷喷头，喷出水压大于0.6mpa，用于淤泥、流砂地层中把淤泥流砂冲刷成泥浆。

③密封挡板：在离工具管前端1.2米处安置内径为35cm环形挡板，用螺栓固定于工具管上。

④法兰门：在挡板的一侧用铰链链接一40cm*40cm的法兰门。

（2）工作仓

①纠偏油缸：在工具管后端对称安装4个纠偏油缸，用于顶进纠偏。

②供水管：工作仓底部安装10cm直径供水管，与密封仓环向供水管连接。

③排泥管：与供水管同步安装10cm直径排泥管，与外部泥浆泵连接，将冲刷成的泥浆抽出工作面至泥浆池。

5.2.3 系统安装验收

（1）主顶系统：由两只200T的油缸、油缸支架及主顶液压控制台组成，总顶力400T，行程1.5m，油压32MPa, 无极调速并显示即时顶速。启动和停止由电气系统联动控制。

（2）泥水系统：以一定水压，流量的水流稀释、搅拌泥浆池中的泥浆，并将泥浆带至地面沉淀池，该泥水流的水压在2-25m范围内可以调节，管道、阀门及泵均为Dg100mm系统。

（3）电气控制系统：提供全部设备的需求能源，定期监视设备的顶速、压力、流量等工况。保证与顶管机头操作员沟通。

（4）触变泥浆系统：压浆泵采用无压力脉动泵，压力0-2.5MPa无级变速调整压力、流量、阀门、管路均为Dg50mm系统。

（5）导轨安装

两条导轨安装要顺直、平行、等高，其纵坡应与管道设计坡度一致。并要安装牢固，符合稳定性的要求。导轨安装后的轴线误差不大于3mm；顶面高程不大于0～+3mm；两轨内距偏差不大于±2mm。

（6）后靠背的安装：后背墙采用方木、型钢或钢板等组装，组装的后背墙有足够的强度和刚度，要能满足在最大顶力时不变形和损坏；装配式后备墙的安装垂直度允许偏差不得大于0.1%H（H为后背墙的高度），水平扭转度不得大于0.1%L（L为装配式后背墙的长度）。

（7）千斤顶的安装：要取偶数固定在支架上，并与管道中心的垂线对称，其合力的作用点要在管道中心上，根据顶进参数计算来确定千斤顶的标高，一般以千斤顶的中心标高位于管道直径下口的四分之一处为好。

千斤顶规格要相同，规格不同时，其行程要同步，布置要对称。千斤顶的油路要并联，每台千斤顶要有独立的进油、退油的控制系统，以便操作。

（8）油泵的安装：应设在千斤顶附近，油管要顺直、转角少。油泵与千斤顶要匹配，并要有备用油泵，油泵安装完毕应进行试运行。

（9）顶铁：顶铁要有足够的刚度，顶铁应采用铸钢整体浇筑或采用型钢焊接成型.焊接成型时，焊缝不得高于表面，且不得脱焊。顶铁的相临面应互相垂直；同种规格的顶铁尺寸应相同。

顶铁安装平稳，安装后的顶铁轴线应与管道轴线平行、对称，顶铁与导轨和顶铁之间的接触面不得有泥土和油污；顶铁与管口之间应用木板等缓冲材料衬垫，当顶力接近管节材料的允许抗压强度时，管端应增加U形或环形顶铁；

5.2.4 工作原理

（1）若管道铺设于一般土层中，将冲刷喷嘴、密封挡板、法兰门和供水管、排泥管拆除。当做一般人工顶管机正常顶进施工。

（2）若管道铺设于淤泥流砂和含有小直径的卵（砾）石层中，因工作面不稳，易造成安全事故，不能采用人工掘进式顶进。采用岩石掘进机械可以顶进，但是工程造价较高。此时，将冲刷喷嘴、密封挡板、法兰门和供水管、排泥管安装后，形成上图所示设备，即可顶进施工。

（3）若管道铺设于淤泥流砂和含有较大直径的卵（砾）石层中，泥水平衡式机械顶管前端切削绞盘不能将大卵（砾）石破碎，易损坏切削刀头，无法顶进。此时，按照上述第2条顶进施工，遇到顶进压力急增时，打开法兰门，人工将较大粒径卵（砾）石取出。然后封闭法兰门可继续施工。

6 设备和人员配置

6.1 人员配置

每台设备配十二名工作人员，分三班连续施工。其中：1、工作仓一名，负责查看土质变化并及时清除大粒径卵（砾）石；配合测量人员测量轴线并及时纠偏。2、工作坑内一名，负责安管、顶进操作、排水和大粒径卵（砾）石装车以备外运。3、工作坑井口一名，负责操作行吊下管、大粒径卵（砾）石吊出。4、地上一名，配合井口工作人员操作。

6.2 设备配置

7.1 在施工现场设立专职的质检机构负责本工程质量的监督与检查。

7.2 下管前检查管道的外观质量情况，管道敷设和接口应严格遵照规范和标准施工.

