艾祖斌

（中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京市100089）

泥水平衡法頂管施工過程控制研究

艾祖斌

（中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京市100089）

隨著施工技術(shù)和施工機(jī)械的研發(fā),頂管施工技術(shù)現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用。頂管施工技術(shù)由于不需要開挖面層，能穿越地面建筑物和地下管線及道路、河道等，節(jié)省大量投資和時(shí)間，對城區(qū)的交通、噪音、粉塵的危害和影響大大降低。所述工程路徑基本沿城市主要道路的機(jī)動(dòng)車道、非機(jī)動(dòng)車道及綠化帶等布置，穿越多條內(nèi)河（港），對頂管施工的過程控制有較高要求。根據(jù)頂管施工的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、文獻(xiàn)，結(jié)合電力土建工程實(shí)例，就泥水平衡法頂管施工過程控制進(jìn)行研究;。

泥水;頂管施工;過程;控制

1 概述

基于為福州電力纜化土建工程項(xiàng)目，主要采用頂管施工工法，項(xiàng)目地處福州市中心地帶，車流人流多，線路沿線建（構(gòu)）筑物多，地下管線多，線路穿越多條內(nèi)河（港）、地質(zhì)情況復(fù)雜，部分頂管段與福州地鐵盾構(gòu)施工存在交叉。工程工作井采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，頂管主要采用內(nèi)徑3.0 m、外徑3.6 m鋼筋混凝土管；綜合分析線路特點(diǎn)、工期要求，并結(jié)合沿線地質(zhì)條件，經(jīng)論證分析，選定了泥水平衡頂管法組織施工。頂管法施工管道偏差控制、長距離頂管施工技術(shù)、曲線頂進(jìn)和注漿減阻技術(shù)為本工程技術(shù)重點(diǎn)、難點(diǎn)，也是主要論述點(diǎn)和分析點(diǎn)。

2 頂管施工過程

從管節(jié)吊裝于導(dǎo)軌上開始，頂管施工的過程主要包括挖（切）土、頂進(jìn)、出土（泥）、測量、糾偏等工序。

2.1 頂管機(jī)出洞

2.1.1 頂管出洞的施工步驟

設(shè)備調(diào)試→割掉預(yù)埋鋼盒外側(cè)鋼板→安裝止水環(huán)結(jié)構(gòu)→頂管機(jī)頭進(jìn)預(yù)留孔→穿越圍護(hù)結(jié)構(gòu)→正常頂進(jìn)。

2.1.2 頂管頂進(jìn)

頂管機(jī)頭穿墻時(shí)，一方面要帶一個(gè)向上的初始角（約5′），另一方面穿墻管下部要有支托，并且加強(qiáng)管段與工具管、管段與管段之間的聯(lián)結(jié)。此外，工具管的推進(jìn)一定要迅速穩(wěn)妥，不使穿墻管內(nèi)的土體暴露時(shí)間太長。頂管穿墻位置必須作好止水，防止孔口因?yàn)榱魇p阻泥漿，造成孔口塌陷，發(fā)生安全事故。

2.2 頂管正常段頂進(jìn)施工

管道出洞成功后，管道開始正常頂進(jìn)。

2.2.1 頂進(jìn)施工參數(shù)的控制

（1）初始頂進(jìn)時(shí)頂進(jìn)速度一般控制在20～50 mm/min，正常頂進(jìn)時(shí)頂進(jìn)速度控制在50～150 mm/min，如遇正面障礙物，應(yīng)控制在10 mm/min以內(nèi)。

（2）一節(jié)管節(jié)的理論出土量約30 m3。初始頂進(jìn)時(shí)出土量一般控制在理論出土量的95%左右，正常情況下出土量控制在理論出土量的98%～100%。在頂進(jìn)過程中應(yīng)盡量精確地統(tǒng)計(jì)出每節(jié)管節(jié)的出土量，力爭使之與理論出土量保持一致，以保證正面土體的相對穩(wěn)定，減少地面沉降量。

2.2.2 頂進(jìn)軸線控制

頂管在正常頂進(jìn)施工過程中，必須密切注意頂進(jìn)軸線的控制，在每節(jié)管節(jié)頂進(jìn)結(jié)束后，必須進(jìn)行機(jī)頭的姿態(tài)測量，并做到隨偏隨糾，且糾偏量不宜過大，以避免土體出現(xiàn)較大的擾動(dòng)及管節(jié)間出現(xiàn)張角。

2.2.3 地面沉降控制

在頂進(jìn)過程中，應(yīng)合理控制頂進(jìn)速度，保證連續(xù)均衡施工，避免出現(xiàn)長時(shí)間擱置情況，不斷根據(jù)反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行頂進(jìn)參數(shù)調(diào)整，減小地面沉降量。

