长距离顶管施工主要技术措施

摘要：在同一个工作井内，双向顶进，分别双管同时顶进604m与614m，由于合理选择了工具管形式，成功地解决了轴线控制和减阻泥浆等技术难题，只用了95天就完成了全部顶进施工。

关键词：顶管工程 减阻泥浆 轴线控制 中继间实用纠偏 止转技术措施 水力机械化施工

一、工程概况

无锡市锡澄供水一期工程3标段φ2200浑水管顶管工程是无锡市锡澄水厂建设工程的一个重要组成部分。顶进总长为2436米，分4段进行顶进，顶管工作井1座，兼顾双向顶进，其中向东顶进长度为1208m（单根长度604m），向西顶进长度为1228m（单根长度614m），接收井2座，4根长距离顶管均顺利进洞。每一顶程均采用双管平行交叉顶进，交叉顶进的两个管道的进尺差距为30米。西侧顶管管中标高-5.6m，东侧顶管管中标高-2.6m，双管中心间距为6.0米，埋深6.0～8.0m， 采用平坡顶进。顶管材料为钢管，外径d2236mm，壁厚为20mm。

二、地质资料

根据地质资料，场地内埋藏的地层有人工填土层、第四系冲湖积层。各地层的野外特征自上而下依次描述如下：

A、人工填土层①：属素填土，褐黄色、褐灰色，主要由粘性土组成，含植物根茎，结构松散，尚未完成自重固结，层厚0.60～2.60m。

B、第四系冲湖积层：

粉质粘土②： 褐灰色、青灰色，呈很湿，软塑~流塑状态，摇震无反应，切面光滑，干强度及韧性中等。场地内各勘探孔均遇见该层。层底标高为-1.65～1.2m，层厚0.9～2.80m。

粉质粘土夹粉土③：褐灰色、灰色，粉质粘土呈很湿，软塑～可塑状态，粉土呈松散～稍密状态。层底标高为-7.75～-1.96m，层厚2.3～6.1m。

粉土夹粉砂④：黑灰色，青灰色，呈饱和，稍密，压缩性中等，含云母，夹少量粘粒，摇震反映迅速，土面粗糙，干强度及韧性低。

三、工具管选型

根据地质资料显示顶管所穿越的土层为粉质粘土②和粉质粘土夹粉土③。因此选择性能优良的顶管机是工程成败的关键，经公司总工室、工程部会同各有关方面论证，认为采用泥水加压机械平衡顶管机施工是较为合理的选择。

四、主要技术措施

1.减阻泥浆运用及相应的置换措施

顶力控制的关键是最大限度地降低顶进阻力，而降低顶进阻力最有效的方法是进行注浆。顶进时通过顶管机铰接处及管节上预留的注浆孔，向管道外壁压入一定量的减阻泥浆，在管道四周形成一个泥浆套，减小管节外壁和土层间的摩阻力，从而减小顶进时的顶力。

泥浆套形成的好坏，直接关系到减阻的效果。为了做好压浆工作，。顶进时，顶管机尾部的压浆孔要及时有效地跟踪压浆，确保形成完整有效的泥浆套。

由于顶进距离长（600m长），一次压浆无法到位，需要接力输送，为此在管道内300m处设一接力站，解决了顶进时同步跟踪压浆和沿线补压浆的难点。

减阻泥浆有关技术参数：地表沉降控制要求一般的顶程

减阻泥浆使用应根据现场土质情况、顶力情况，采取合理的施工工艺，本工程在流砂层中顶管，在顶管过程中泥浆流失严重，为确保泥浆套完整，为改善顶力，采用以下3种压浆方式：

①推进时机头段跟踪注浆；

②推进时全条管线补压浆。

③推进结束后，由于焊接钢管管口时间过长，需3小时全线补压浆1次。

减阻泥浆的置换：

全线顶进完毕后，对管线外侧的浆套进行水泥固化置换，不同土层水泥配比不一样，水泥参入一定的固化剂在最后排浆孔向外压出直到最前排浆孔冒出水泥浆，然后上压浆孔闷头，前后压浆孔封住，置换水泥完成，固化管位，减小顶管土体沿线后期沉降。

