泥水平衡式顶管施工技术在市政排水工程中的应用:泥水平衡顶管

　　摘要：随着高速发展的现代化城市建设离不开市政排水管道的施工建设，越来越多的深埋排水管道、过路管道、穿越建筑物的管道、旧路市政排水管道改建工程采用泥水平衡式顶管施工技术。本文就泥水平衡式
　　顶管施工技术在市政排水工程中的应用进行分析。
　　
　　关键词：泥水平衡式顶管；施工技术
　　Abstract：With the rapid development of modern urban construction can not be separated from the construction of the building of the municipal drainage channels, more and more deeply buried drains, crossing the pipeline, through the pipes of the building, Old Road, municipal drainage pipe conversion works slurry pipe jackingconstruction technology. In this paper, mud-balanced
　　Pipe jacking technology in municipal drainage project for analysis.
　　
　　Key words: slurry pipe jacking; construction technology
　　中图分类号：TU74 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）
　　
　　 1、前言
　　 随着高速发展的现代化城市建设离不开市政排水管道的施工建设，我们在为治理环境、解决雨污水排放等问题施工设施配套建设时，越来越多的深埋排水管道、过路管道、穿越建筑物的管道、旧路市政排水管道改建工程采用泥水平衡式顶管施工技术。近年来，我公司从日本引进泥水平衡式顶管施工新的施工工艺（DN800- DN2200），被广泛应用于昌平区市政管道施工建设中来。
　　 泥水平衡式顶管工程施工一般是将整个顶管工程分为若干个井段进行施工，其中包括顶管主顶竖井及顶管接受竖井。泥水平衡式顶管施工在最佳条件下一次顶进长度为100m左右。
　　 泥水平衡式长距离顶管施工利用泥水平衡原理设置中继站、采取泥浆触变减阻等措施达到一次顶进长度200m以上。
　　 2、泥水平衡顶管施工特点
　　 2.0.1适用的土质范围比较广，在地下水压力很高以及变化范围较大的条件下，也能适用。
　　 2.0.2可有效地保持挖掘面的稳定，对所顶管子周围的土体扰动比较小。
　　 2.0.3工作坑内的作业环境比较好，作业也比较安全。由于它采用泥水管道输送弃土，不存在吊土、搬运土方等容易发生危险的作业。它可以在大气常压下作业，也不存在采用气压顶管带来的各种问题及危及作业人员健康等问题。
　　 2.0.4由于泥水输送弃土的作业是连续不断地进行的，所以它作业时的进度比较快。
　　 2.0.5泥水平衡顶管施工还具有污染小、噪音小、环保以及震动都很小等特点。
　　 2.0.6顶进距离一次可达200m以上。
　　 2.0.7泥水加压平衡机械与其他施工工艺相比，具有良好的平衡效果，结构紧凑，技术先进，出土方式是用水力机械连续化出土，所以顶进速度快，对土质的适用性强无论是粘性土还是砂性土，均能保持良好效果。
　　 2.0.8通常泥水平衡顶管的主要设备有：掘进机、主顶设备、测量设备、井内旁通、控制系统等；辅助设备包括：泥水处理设备、注浆设备、中继间等。
　　
　　
　　
　　 泥水平衡顶管施工示意图
　　 3.适用范围
　　 3.0.1泥水平衡顶管一般适用于管径DN800-DN2200mm的管道施工，由于泥水平衡顶管顶距长、不需降水、能很好控制地面隆沉、施工安全等特点，并可适用于各类复杂地质条件，因此像穿越重要公路、铁路、建筑物等特殊工程地段、穿越砂层、淤泥质土等特殊地质构造地段应用泥水平衡顶管施工工法，可达到良好的效果。
