浅谈水利工程顶管施工技术应用

1 工程概况

本地涵施工采用顶管为内径 4000mm，壁厚 320mm，外径4640mm，每节长2500mm钢筋混凝土管材。荷载等级为Ⅲ级管要求，管道接口采用柔性接头形式，钢承口为C型。混凝土等级C50，抗渗等级W10，双道楔形橡胶圈止水。总长度2×413m，双排管，两管净间距5.66m，纵曲线，曲率半径 800m。

根据地质报告，顶管主要位于②1-3 层淤泥质土、②2-2砂质粉土、③2层粉质粘土及③3层粉质粘土。

2 工程特点难点及处置方式

2.1 难点一

本工程管径较大，机头较重，出洞阶段机头容易出现磕头现象，顶进过程中遇较软弱土层容易下沉，轴线较难控制。

解决办法：出洞前在沉井预留洞口内安装延伸轨道，防止出洞阶段出现磕头现象，最终形成良好的导向。

2.2 难点二

本工程单段顶距较长，顶力较大。

解决办法：控制触变泥浆质量，控制注浆量及注浆压力，使之形成良好的泥浆套，有效减小摩擦阻力；合理布置中继间，在后靠及管材达到极限强度前及时开启中继间。

2.3 难点三

顶管穿越新孟河。河底覆土较小，河底容易击穿，导致机头上浮。

解决办法：施工前仔细复核河底标高，施工时适当减小泥水压力，防止河底击穿。

2.4 难点四

本工程顶管为纵曲线顶管，且曲率半径较小（800m），纠偏比较困难。

解决办法：进入曲线前及进入曲线后加大测量频率，发现偏差及时纠偏；为防止纠偏困难，在机头和设备段之间加设辅助纠偏；进入曲线段及曲线结束区段派专人填塞及取出木契。始终保持顶管轴线与设计轴线吻合。

3 设备选型

3.1 顶管机

顶管施工的质量和进度很大程度受工程所在地的水文、地质及施工条件影响，同时顶管的选用还要考虑减少周围环境影响。本工程中采用顶管机如下：

顶管掘进机根据本工程的特点，采用DN4000泥水平衡顶管机（如图1所示）。该类顶管掘进机不需要开挖，包含激光、测量、机械、液压和电控（含PLC）等多种技术，并且融于一体达到技术先进的工程设备，对粘土质、砂土及含小颗粒砾石、卵石等多种土壤条件有较好的适应性。

该顶管机的系统组成主要由主壳体、动力、泥水、液压、电气控制等，其主要技术参数如表1。

3.2 主顶设备

主顶装置选用推力油缸14只，采用双作用和双冲程工作，每只千斤顶行程最大为3.5m，最大推力为200t。采用两列对称布置方案，主推的最大推力达到2800t。

3.3 注浆系统选型

采用 TWB-150 泥浆泵进行地面注浆，主要向管内各注浆中继站供浆和后续管道补浆；采用SYB50/45-II注浆泵进行管内注浆，主要向机头部位注浆和管内注浆接力。输浆总管由42"镀锌钢管，配套球阀和水暖管件等组成，采用425高压软管将管节上的各压浆孔接通，形成环形管。

TWB-150 泥浆泵主要参数：

注浆流量：150L/min

注浆压力：4MPa

往复次数：81次/min

吸浆管直径：89mm

排浆管直径：59mm

电机功率：18.5kW

SYB50/45-II 单缸液压注浆泵主要技术参数：

注浆流量：Q=80L/min

注浆压力：P=4MPa

油泵型号：10SCY14—1B

Q=10ml/r

p=31.5MPa

电机型号：Y112M-4

N=4kW

N=1450r/min

3.4进排泥系统

排泥泵采用SP（1）型高扬程砂砾泵。进水泵采用30kW泥浆泵。

3.5 垂直运输机械

Ф4000顶管机头自重75吨，采用400吨汽车吊进行安装及吊运。

Ф4000管节自重30吨，采用40吨门机吊装。

4 工艺流程

5 设备安装

顶管基座采用钢结构的预制构件，根据管道设计轴线准确放样确定顶管基座位置，然后吊入井下按照测量放样的基线安装固定。根据顶管设计轴线，实测洞门中心位置，居中放置基座上的导轨，采用支撑加固，从而确保基座稳定不变形。（见图3：工作坑内布置图）

5.1 后靠安装

采用特制钢制后靠，紧贴工作井井壁，和主推油缸正好形成90度夹角，用混凝土填实空隙。

5.2 导轨安装

顶管导轨为装配式导轨，轨距2.35m，导轨定位首先要考虑稳固和正确，还要保证顶进施工中承受住各种荷载，确保导轨不产生变形、位移和沉降。二根轨道必须经常复核，确保相互平行和等高，确保顶进轴线的精度，导轨的坡度应符合管道设计坡度要求。

导轨安装的精度应满足以下要求：

轴线位置：±3mm

顶面高程：0-+3mm

两轨内距：±2mm

5.3 主顶设备安装

主推油缸固定在油缸架上，在主推油缸近处设油泵站，并搭设防雨棚确保油泵站不受天气影响，油路安装确保接头拧紧不漏油，保持顺直。

5.4 顶管机安装

根据现场条件采用汽车吊吊装顶管机机头，并由专人指挥，保证平稳和避免冲撞，机头安放在导轨上后，应测定前后端的中心方向偏差，并作好记录，机头与导轨的接触面必须平稳、吻合，机头必须对电路、油路、泥浆管路和操纵、监测系统进行逐一连接，各部件连接牢固，不得渗漏、安装正确并对各分系统认真检查和试运行。