7.3 勤测勤纠偏，测量严格按照技术交底要求进行，每次纠偏最大偏差不大于2cm，并作好测量记录，确保轴线、标高的偏差在规范允许范围内。

7.4 严格检查复核制度，专职技术人员每日早中晚对管道内底高程和管道轴线进行复测，及时发现问题，及时纠正，并作好记录。

8 安全措施

8.1 加强安全宣传教育，坚持班前、班中、班后讲安全制度，强化安全认识，确保安全规范操作。

8.2 临时用电要由专职电工负责，遵循一机一闸，一厢一漏和三相五线制原则，确保用电安全。最好使用有防电能力的安全帽、护眼罩、绝缘材料特制的耐20kv（最小）电力工人靴和手套、以及由工作条件要求的其它防护设备。不要带首饰和穿宽松的衣服，以免被机器卷入或牵绊。

8.3 建立健全安全生产管理网络，设立专职安全员，经常检查、发现不安全地方立即整顿、改善。

8.4 搞好安全防护工作，工作坑边缘要设置护栏，禁止行人围观，实行封闭施工，夜间要挂红色警示标志。

8.5 特殊工种工人要经过专业培训、持证上岗，非本职人员不允许代岗。尤其是吊车下管时，要有专人（起重工）负责指挥。起吊用绳索要定期检验，如有断股，脱丝的应当弃置不用。

8.6 各种机械操作必须由持证人员专职操作，并严格遵守安全操作规程，定期维护保养检修，确保运转正常良好。

8.7 安排施工时尽可能减少噪音、粉尘、排水及其它可能对附近单位、居民和行人造成的不利影响。

8.8 工作坑内和坑边同时作业时，要有序进行，组织得力，避免上下交叉干扰造成事故。

8.9 坚持班前安全讲话制度，严格实行安全自检、自控、自纠制度，定期开展安全自检活动，消除隐患，杜绝事故。

8.10 坚持在计划、布置、检查、总结、评比生产的同时确保安全生产。

9 环保措施

9.1 本工程抽出的泥浆汇集于泥浆池，经加入木质纤维素和工业用碱混凝沉淀后，上层水可以提供给供水管反复使用。下层沉淀砂砾可以作为路基下底基层或地基处理材料加以利用。

9.2 所有设施大多置于地下，其本无噪音污染。

10 效益分析

上述工艺是一种半机械化顶进工艺，解决了同时在含有淤泥流砂、硬质土层、大砂卵（砾）石层和风化岩层的地层中铺管的问题。不必动用机械顶管等大型设备，工程造价较低。

施工人员在工作仓工作，且有密封挡板和法兰门的密封保护，施工较为安全，风险较低。

11 工程实例

11.1 黄山工业园区污水收集系统顶管工程设计管径为φ1000钢筋混凝土F型顶管，总长度1176m。2009年5月22日开工，2009年10月12日竣工。需铺设的管道位于流砂层、大粒径卵（砾）石层和杂填土层（含建筑垃圾及块石）中。采用人工掘进式顶进，卵（砾）石层经扰动后易塌方，无法控制管道轴线，不能保证人员安全及工程质量。平口式泥水平衡机械顶进造价较高，且大粒径卵（砾）石不能清除。经采用上述设备和工艺后，按质按期完成施工任务，无任何安全质量事故发生。

11.2 黄山市黄山区北海路污水管道顶管工程总长度2440米，设计管径为φ800钢筋混凝土F型顶管。2009年6月26日开工，2010年4月10日竣工。管道铺设位于流砂层、大粒径卵（砾）石层和强风化泥质砂岩层中，经研究约定采用上述设备顶进。遇到流砂开动冲刷喷头冲浆施工；遇到强风化泥质砂岩拆除密封挡板和法兰门，用破碎风镐破碎岩层顶进。不但降低了造价，且能用一种设备按期完工，工程效果较好。

11.3 南昌市环庐山道路输油管道过路顶管套管工程，设计管径φ1000，设计长度936米。于2009年7月10日开工，2009年12月20日完成施工任务。管道铺设于流砂层（含有卵砾石）和硬质红土层中。按照正常施工工艺，需调用人工顶管和机械顶管两种设备，且反复开挖制作工作坑。工程费用较大，工期拖延过长。采用上述设备成功解决顶进问题，成本较低，按时完工，且无任何安全事故发生。管道闭水试验全部合格。

12 综述

在顶管施工中，多数管道不是铺设于单一地质状况的地层中。采用任何单一施工设备都无法解决复杂地质中的顶进问题，都会造成工程造价升高，安全与质量事故风险增大。此工法中的设备制作和施工工艺是实际施工中根据现场实际情况确定的一项专项施工方法，能解决现实问题。并在多个工程中成功应用。造价较低，安全质量风险较小，管道闭水试验全部合格，施工效果较为理想。是较为实用的一项工法。