　　 3.0.2由于小口径顶管掘进机内部空间狭小，不允许操作人员进入机头内部工作，而且在机内工作安全性差，劳动强度高。采用地面遥控操作，不仅可克服上述弊端，而且可提高施工质量。
　　 3.0.3适用管材：钢筋混凝土管、钢管、玻璃钢夹砂等常用顶管管材。
　　 4、工作原理
　　 4.0.1 泥浆形成机理
　　 泥水平衡式顶管机中，刀盘与主轴之间有一个偏心距 e，而中心刀、刀排、切削刀头与主轴是同心的。所以，假设刀头切削下来的强风化砂岩的颗粒较大，不会直接进入泥水仓，大颗粒的石块在破碎腔内被破碎成比隔栅孔小的颗粒，才能通过隔栅进入泥水仓。这样，使排泥管不会被堵塞。
　　 利用水枪，将土层的强度降低，含水量增大，以利用旋转刀盘上的刀片将土层切割成为泥浆。
　　 4.0.2 泥水平衡工作原理
　　 泥水平衡顶管机施工以泥水平衡原理为基本，通过改变泥水仓的送、排泥水量和顶进速度来控制排土量，使泥水仓内的泥水压力值稳定并控制在所设定的范围之内，从而达到开挖面的稳定。
　　 4.0.3 触变泥浆减阻原理
　　 通过在管壁外压注触变泥浆，形成一定厚度的泥浆套，使顶管在泥浆套中顶进，以减少阻力。
　　 4.0.4 中继间接力顶进原理
　　 中继间接力顶进，也就是在管道中间设置中继环，分段克服摩擦阻力，从而解决顶力不足的问题。中继间的千斤顶组在高压油路的作用下，以其后管道为后座支承点，将其前段管道向前推进，采用这种方法，将管道分段逐次推进，从而实现长距离顶管。
　　 4.0.5 长距离制导通过激光导向，计算机指导纠偏施工，确保顶进线路与高程准确。
　　 5、工艺流程及操作要点
　　
　　 操作要点：
　　 5.0.1测量放线
　　 顶管工作坑使用的中心和水准点，要引入坑下的牢固地点。为确保工程质量，必须对中心及高程严格控制。
　　 测量的方法
　　
　　 （1）通视条件下的测量
　　 使用交汇法引工作坑及接收坑预留洞口中心至各自的坑壁。置经纬仪至A点，后视B点，作BA直线的延长线，并在工作坑后部定出一点C。保证C、A、B在一条轴线上，置经纬仪在C点上，后视A点，在工作坑井壁上定出一点A`，置激光经纬仪基座于井下D点，并抄平固定激光经纬仪架，置经纬仪于A点，后视B点，在激光经纬仪器架上定出D点，D点同A`、A、B点在竖直方向上成一直线，安装激光经纬仪于仪器架上，对中D点，后视A`点，依设计轴线打好角度，既可定出轴线。
　　 （2）不通视条件下的测量
　　 引出A、B两点后可根据导线法以及平移法定出C、D、A`，其余步骤同通视条件下测量定位。
　　 5.0.2工作坑作法
　　 （1）主工作坑外侧做双排水泥搅拌桩止水帷幕，防止因排除地下水而形成的沉降。水泥搅拌桩桩长12m，桩径70cm，咬合20cm，咬合形成止水帷幕。后背采用密排36#工字钢桩，桩长12m。其它三侧采用36#工字钢打间隔桩，桩与桩间隔0.8m。工作坑采用人机配合开挖，工作坑内用36#工字钢横向焊二道支撑框架，每道支撑由两根工字钢组成，四角用36#工字钢与框架焊牢，以确保工作坑支撑牢固。挖至1m做第一道支撑框架，挖至管顶上40cm做第二道支撑框架。
　　 （2）主工作坑基础做法：底板浇筑C30混凝土，厚200㎜，基础内预埋铁板，规格：20cm×30cm,共16块，其上焊接滑道。
　　 （3）副坑外侧打双排水泥搅拌桩止水帷幕，内侧采用36#工字钢打间隔桩，桩与桩间隔0.8m。工作坑加固做法同主坑。工作坑采用人机配合开挖，工作坑内用36#工字钢焊二道支撑框架，四角用36#工字钢与框架焊牢，以确保工作坑支撑牢固（见示意图一）。挖至1m做第一道支撑框架，挖至管顶上40cm做第二道支撑框架，决不允许超挖后作框架。
　　
　　 示意图一
　　 （4）主、副工作坑排水措施
　　 工作坑内对角设直径0.5m、深1m集水井两座，井内设水泵抽水，坑内四周设30cm×30cm排水沟，1%坡度流向集水井。
　　 （5）锚喷竖井施工
　　 ①锁口圈梁