5.5 地面准备工作

①在顶管顶进施工前，首先进行施工接电、通水和通道安装，然后按要求进行排水和照明等设备的安装。

②按照本工程施工要求，备齐施工材料、机具以及设备。管节等消耗材料必须备有足够的余量。

③测量控制网必须在井上和井下同时建立，并且必须经复核无误后才能认可。

④注浆设备安装调试。

6穿越河道技术措施

顶管顶进至105m左右时到达新孟河底部，顶管穿越土层为②1-3 层和②2-2层。

这两层土特性为：

②1-3层主要是灰色淤泥质粉质粘土，夹②主要是砂壤土薄层，呈流塑-软塑状态。

②2-2层主要是灰色砂质粉土，重粉质砂壤土，局部粉细砂，局部还偶尔夹杂着粉质粘土薄层，呈稍密-中密状态。

顶管施工前指派专人对河床标高进行复测，确定覆土深度是否符合顶管施工要求。

顶管进入新孟河时，根据河底到管顶的覆土深度及时调整好泥水压力及注浆压力，防止因压力过高而击穿河床，导致河水倒灌事故，顶管在河底穿越时，派专人观察河内情况，如发现河内有少量冒泡现象，立即减小泥水压力及注浆压力，如发现有大的冒泡现象，应立即通知相关部门，分析研究应对措施。

本工程顶管机械采用机械式泥水平衡型，平衡开挖面的土体主要采用压力仓的泥水压力，确保顶管机正前方达到支护开挖面的作用。顶管施工的关键是平衡压力的设定，主要由推力、推进速度和出土量三者的关系决定是个非常重要的环节。

顶进土压力的设定值主要以顶管机切口处地面变形量来控制，一般宜控制在+3~+5mm。确保地面变形监测数据不会出现无变化的假象，同时及时监测地层滞后变形。

具体操作时应采取以下措施：

①土压力控制。

设立地面沉降实验段，一般在顶进初始阶段 15m 的时候。土压力设置过大地面就会隆起，土压力设置过小会引起地面沉降。

土压力按下式控制：

P设=P静+0.03MPa

P设——设定的开挖面土压力值；

P静——静止土压力值。

土压力按以上公式设定后，在试验段记录地面沉降测量记录来确认合适的土压平衡压力值，同时密切关注沿线覆土深度和土质情况，做到及时调整。

施工时操作人员密切注意土压力表显示的压力值，如发现土压力值小于设定土压力，则加快主顶顶进速度，减慢刀盘转速（本工程机头为变频设置，刀盘转速可在0~1.4转/分调整），减小出土速度；如发现土压力值大于设定土压力，则减慢主顶顶进速度、加快刀盘转速、加快出土速度。

顶管顶进到位后，马上停止转动刀盘，否则造成主顶停止顶进而刀盘空转后迎面土压力减小。通过注浆孔压注适量的触变泥浆，确保泥水舱的泥水压力保持在设定压力。

②泥浆浓度控制。

用于顶管的进泥泥浆采用浓泥浆，以达到支护土体的作用。泥浆比重保持在1.2-1.3之间，如泥浆比重小于1.2，则加入膨润土充分搅拌后再进行使用。

③注浆量及注浆压力控制。

浆液压注量：根据以往经验：管道外周环形空隙的浆液压注量应达到1.5-2倍，按单边1cm设置管外空隙。计算得出顶进的每一节管道机头部位的理论压浆量为：

3.14×4.64×0.01×（1.5-2）×2.5=0.54-0.73（m³）

每一节管道机头部位的实际注浆量必须大于计算得出的注浆量。

施工过程中各部位的土质情况、注浆压力以及顶力情况的不同，后续管道补浆须采取不同的补浆量。

注浆压力控制：

注浆压力在顶进过程中根据各部位土的天然重度，还有覆土深度制定，一般应控制在 1.1-1.3γH；施工时必须详细的记录触变泥浆的压注量、注浆压力等，同时注浆压力依据根据地面沉降监测报表及时加大或减小。

④控制纠偏幅度。

操纵人员要控制管道偏差在尽可能小的范围内，必须及时认真分析机头偏差量，仔细谨慎纠偏。一旦进入河道面，应杜绝大的纠偏动作，防止因纠偏幅度过大引起路面沉降。

⑤管材供应及拼装。

管材供应必须及时，同时留有余量，否则机头在道路下停顿时间过长引起泥水舱内泥水压力减小造成沉降。

管材进场时须严格验收，对不合格管材进行退货处理。

管节安装时，滑动部位为了减少摩阻，可均匀涂薄层硅油等，润滑材料须对橡胶无侵蚀性。承插时使用外力时必须均匀，橡胶圈不能位移和翻转，更不能露到管外。

前三节必须有注浆孔布置，后面有注浆孔的管节必须每隔一节放置。

⑥泥浆置换。

管道顶进结束，触变泥浆立即用水泥浆液进行置换，防止出现滞后沉降。水泥浆的水灰比应适当减小。

7 总结

①顶管在穿越填土处，应防止冒浆现象发生，合理设置顶进压力，放慢顶进速度，加强监测，以便必要时采取相应的措施。

②顶管工作面局部同时遇到两层土时，因两层土的阻力有所差异，应注意防止顶管偏向，施工中应遵循勤纠微调的原则，保证管道不发生偏纠。

③顶管顶进过程中必须详细记录土体变形和地面沉降监测数据，同时做好地面建构筑物的变形监测工作，同时采用适当措施控制地面沉降控制量在允许范围内，确保安全。