1）置换泥浆采用水泥和粉煤灰混合，两者比例为7：3。

2）用量按填充管壁与土层之间间隙d的1.2倍，最大不超过d的1.5倍。

3）拆除注浆管路后，应将管道上的注浆孔封闭严密；

2、中继间应用

本顶管工程顶进断面主要为④层砂质粉土夹粉砂，随后的顶进主要在⑤层淤泥质粉质粘土和淤泥质粘土中进行。因土层变化较大，顶进阻力在各土层中不同，考虑到长距离顶管的特殊性并结合以往同类工程的施工经验，原施工组织设计中600m顶程拟按150m间距布置1只中继间进行接力顶进，每段顶管拟布置3只中继间，4段顶管计划使用12只中继间。

中继间由前壳体、千斤顶及后壳体组成。前壳体与前接管连接，后壳体与后接管连接，前后壳体间为承插式连接，两者间依靠橡胶止水带密封，防止管道外水土和浆液倒流入管道内，钢壳体结构进行精加工，保证其在使用过程中不发生变形。中继间壳体外径与管节外径相同，可减少土体扰动、地面沉降和顶进阻力。中继顶的铰接处设置4只注浆孔，顶进时可以进行同步注浆，减小顶进阻力。

中继间的布置部位如下表：（不计入中继间本身长度）

注：第一顶程为往西两段顶管（1#、2#），顶管单根长度604m；

第二顶程为往西两段顶管（3#、4#），顶管单根长度614m；

对于长距离顶管来说，为减小顶力，确保顺利进洞，其关键时在顶管顶进过程中向顶管外侧压注泥浆以形成高质量的泥浆套。

在实际顶进施工中，由于减阻泥浆运用合理，顶管轴线控制较好，顶管顶力得到了有效的控制，中继间位置先后两次根据实际顶力情况作了调整，最终1#顶、2#顶、4#顶每段顶程只设置了2只中继间，3#顶只设置了1只中继间，4段顶管累计使用了7只中继间，比计划使用12只中继间，节省了5只中继间，节约了资金，也减少了后期处理工作。并且在实际顶进过程中7只中继间均未启动，各段顶管均顺利进洞，施工中最大顶力小于8500kN。

3、测量及轴线控制

在顶进过程中，经常对顶进轴线进行测量，检查顶进轴线是否和设计轴线相吻合。在正常情况下，每顶进1m测量不少于1次，在出洞、纠偏、到达终点前，适当增加测量次数。施工时还要经常对测量控制点进行复测，以保证测量的精度。

在实际顶进中，顶进轴线和设计轴线经常发生偏差，因此要采取纠偏措施，减小顶进轴线和设计轴线间的偏差值，使之尽量趋于一致。顶进轴线发生偏差时，通过调节纠偏千斤顶的伸缩量，使偏差值逐渐减小并回至设计轴线位置。

施工过程中，及时了解工具管的趋势对纠偏十分有利。如果轴线偏差较小，且趋势较好(沿设计方位)，就可省去不必要的测量和纠偏，提供更多的顶进时间；如轴线偏差较小，但工具管前进趋势背离设计轴线方向，则要及时进行有效的纠偏，使工具管不致偏离较大。

测量采用高精度的全站仪，激光经纬仪和水准仪。工具管内设有坡度板和光靶，坡度板用于读取工具管的坡度和转角，光靶用于激光经纬仪进行轴线的跟踪测量。

4、实用纠偏、止转技术措施

在施工过程中，要根据测量报表绘制顶进轴线的单值控制图，直接反映顶进轴线的偏差情况，使操作人员及时了解纠偏的方向，保证顶管机处于良好的工作状态。

在实际顶进中，顶进轴线和设计轴线经常发生偏差，因此要采取纠偏措施，减小顶进轴线和设计轴线间的偏差值，使之尽量趋于一致。顶进轴线发生偏差时，通过调节纠偏千斤顶的伸缩量，使偏差值逐渐减小并回至设计轴线位置。在施工过程中，应贯彻“勤测、勤纠、缓纠”的原则，不能剧烈纠偏，以免对管节和顶进施工造成不利影响。

本工程测量所用的仪器有全站仪、激光经纬仪和高精度的水准仪。顶管机内设有坡度板和光靶，坡度板用于读取顶管机的坡度和转角，光靶用于激光经纬仪进行轴线的跟踪测量。

止转措施：

由于采用大刀盘泥水加压平衡顶管机施工，不可避免会引起顶管机旋转，继而带动管节旋转，影响施工，可以设置止转板将相邻管节串连起来，留有适当的间隙。同时在顶进工程中通过大刀盘的反向旋转以在特殊管二侧备置平衡块克服管节的旋转。