　　 按设计标高开挖至锁口圈梁底标高后，停止开挖，进行锁口圈梁的绑筋、安设下部锚筋，浇筑混凝土后等初凝前安设上部护拦预留筋。待圈梁混凝土强度达到70%以后，在圈梁上面砌砖。当砖墙砌好后先由测量人员在圈梁上放设中线和高程控制点，经复测无误后再继续向下挖土施工。
　　 ②开挖土方
　　 竖井施工时为防止竖井锁口圈梁下移，应采用半断面开挖，利用另一半土作为支撑。待先挖的这一半喷射混凝土完毕后，再开挖另一半，这样交替进行，4m以上自上而下每次挖深0.95m，4m以下自上而下每次挖深0.75m，直至井底。
　　 开挖时，严格按照结构外缘线进行开挖，严禁超挖，圈梁底和井底均须严格按设计高程开挖，不得超挖扰动原状土，榀架间距要严格按设计要求施工。采用人工挖土、吊车挂出土手推车出土。
　　 ③安装钢格栅，焊接竖向连接筋，挂钢筋网片
　　 土方开挖后立刻焊接竖向连接钢筋，安装钢格栅。锁口圈梁下1m以内连续设置两道钢格栅,以下自埋深4m以上竖向间距0.9m，自埋深4m以下竖向间距0.7m，直至坑底。钢格栅与钢格栅之间用Ф20纵向连接筋焊牢，沿内外主筋环向间距每1m一根，连接筋焊接时必需满焊并且满足搭接长度的要求。钢筋网与纵向连接筋、钢格栅连接牢固。
　　 钢格栅的安装必须牢固，平面必须保持水平，平面翘曲 　　 基坑导轨铺设应注意管线轴线、导轨标高和导轨支撑稳定性几个方面的问题。
　　 （1）管线轴线：根据管线轴线测量结果，铺设轨道时，将轨道中线与管线轴线重合。
　　 （2）管线标高：由于采用的是复合型轨道，因此铺设轨道时必须了解轨道的基本结构。复合型轨道详见下图：
　　
　　 导轨倾斜面是与管子接触的。设计时，导轨上水平面与钢筋混凝土管内底标高在一个水平面，因此在铺设导轨时，根据设计测得的管内底标高以调整导轨标高即可。导轨与井底的间隙应用钢板垫牢或用混凝土浇注，不宜用木板找平。
　　 （3）当导轨标高和轴线确定好后，即可进行导轨的支撑。由于导轨在顶管顶进时，不允许位移，因此支撑必须稳固，一般在导轨与工作井井壁间用多根型钢支撑，同时把型钢与导轨焊牢。
　　 5.0.6穿墙
　　 从打开封门，将掘进机顶出工作井外，这一过程称为穿墙。穿墙是顶管施工中的一道重要工序，因为穿墙后掘进机方向的准确与否将会给以后管道的方向控制和井内管节的拼装工作带来影响。穿墙时，首先要防止井外的泥水大量涌入井内，严防塌方和流沙。其次要使管道不偏离轴线，顶进方向要准确。
　　 （1）防止泥水涌入坑内的措施：为防止坑外泥水涌入坑内，用钢板桩加双排水泥搅拌桩止水帷幕进行围护。
　　 （2）当掘进机准备出洞时，应先破除砖封门并将杂物清理干净，将掘进机刃进工作井井壁中，当止水橡胶法兰与掘进机充分结合后，拨除钢板桩。钢板桩拨除数量一定要与实际数量相符，否则导致顶管掘进机的损坏。
　　 （3）顶管出洞时，掘进机要调零。
　　 （4）要防止掘进机穿墙时下跌。下跌的原因一是穿墙初期，因入土较少，掘进机的自重仅由两点支承，其中一点是导轨，另一点是入土较浅的土体。这时作用于支撑面上的应力很可超过允许承载力，使掘进机下跌；二是工作井下沉时扰动洞口土体且掘进机较重。为防止掘进机下跌，可采取土体加固、加延伸导轨、保留洞口下部预留缝隙的砖墙、顶力合力中心低于管中心（约R/5--R/4）或将前部管子（一般3节左右）同掘进机用连接件连接成整体，同时掘进机头亦可抬高一些。
　　 （5）防止掘进机和前几节管子后退。产生这种现象主要是因为掘进机的主顶面上主动土压力大于掘进机和管子的周边摩阻力和它们与导轨间摩阻力的总和。一般采取在主顶油缸回缩前，用螺旋出土机部分土适当卸压，或在洞口两侧安装手拉葫芦拉住，或用木（钢）柱将管子顶住，使其不向后退。
　　 5.0.7泥水系统的安装
　　 泥浆池应尽量靠近工作坑边，可采用并联法，见图：
　　
　　
　　 泥浆池尽量靠近工作坑边，可以减少排泥管路过长而且产生的管路摩阻力，沉石箱的配置可沉淀块状物，防止块状物直接进入排泥泵引起排泥泵堵塞和损坏。
　　 注浆系统应尽量使用螺杆泵以减少脉动现象，浆液应保证搅拌均匀，系统应配置减压系统，在泵出处1米外以及机头注浆处各安装一只隔膜式压力表。
　　 5.0.8 注浆减摩