2.2.4 穿越橋梁、河流、建筑物

在頂管頂進(jìn)過程中主要采取以下三項(xiàng)技術(shù)措施，來嚴(yán)格控制。

2.2.4.1 頂進(jìn)技術(shù)措施

（1）穿越前對全套機(jī)械設(shè)備進(jìn)行全面、徹底檢查，保證其頂進(jìn)時(shí)具有良好的性能。

（2）嚴(yán)格控制頂管的施工參數(shù)，防止超、欠挖。

（3）嚴(yán)格控制頂管頂進(jìn)的糾偏量，盡量減少對正面土體的擾動(dòng)。

（4）施工過程中頂進(jìn)速度不宜過快，一般控制在20 mm/min左右，盡量做到均衡施工，避免在途中有較長時(shí)間的停滯。

（5）在穿越過程中，必須保證持續(xù)、均勻壓漿，使出現(xiàn)的建筑空隙能被迅速得到填充，保證管道上部土體的穩(wěn)定。

2.2.4.2 安全監(jiān)測

在本工程的施工頂進(jìn)過程中，由專業(yè)測量監(jiān)測隊(duì)伍進(jìn)行工程全過程監(jiān)測。運(yùn)用先進(jìn)的儀器設(shè)備，及時(shí)獲取準(zhǔn)確可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)，經(jīng)電腦軟件處理后，向各方匯報(bào)施工對周圍環(huán)境產(chǎn)生的影響，以便于頂管進(jìn)行施工，從而達(dá)到安全施工的目的。通過監(jiān)測其變化規(guī)律和發(fā)展趨勢，以便及時(shí)地了解施工過程中的變形情況，并根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，及時(shí)調(diào)整各類施工參數(shù)，保證過橋、過河、過建筑物的安全。

2.2.4.3 保證措施

一旦變形量超過控制范圍，應(yīng)及時(shí)采取措施來控制變形量，及時(shí)調(diào)整頂進(jìn)參數(shù)，嚴(yán)格控制注漿和糾偏量，做到均衡施工，在穿越過程中避免在該范圍進(jìn)行糾偏等易擾動(dòng)土體的操作，以確保頂管安全平穩(wěn)順利的從橋下、河下、建筑物下通過。

2.2.5 頂進(jìn)施工中注意事項(xiàng)

（1）頂管機(jī)頭開始頂進(jìn)5～10 m的范圍內(nèi)，允許偏差應(yīng)為：軸線位置50 mm，高程30 mm，當(dāng)超過允許偏差時(shí)，應(yīng)采取措施糾正。

（2）為防止管節(jié)飄移，可將前3～5節(jié)管與工具管聯(lián)成一體。

（3）在管道頂進(jìn)的全部過程中，應(yīng)控制工具管前進(jìn)的方向，并應(yīng)根據(jù)測量結(jié)果分析偏差產(chǎn)生的原因和發(fā)展趨勢，確定糾偏的措施。

（4）中繼間安裝前應(yīng)檢查各部件，確認(rèn)正常后方可安裝；安裝完畢應(yīng)通過試運(yùn)轉(zhuǎn)檢驗(yàn)后方可使用；中繼間的啟動(dòng)應(yīng)由前向后依次進(jìn)行。

（5）頂進(jìn)施工期間，管道內(nèi)動(dòng)力、照明、控制電纜的接頭要安全可靠。

（6）在頂管機(jī)和中繼間處應(yīng)放置應(yīng)急照明燈具，保證斷電或停電時(shí)管道內(nèi)的工作人員能順利撤出。

2.3 頂管進(jìn)洞

2.3.1 接收井準(zhǔn)備

接收井施工完成后，必須立即對洞門位置的方位測量確認(rèn)，根據(jù)實(shí)際標(biāo)高安裝頂管機(jī)接受基座。

2.3.2 頂管機(jī)位置姿態(tài)的復(fù)核測量

當(dāng)頂管機(jī)頭逐漸靠近接收井時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)測量的頻率和精度。減小軸線偏差，以確保頂管能正確進(jìn)洞。

2.3.3 各施工參數(shù)的調(diào)整

在頂管到達(dá)距接收井6 m后，開始停止第一節(jié)管節(jié)的壓漿，并在以后頂進(jìn)中壓漿位置逐漸后移，保證頂管在進(jìn)洞前有6 m左右的完好土塞，避免在進(jìn)洞過程中減摩泥漿的大量流失而造成管節(jié)周邊摩阻力驟然上升，以致出現(xiàn)工程難點(diǎn)。

