楊開放 韓 治 牟雨龍 盧國營 馬 勇

（中電建路橋集團有限公司，北京 100000）

1 工程概況

該項目位于臺山市大江鎮(zhèn)公益圩。計劃鋪設生活污水管網總長度為11200 m，其中頂管總長5050 m采用III級鋼筋混凝土管。臺山市屬亞熱帶季風氣候，該地常年雨水量豐富，施工點地下水位較高，其中大江鎮(zhèn)公益圩場地內及其附近有密集的坑塘、溝渠分布，坑塘內水深0.5 m～1.0 m，北側緊鄰譚江。

2 泥水平衡式頂管施工

2.1 施工基本原理

泥水平衡式頂管施工通過頂進裝置產生推力克服土體與管道間的摩阻力，將設備沿著既定的路線從工作坑行進到接收坑中，并將與頂管機相連的管道埋置在路線間完成管道施工。在頂進過程中，通過刀盤對開挖面的土體進行切削，再通過注入的泥水將棄土運送出去。注入的泥水須保持一定的壓力與土層壓力達到動態(tài)平衡，通過泥水包裹頂管機外側形成一層泥套維持開挖面土體的穩(wěn)定性，防止開挖面出現(xiàn)垮塌現(xiàn)象。

2.2 施工工藝流程

該泥水平衡式頂管工程主要施工步驟包括施工準備、頂管坑，接收坑施工、初始頂進、循環(huán)頂進、頂管機出洞以及頂管結束。具體施工工藝流程如圖1所示。

圖1 施工工藝流程圖

3 施工常見質量問題及控制措施

3.1 管底高程偏差較大

在頂進完成后對頂管高程及時進行復測發(fā)現(xiàn)測得的高程與設計值偏差較大。

造成管底高程偏差過大的原因主要包括后背墻的力學性能、泥水壓力值和管材材料3個方面：1）后背墻的剛度、強度、表面的平直度以及材質均勻性未達到頂進施工要求。2）施加的泥水壓力不能有效平衡土壓以及地下水的壓力。3）使用的管材本身有外觀質量缺陷。

由以上原因造成的管底高程偏差過大的問題，可對后座墻在材料和平整度上進行改進，在不同施工段落應對應計算出理論上的泥水平衡壓力值，再在實際施工中進行修正，以及對管材質量進行把控。具體防治措施如下：1）后座墻完成后，應保證其強度能承受千斤頂的最大后坐力而不被破壞，在后座墻的材料選擇上用壓縮作用下回彈量小的，使其卸除荷載后能恢復原樣。對后座墻進行再次找平滿足其表面能垂直于頂進管道的軸線。2）針對不同施工段落應根據實際施工情況計算對應的泥水平衡壓力值，再由計算結果調整泥水倉內的泥水壓力，避免開挖斷面土體失穩(wěn)，造成超挖及高程偏差大的現(xiàn)象。取W～W段頂管進行計算，泥水平衡壓力的計算如公式（1）所示。

式中：為泥水平衡壓力；為頂部的泥水壓力；為底部泥水壓力；γ為水的容重，此處取9.8 kN/m；為地下水位與頂管機底部的高差，根據地勘報告此處為5.8m；為頂管機頂部與地下水位的高差，此處為5.2m；Δ為泥水倉的泥水壓力高出地下水的水頭差，此處為2.03m；為泥漿的容重，此處取為11kN/m；為頂管機的外徑，此處為0.6m。

=0.5×[9.8×（5.2+2.03）+9.8×（5.8+2.03）+11×0.6]=77.1 kPa

由計算結果可知，對W29～W31段頂管施工時將泥水平衡壓力值保持在77.1 kPa左右，頂進施工可正常運行，同理可計算出其他段落所需的泥水平衡壓力。

3）管道進場應嚴格按設計標準進行驗收和抽檢，并應附帶出廠的檢驗報告，如經驗收不合格不應采用。

3.2 頂管機前進中發(fā)生姿態(tài)偏差

頂進施工中頂管機出現(xiàn)滾動偏差及方向偏差造成出土困難以及產生軸線偏差。

頂管機發(fā)生姿態(tài)偏差可分為滾動偏差、方向偏差和曲線段測量偏差3個方面：1）出現(xiàn)滾動偏差的原因，對土體進行切削中產生的扭矩與頂管機和土層之間的摩擦力矩不能達到平衡，未被平衡掉的力矩使頂管機產生滾動偏差，如果滾動幅度過大會導致激光靶不能保持在正常位置，對糾偏、測量以及出土造成不利影響，頂管軸線也會因此產生偏斜。2）出現(xiàn)方向偏差的原因，頂進施工中由于頂進千斤頂在各個部位設定參數時出現(xiàn)偏差，造成頂進方向也發(fā)生偏差。開挖面土體由于性質差異也易產生方向偏差。即使開挖中土體性質十分均勻，由于頂管機自重對其自身產生向下低頭的趨勢也會有一定影響。3）該項目頂進路線平面圖中為避開原有建筑物基礎，路線平面圖有局部曲線，曲線段測量導線誤差大導致行進路線出現(xiàn)偏差。