　　 长距离顶管施工中，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。注浆使管周外壁形成泥浆润滑套，从而降低了顶进时的摩阻力。注浆程序：必须遵守“先压后顶，随顶随压”的原则。管道在顶进过程中不允许停止注浆，若因故停止注浆时，必须先停止顶管，再停止注浆。我们在注浆时做到以下几点。
　　 （1）选择优质的触变泥浆材料，对膨润土取样测试。主要指标为造浆率、失水量和动塑比。
　　 （2）在管子上预埋压浆孔，压浆孔的设置要有利于浆套的形成。
　　 （3）膨润土的贮藏及浆液配制、搅拌、膨胀时间，听取供应商的建议但都必须按照规范进行，使用前必须先进行试验。一般性能见下表：
　　
　　
　　 （4）压浆方式要以同步注浆为主，补浆为辅。在顶进过程中，要经常检查各推进段的桨液形成情况。
　　 （5）注浆设备和管路要可靠，具有足够的耐压和良好的密封性能。在注浆孔中设置一个单向阀，使浆液管外的土不能倒灌而堵塞注浆孔，从而影响注浆效果。
　　 （6）注浆工艺由专人负责，质量员定期检查。
　　 （7）注浆泵选择脉动小的螺杆泵，流量与顶进速度相应配。
　　 （8）由于顶管线路长，为使全程注浆压力不致相差过大，在中间还将每隔400m增设压浆泵以增大压力。
　　 （9）注浆流程图
　　
　　
　　
　　 6、所需材料
　　 6.0.1泥水材料
　　 6.0.2水——生活用水即可。
　　 6.0.3膨润土——主要成分是蒙脱土，它具有形成泥壁等多方面的优越性，但由于这种土的分离和经济上的存在的问题，仅限于部分使用。
　　 6.0.4粘性土——是易于采集的粉砂土、粘土和胶状现场土，具有形成泥壁等特性，得到广泛使用。
　　 6.0.5 砂——在形成泥壁时，作为填缝料十分有效，特别是处理团聚化土时，作为过滤器填缝料，略加入一些会更有效。
　　 6.0.6 CMC——能增加粘度和提高泥壁形成性能。
　　 7、机具设备
　　 泥水平衡掘进机1台，泥水输送(平衡)系统1套，主顶进装置1套，泥水处理系统1套，挖掘机2台，装载机1台，打（拔）桩机1台，吊车2辆，电焊机2台，潜水泵 4台。
　　 8、质量控制
　　 8.0.1技术管理由施工技术员负责，具体职责为：监督施工参数的实施及处理施工时发生的临时变更情况，及时与设计单位联系。
　　 8.0.2质量管理由操作班长与操作员建立QC小组，操作班长负责监督实施设计施工参数，严格按照操作规程操作，并作好当班记录；发现问题，及时与技术员联系解决，定期进行QC活动，保证施工质量。
　　 8.0.3主要质量标准
　　
　　
　　 9、安全措施
　　 9.0.1施工人员组织
　　 施工人员包括推进三个班轮转，另设地面、机电维修各一个班见表1、表2。执行十二、十二制度，每天保证顶管设备的正常运转，做到均衡施工。
　　
　　
　　 9.0.2安全注意事项
　　 9.0.2.1严格遵照国家颁发的《建筑安装工程安全技术规程》和北京市市政工程对施工现场安全的有关规定；
　　 9.0.2.2顶管机及管道内照明用电应使用安全电压；
　　 9.0.2.3动力电缆转换接插前，要先切断电源，后拔出插头；
　　 9.0.2.4混凝土管吊运时，管下严禁站人；
　　 9.0.2.5管道内的电力电缆、控制电缆应悬挂固定，严禁随地铺设；
　　 9.0.2.6外部照明要充足，安放高度不得低于3m；
　　 9.0.2.7在吊车行走路线上不得有任何电源线；
　　 9.0.2.8及时检查各压力管接头的可靠性，防止压力管爆裂伤人。
　　 10、效益分析
　　 10.0.1泥水平衡顶管施工采用油压驱动，施工时噪音远远小于开槽式敷设管道，几乎没有地盘沉降的现象，对周遭的影响降低到最小程度。 
　　 10.0.2土方开挖量小，对安全、交通影响较小。
　　 10.0.3 建设公害少，文明施工程度较高。
　　 10.0.4施工进度快，工期短。
　　 10.0.5同明挖施工相比，节省巨大的拆迁费。
　　 11、应用实例
　　 11.0.1工程实例
　　注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。