2.3.4 頂管進(jìn)洞

頂管機(jī)頭距接收井高噴樁20 cm左右時(shí)，頂管停止頂進(jìn)，并在預(yù)留洞圈外高噴樁的四個(gè)角開觀察孔，以確切探測出機(jī)頭的實(shí)際位置，在探明機(jī)頭位置確實(shí)正確落在接收井洞圈范圍內(nèi)時(shí)，頂管應(yīng)迅速、連續(xù)頂進(jìn)管節(jié)，盡快縮短頂管機(jī)進(jìn)洞時(shí)間。

2.3.5 注意事項(xiàng)

進(jìn)洞時(shí)，要防止井外的泥水大量涌入井內(nèi)，嚴(yán)防塌方和流砂，必須做好洞口止水環(huán)節(jié)。首先在預(yù)埋鋼盒上焊接鋼套環(huán)（法蘭），然后在套環(huán)上安裝25 mm厚橡膠法蘭，用10 mm厚鋼壓板通過M20螺栓壓緊。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有地下水和泥砂流入工作井內(nèi)時(shí)，可以收緊橡膠法蘭和壓板上的螺栓，達(dá)到止水效果。

3 減阻措施（觸變泥漿）

頂進(jìn)施工中，減阻泥漿（觸變泥漿）的應(yīng)用是減小頂進(jìn)阻力的重要措施。頂進(jìn)時(shí)通過頂管機(jī)鉸接處及管節(jié)上預(yù)留的注漿孔，向管道外壁壓入一定量的減阻泥漿，在管道四周外圍形成一個(gè)泥漿套，減小管節(jié)外壁和土層間的摩阻力，從而減小頂進(jìn)時(shí)的頂力。泥漿套形成的好壞，直接關(guān)系到減阻的效果。

為了做好壓漿工作，在頂管機(jī)頭及其后面3節(jié)每節(jié)都設(shè)有注漿孔，使泥漿及時(shí)填充管壁與土間的全部空隙，其后逐步過渡到每4節(jié)加設(shè)1節(jié)帶有注漿孔的管節(jié)，及時(shí)補(bǔ)漿，使全線管壁都包裹在泥漿套中，注漿孔沿管段周邊按120°均勻布置三個(gè)或按90°均勻布置四個(gè)。

3.1 主要技術(shù)措施

（1）對泥漿原材料進(jìn)行驗(yàn)收，保證其質(zhì)量；制定合理的泥漿配比，保證潤滑泥漿的穩(wěn)定；經(jīng)常對拌好的泥漿進(jìn)行測試，確保潤滑泥漿的質(zhì)量。

（2）制定合理的壓漿工藝，嚴(yán)格按壓漿操作規(guī)程進(jìn)行，堅(jiān)持“隨頂隨壓、逐孔壓漿、全線補(bǔ)漿，漿量均勻”的原則。

（3）加強(qiáng)壓漿管理，保證壓漿工作的正確落實(shí)。

3.2 壓漿順序：

地面拌漿→總管閥門打開→啟動(dòng)壓漿泵→管節(jié)閥門打開→送漿（頂進(jìn)開始）→管節(jié)閥門關(guān)閉（頂進(jìn)停止）→停泵→總管閥門關(guān)閉→井內(nèi)快速接頭拆開→下管節(jié)→接總管，循環(huán)復(fù)始。

3.3 技術(shù)規(guī)范

減阻泥漿的灌注應(yīng)符合以下要求：

（1）攪拌均勻的泥漿應(yīng)靜置一定時(shí)間后方可灌注；

（2）注漿前，應(yīng)通過注水檢查注漿設(shè)備，確定設(shè)備正常后方可灌注；

（3）注漿壓力可按不大于0.1 MPa開始加壓，在注漿過程中的注漿流量、壓力等施工參數(shù)，應(yīng)按減阻及控制地面變形的量測資料調(diào)整；

（4）每個(gè)注漿孔宜安裝閥門，注漿遇有機(jī)械故障、管路堵塞、接頭滲漏等情況時(shí)，經(jīng)處理后可繼續(xù)頂進(jìn)。

頂進(jìn)施工中，減阻泥漿的用量主要取決于管道周圍的空隙的大小及周圍土層的特性，由于泥漿的流失及地下水等的作用，泥漿的實(shí)際用量要比理論用量大得多，一般可達(dá)到理論值的4～5倍，但在施工中還要根據(jù)土質(zhì)情況、頂進(jìn)狀況、地面沉降的要求等做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

3.4 減阻泥漿有關(guān)技術(shù)參數(shù)