在頂進中可通過控制系統(tǒng)實時查看是否發(fā)生滾動偏差及方向偏差，當偏差發(fā)生時須及時根據發(fā)生的原因對應進行糾正。在曲線段施工時需要對測量導線的精度進行把控，防止出現(xiàn)人為誤差，具體防治措施如下：1）發(fā)生滾動偏差時，因為刀盤正向與反向均可以進行切削作業(yè)，在超過規(guī)范允許的滾動偏差范圍時，頂管機的控制系統(tǒng)會發(fā)出警告，此時操作人員應改變切削方向，起到反轉方向糾偏作用。2）發(fā)生豎直方向偏差時，操作人員應及時減緩推進速度，并根據雙光靶測量導向系統(tǒng)反映出的偏差值判斷此時頂管機是出現(xiàn)磕頭或者上仰的情形，加大頂部或底部千斤頂產生的力度對頂管機頭部的豎直角度進行糾正。3）在發(fā)生水平方向偏差時，同樣根據系統(tǒng)反饋的偏差值判斷出頂管機此時是左偏還是右偏，并調節(jié)對應方向千斤頂的力度對水平方向進行糾正。4）在曲線段對測站的布置及頂進誤差須嚴格控制。測量原理如圖2所示。

圖2 測量原理圖

以曲線施工段W31-W33為例。測量距離公式如下。

式中：為最大一次測量距離；為管內徑，此處為0.5 m；為曲率半徑，由設計圖紙查為300 m。

由設計圖紙查得該段曲線弦長為32 m，所以在該段管內應增設一個測站C。在現(xiàn)場測量中點的坐標可由幾何關系按式（3）算出。

式中：為測站到間的距離；為測站到間的距離；為測站到被測點間的距離；為直線與軸的夾角；為直線延長線與間的夾角。

再由誤差公式（4）算得誤差值，控制在誤差允許范圍內。

式中：為誤差值；為被測點點向坐標到坐標原點的距離；為被測點點向坐標到坐標原點的距離；為曲率半徑。

通過上述公式計算出誤差值后，如果超出規(guī)范允許值，須按照先上下糾偏后左右糾偏的方法進行校正，校正時應多次微調，糾偏角度應小于1°。經過計算誤差值為-2mm，滿足規(guī)范要求，通過對導向點的合理布置及精度把握為施工頂進奠定良好的基礎。

3.3 頂進困難

施工中出現(xiàn)頂管機頂進困難，頂進長度達不到預期值。

由于土體性質不同，觸變泥漿注入的方法、壓力不當或配比出現(xiàn)問題導致土體與頂管機間摩擦阻力偏大，因此導致頂進困難，無法達到預期進度。

對觸變泥漿在注入方法上應根據施工情況科學選擇，應先根據施工段落計算注漿壓力，得到初始值，在頂進過程中根據壓力監(jiān)測設備進行調整。對混凝土配和比的選擇應先進行對比試驗，根據試驗結果選擇出觸變泥漿性能最佳時的配合比，確定后再進行施工。具體控制措施如下：注漿孔的位置應根據實際情況合理選擇，保證注入的漿液能均勻包裹住管道外壁，現(xiàn)場注漿過程中應做到先注入泥漿后再開始頂進作業(yè)，隨著頂進過程均勻的注入泥漿并注意隨時補充。壓力值控制在0.3 MPa～0.4 MPa。

對不同性質的土體配置對應的觸變泥漿，觸變泥漿的參數見表1。

表1 觸變泥漿配比（1 m3）及主要性能指標

根據現(xiàn)場施工情況提前計算出觸變泥漿的注入壓力值。取W29～W31段頂管進行計算，觸變泥漿壓力值計算公式如下。

式中：為觸變泥漿壓力；γ為水的容重，此處取9.8 kN/m；為頂管機頂部以上的水柱高，由地勘報告查得為5.2 m；為土的重度，此處取16.9 kN/m；為管道覆土厚度，此處為5 m；為土的內摩擦角，此處為4.2°；為土的凝聚力，此處為5.5 kPa。

考慮到實際施工有部分誤差，實際注漿壓力值取計算值的1.6倍即為0.18 MPa。同理，其他施工段計算對應的注漿壓力值，根據隔膜式壓力表反應的數值對壓力進行監(jiān)控，從而保證正常頂進施工。

對觸變泥漿配合比進行試驗，研究外摻劑PAM和腐蝕酸鉀在不同占比條件下對觸變泥漿性能的影響，根據試驗確定最佳的配合比。試驗開始前初始配合比定為膨潤土∶CMC∶純堿∶ PAM∶腐殖酸鉀=8%∶0.1%∶0.3%∶0.05%∶0.1%。對PAM和腐蝕酸鉀占比進行調整，其試驗見表2和表3。

表2 觸變泥漿配合比試驗1（PAM含量變化）

表3 觸變泥漿配合比試驗2（腐殖酸鉀含量變化）

試驗結果如圖3所示。根據試驗結果可知，其他材料占比保持不變情況下，隨著PMP占比增大，泥漿的析水率和失水量變化不明顯，泥漿的黏度變化較為敏感，當PMP占比在0.05%時，泥漿的黏度指標處于一個較優(yōu)的狀態(tài)（表1），超過0.05%后泥漿黏度進一步增大，流動性降低，不利于觸變泥漿發(fā)揮性能。

圖3 觸變泥漿配合比試驗圖

當腐殖酸鉀占比增大，泥漿析水率無變化為0，泥漿剛開始隨著腐殖酸鉀占比增加黏度和失水量降低，流動性表現(xiàn)良好，占比增大到0.15%后，泥漿黏度和失水量無明顯變化，證明腐殖酸鉀在一定范圍內能降低泥漿失水量和黏度，提高泥漿的性能參數。綜合2個外加劑試驗結果，PMP和腐殖酸鉀最佳占比確定為0.05%和0.1%。

4 結論

該文對現(xiàn)場施工過程中在質量上容易出現(xiàn)的問題進行成因分析，進而解決問題。對泥水平衡壓力、測站布置、觸變泥漿壓力值計算和觸變泥漿配合比進行研究，驗證了施工可靠度，并在質量控制方面提出針對性的措施，保障了頂管施工的正常作業(yè)，積累了寶貴項目經驗，提升了施工質量。