5、水力机械化施工

Φ2236mm输水管顶进距离分别为604m和614m，采用大刀盘泥水加压机械平衡顶管机施工，因此泥水系统的配置是工程成败的关键之一，根据类似长距离顶管施工的经验并结合本工程的特点，作如下安排。

利用工地原有的池塘，进行必要的加深，留有足够的容量，筑坝分隔成清水池和泥浆沉淀池，并用2根Φ6”钢管连通泄水。在清水池旁设置2台5级泵向管路供水，2台交换使用，泵口出水压力为P=1Mpa，流量Q=150m3/h。在供水管路上设置1台接力泵，确保顶管机的泥水压力，满足长距离供水的要求。高压供水管路采用Φ6”无缝钢管，法兰连接，在中继顶处用橡胶波纹管过渡，以适应中继顶之伸缩，满足顶管施工的工艺要求。

排泥管采用Φ4”无缝钢管，卡箍式活络接头连接，在中继顶处用中压橡胶波纹管过渡。废弃泥浆用2台管道泵串联水平输送，管道泵电机功率N=7.5KW，转速n=1450r/min，流量Q=100m3/h，第1只管道泵设置在顶管机尾部30m处，其后每隔200m左右设置1台。在工作井内设置2台渣浆泵，其中1台备用，扬程H=28m，功率N=37KW，流量Q=190m3/h，主要担负泥浆的垂直输送。废弃泥浆经过沉淀后，上部的清水经过连通管进入清水池可循环重复利用。

施工时必须严格控制进入顶管机泥水仓的泥水压力和流量，及时利用旁通阀进行调整，使之与废弃泥浆的排放保持平衡，泥水仓内始终保持一定的压力，补偿机械平衡的不足。

由于在施工中不可预见的因素存在，诸如突发停电和设备故障等原因，造成泥水仓内的泥水压力下降，达不到平衡效果。为此必须在工作井附近的地面上设置1只容量为25m3的泥浆箱并储满清水，通过管道与供水管路并联，中间设置蝶阀。

正常时，供水管路的泥水直接进入机内泥水仓，由于蝶阀关闭，泥浆箱内的清水不会外溢。一旦遇到意外事故，供水系统停止工作，开启蝶阀使箱内的清水通过供水管路进入机头泥水仓，同时迅速关闭排泥系统所有的泵，由于顶管机与地面有落差，使机头泥水仓内保持一定的压力，从而达到混合平衡的效果，确保切削面土体的稳定和顶管机的安全。

6、防止机头下沉技术措施

为了防止较重的顶管机在出洞时产生嗑头现象，可以采取以下方法克服：

① 机头出洞时，适当抬高顶进标高1~2cm，顶进时下部千斤顶先加力往前顶，适量出土，直至顶管机顺利出洞；

② 机头后方焊接压重管法使机头保持平衡。

③ 加压后出洞仍出现磕头现象，则可以打开纠偏油缸。纠偏油缸根据机头下沉量适量伸长。

7. 顶管过程中遇到流砂技术措施

如顶管过程中，出现不良地质情况，顶进土体含水量较高，遇到流砂，或机头前方出现流砂，可以采取如下办法进行处理：顶进时暂停出土，加大后顶压力，同时加气快速顶进，闷顶机头与前方土体接触充分，将前方土体充分密实，打开高压水枪，水压尽量小一点，让水分和泥土缓慢流出，直到机头稳定。

五、结束语

本工程由于工具管选型得当，技术措施合理、施工中使用用中继间接力顶进，轴线偏差符合规范要求。顶进2236mDN2200钢管只用了95天，取得了良好的社会效益及经济效益。

减阻泥浆的成功运用，极大地减小了侧向摩阻力，为快速顶进和轴线控制创造了有利条件。在流砂层中实施顶管施工，为确保形成良好的泥浆套应注意补压浆，特别是在每次开顶前，以及钢管焊接时同样需要进行全线补压浆。

纠偏时应注意，管道出现偏移有一定的惯性，纠偏的效果也要在一段距离后才能反映出来，因此在纠偏时要不断反复的调整工具管的纠偏角度，在管道回到中线时，工具管前进方向的角度也应与中线一致，否则就会造成纠偏过量。

顶力大小和机头轴线走向有关，轴线直，浆套形成的好，则总推进顶力在测算值范围内，顶力则小，否则同样也会使顶力加大。

通过本工程的施工，为更长距离或更大口径的顶管施工积累了经验。