（1）地表沉降控制要求不高的頂程減阻泥漿配合比（參考）見表1。

表1 泥漿配合比1 kg

（2）地表沉降控制要求高的頂程減阻泥漿配合比見表2。

表2 泥漿配合比2 kg

4 頂管施工過程測量及糾偏方法

4.1 頂管施工過程測量

4.1.1 頂管軸線的布設(shè)

按設(shè)計(jì)單位所提供的城市坐標(biāo)點(diǎn)連接出洞井和進(jìn)洞井之間的進(jìn)、出洞門的兩點(diǎn)坐標(biāo)及高程，以坐標(biāo)值的計(jì)算建立相應(yīng)坐標(biāo)系，為頂進(jìn)軸線高程之差決定頂管頂進(jìn)坡度。

4.1.2 建立施工頂進(jìn)軸線的觀測臺

按獨(dú)立坐標(biāo)系放樣后靠觀測臺（后臺），使它精確地移動(dòng)至頂管軸線上，用它正確指揮頂管的正確施工。以后按施工的情況，決定定期復(fù)測后臺的平面和高程位置。如圖1所示。

圖1 觀測臺布置圖

4.1.3 頂進(jìn)施工過程測量

在后臺架設(shè)激光經(jīng)偉儀一臺，后視出洞口紅三角（即頂進(jìn)軸線）測頂管機(jī)的前標(biāo)及后標(biāo)的水平角和豎直角測一全測回，采用程序計(jì)算頂管的頭尾的平面和高程偏差離值，來正確指揮頂管的施工。

4.1.4 注意問題

頂管施工初次放樣及頂進(jìn)極為重要。另外由于頂管后靠頂進(jìn)中要造成變化，后臺的布置應(yīng)保持始終不動(dòng)，來確保頂管施工的測量的正確性。

4.2 測量糾偏控制

為了使頂進(jìn)軸線和設(shè)計(jì)軸線相吻合，在頂進(jìn)過程中，要經(jīng)常對頂進(jìn)軸線進(jìn)行測量。在正常情況下，每頂進(jìn)一節(jié)管節(jié)測量一次，在出洞、糾偏、進(jìn)洞時(shí)，適量增加測量次數(shù)。施工時(shí)還要經(jīng)常對測量控制點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測，以保證測量的精度。

在施工過程中，要根據(jù)測量報(bào)表繪制頂進(jìn)軸線的單值控制圖，直接反映頂進(jìn)軸線的偏差情況，使操作人員及時(shí)了解糾偏的方向，保證頂管機(jī)處于良好的工作狀態(tài)。

在實(shí)際頂進(jìn)中，頂進(jìn)軸線和設(shè)計(jì)軸線經(jīng)常發(fā)生偏差，因此要采取糾偏措施，減小頂進(jìn)軸線和設(shè)計(jì)軸線間的偏差值，使之盡量趨于一致。頂進(jìn)軸線發(fā)生偏差時(shí)，通過調(diào)節(jié)糾偏千斤頂?shù)纳炜s量，使偏差值逐漸減小并回至設(shè)計(jì)軸線位置。在施工過程中，應(yīng)貫徹“勤測、勤糾、緩糾”的原則，不能劇烈糾偏，以免對管節(jié)和頂進(jìn)施工造成不利影響。

項(xiàng)目測量所用的儀器有全站儀、激光經(jīng)緯儀和高精度的水準(zhǔn)儀。頂管機(jī)內(nèi)設(shè)有坡度板和光靶，坡度板用于讀取頂管機(jī)的坡度和轉(zhuǎn)角，光靶用于激光經(jīng)緯儀進(jìn)行軸線的跟蹤測量。測量布置見圖2。

圖2 測量布置圖

頂管施工中允許偏差見表3。

表3 頂進(jìn)管道允許偏差表

4.3 長距離曲線頂管施工過程控制

曲線頂管開始前，先進(jìn)行一段的直線頂管。在經(jīng)過直線段頂管后到達(dá)始曲點(diǎn)后，便開始曲線施工，曲線頂管利用頂管機(jī)在頂進(jìn)過程中，按設(shè)計(jì)的方向進(jìn)行強(qiáng)制式糾偏，根據(jù)曲線半徑R=600 m，計(jì)算出糾偏千斤頂?shù)纳炜s量，并在施工過程中不斷進(jìn)行調(diào)整，造成人為的軸線偏差，使這個(gè)偏差值符合設(shè)計(jì)的曲線要求，從而形成曲線通道。

后繼的管節(jié)頂入曲線通道內(nèi)，相鄰管節(jié)間自然形成一定的張角和相應(yīng)的間隙，及時(shí)墊入起曲墊塊經(jīng)過計(jì)算，管外開口間隙16 mm，用內(nèi)置千斤頂撐開管縫，墊入木墊塊，考慮到墊塊的壓縮變形，其厚度應(yīng)適當(dāng)增大，可選用δ=2 mm的五夾板，墊入的范圍為右側(cè)180°。

在曲線頂管時(shí)，頂進(jìn)速度不能太快，一般控制在30～50 mm/min，密切注意正面土體壓力的變化，控制好出土量的大小及頂進(jìn)速度快慢，盡量做到全斷面出土，嚴(yán)禁在擠壓狀態(tài)下頂進(jìn)，防止周圍土體反彈，確保曲線通道和泥漿套的完整，使管子能順利進(jìn)入預(yù)定的曲線軌道。在頂進(jìn)工程中，要經(jīng)常對頂進(jìn)軸線進(jìn)行測量。在正常頂進(jìn)情況下，每頂進(jìn)一節(jié)管節(jié)測量一次，在進(jìn)洞和出洞時(shí)適當(dāng)增加測量次數(shù)。頂管施工期間還要經(jīng)常對測量控制點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測，以保證測量的精度。

頂力的調(diào)整：在控制頂力不變的情況下，使管道頂進(jìn)距離得到有效加長，是實(shí)現(xiàn)長距離頂進(jìn)的有效途徑；曲線頂進(jìn)時(shí),管段的允許頂力要折減。折減系數(shù)與管段轉(zhuǎn)角有關(guān),混凝土管還與木墊片的彈性模量、木墊片的厚薄有關(guān)。采用減阻和接力頂進(jìn)措施是兩種行之有效的方法。并與頂管機(jī)的糾偏系統(tǒng)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)二維空間的同步糾偏，確保頂進(jìn)軸線的正確控制。

4.4 曲線頂管測量

（1）管道內(nèi)設(shè)置一臺普通經(jīng)緯儀,一個(gè)覘標(biāo),二者均布置在工具管的后部。工具管上的標(biāo)尺、經(jīng)緯儀、后視覘標(biāo)3者間保持一定的距離,并與管道固定,隨管頂進(jìn)而跟進(jìn)。經(jīng)緯儀、后視覘標(biāo)的中心坐標(biāo)是根據(jù)事先測定的實(shí)際管軸線計(jì)算所得,工具管上的測點(diǎn)座標(biāo)查設(shè)計(jì)軸線可得。依靠這3者的關(guān)系就可算出管道的頂進(jìn)方向,并由經(jīng)緯儀指向。

（2）管軸線的測定采用一臺全站儀,管道每頂進(jìn)10 m,測定一次工具管后的管軸線,并輸入計(jì)算機(jī)。施工中可以根據(jù)頂進(jìn)距離,推算出3者的即時(shí)坐標(biāo),通過計(jì)算機(jī)的運(yùn)算,就能指出工具管頂進(jìn)方向。

（3）同時(shí)工作井內(nèi)設(shè)立水準(zhǔn)儀來控制頂管的高程，工作井內(nèi)設(shè)一個(gè)固定的水準(zhǔn)點(diǎn)。高程偏差測量采用水準(zhǔn)儀測量頂管機(jī)中心標(biāo)高，再與設(shè)計(jì)高程相比較，計(jì)算出高程的偏差。由于曲線頂管的距離較長，經(jīng)計(jì)算，在管道內(nèi)設(shè)置一個(gè)測站就能解決測量問題。

5 結(jié)語

通過已完成頂進(jìn)的施工段落，我們體會到，在淤泥、黏土、砂層地理環(huán)境下采用泥水平衡式頂管具有施工速度快，成本低，占地少，環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，可以最大限度的降低施工對交通環(huán)境的影響與破壞。然而，頂管施工機(jī)理及設(shè)備仍存在許多經(jīng)驗(yàn)主義，這種情況很難適應(yīng)當(dāng)代發(fā)展的頂管施工技術(shù)。因此，對頂管施工過程中的各項(xiàng)施工工藝參數(shù)、施工方法進(jìn)行分析和總結(jié)，以合理的規(guī)程、方案進(jìn)行施工并實(shí)施預(yù)防措施，將對后續(xù)各頂管段落的施工組織、過程控制提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)施依據(jù)，也將為今后同類型頂管項(xiàng)目的實(shí)施有較好的指導(dǎo)和借鑒意義。

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U455.1

B

1009-7716（2017）12-0137-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.038

2017-11-06

艾祖斌（1971-），男，云南昭通人，高級工程師，主要從事基礎(chǔ)設(shè)施工程施工程技術(shù)及施工管理工作。