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摘要：土压平衡顶管，工作井井内布置后背墙，泥浆搅拌及压注系统将膨润土搅拌成泥浆膨化后输送到管壁与土壤之间，顶管机和第一节管子从工作井中破出洞口封门进入土，机头破接收井壁进入接收井管道出土。
关键词：土压平衡顶管顶力后背墙导轨 千斤顶双层注浆减阻
中图分类号：C35文獻标识码： A
一、工程概况
河南省南水北调受水区郑州供水配套工程施工6标段工程，输水线路长7.73km，输水管道内径为1.8m，管材为预应力钢筒混凝土管。顶管4段共计1003m，因受到市区道路、建筑、绿化及周边重要城市公共设施等因素的影响，从经济、安全考虑宜采用土压平衡式顶管的施工方法进行施工。
土压平衡顶管是它没有面板，开口率在98%，机头上焊有6个刀片，在顶进过程中，液压泵站千斤顶将动力通过顶铁、JPCCP管壁传到机头，机头挤进土体破坏土的稳定，土块塌落，入机头仓内由人工装入小车运出，每次顶进200mm，吃土0.6m3。设备安装到位后，吊下机头放入轨道连接顶铁，调节机头顶进高度和角度，启动液压泵站顶进。机头完全进入土层以后，吊下第一节顶管，它被推到机头的尾套处，与机头连接管顶进以后，顶进终止、液压慢慢收回，另一节管道又吊入井内轨道插口和第一节管道承口连接后，重新顶进，这个过程不断重复，直到所有管道被顶入土层完毕，完成一条永久性的地下管道。
二、施工工艺流程：
顶管准备→机头设备就位→机头顶进穿墙→顶管顶进→管道导入接收井→完工测量→吊出机头顶铁→设备转移。
三、准备工作
用圆柱形砖混结构井，内径为7m，深度以实际计，壁厚370mm，每3m设一道圈梁；在顶管顶进施工前，现场设备摆放空间至少需长30米，宽30米的平整封闭场平区域。顶管准备要有足够的余量(10～30根)。井上，井下建立测量控制网，并经严格复核记录。工作井井内布置指后靠背、导轨、主顶油缸、油泵动力站、钢制扶梯、泥浆搅拌及压注系统。顶管基座为钢结构预制构件，位置按管道设计轴线进行放样，安装按测量放样的基线，吊入井下就位安装固定。基座上的导轨按顶管设计轴线及实测洞门中心居中放置，设置支撑加固，保证基座稳定不变形。采用经验公式，按最大顶距120m计算：
F=F0+NF式中：F—总推力； NF—端阻力； F0—侧壁摩阻力；
NF =πDgγsHs式中Dg—管外径；Hs—埋深； γ—土的重量，取1.8t/m3
F0=πD1Lfk式中：fk—管外表面综合磨擦阻力，采用触变泥浆，取值10Kpa
D1—管外径L—顶距
F=8139+1196 =9335 KN
工作井内设备顶进能力依据后背墙抗力综合选用950T，用4个250T的千斤顶。
四、工作井顶管设备安装
后背墙：在顶进过程自始至终地承担主顶工作站顶管前进时的后坐力。最低强度应保证在设计顶进力的作用下不被破坏，要求其本身的压缩回弹量为最小，以利于充分发挥主顶工作站的顶进效率。
顶管时要求后背墙具有充分的刚度，以避免往复回弹，消耗能量。本工程用周转使用的装配式移动后背墙。用C30钢筋混凝土墙，正面焊一块4cm厚钢板。后背墙和井壁间的空隙中灌满自密砼，形成一道由厚钢板、移动混凝土墙、自密砼组成的牢固的、刚度很大的复合后背墙，承受千斤顶传来的顶进反力。
导轨安装：用型钢和钢轨制作，钢轨焊于型钢上，型钢用螺栓紧固于钢横梁上，以便装拆。钢横梁置于工作井底板上，并与底板上的预埋铁板焊接，使整个导轨系统成为在使用中不会产生位移的、牢固的整体。导轨安装精度决定管道是否可顶好，须达到：a两导轨应顺直、平行、等高，其纵坡应与管道设计坡度一致b导轨轴线偏差≤3mm；顶面高差0～＋3mm；两轨间距±2mm。
千斤顶安装：主顶站选用4台250T千斤顶,油缸行程1.8m，固定在型钢制作的千斤顶支架上，焊在井底的横梁上，千斤顶着力点应在与水平直径成45°的顶管圆周上，即与管道中心的垂线对称，其合力的作用点在管道圆心上。每个千斤顶的纵线坡度与管道设计坡度一致。
泥浆搅拌及压注系统：是膨润土搅拌成泥浆并充分膨化后输送到管壁与土壤之间，在管壁外周空隙压注膨润土泥浆，形成一定厚度的泥浆套，利用触变泥浆的润滑作用，以减少顶进阻力及地面沉降。
对顶管机头尾端的压浆，要紧随管道顶进同步压浆。为使管道外周围形成的泥浆始终起到支承地层和减阻作用，在后续管道的适当点位，还必须进行跟踪补浆，以补充在顶进中的泥浆损失量。
五、管道顶进
顶管机下井:井下设备安装完后，将经保养、检查、调试好的顶管机吊下工作井，置于涂满润滑黄油的导轨上。启动油泵，伸缩千斤顶，检查千斤顶与后背墙的配合，顶管机与出口器及分压环的间隙等,准确无误后即可开始出洞顶进。
顶管出洞:是顶管机和第一节管子从工作井中破出洞口封门进入土中，开始正常顶管前的过程，是顶管的关键工序。顶管机头在井内管床就位，调试完毕，作好出洞的一切准备后，将机头顶入土中，同时在机头与洞口的缝隙中注满膨润土泥浆，以润滑管道，支护土体。
顶管进洞:是一段管道顶完，顶管机头破接收井壁进入接收井，并作好顶管机后一节管与进洞口的联接过程。
顶管机头进洞前也应对洞口外土体进行防渗注浆，并留有足够的固化时间。顶管机进入加固土体并到达洞口外侧时，拆除井壁，将顶管机顶入接收井。
双层注浆减阻:本工程地质为细砂、黄土状低液限粉土及黄土状低液限粘土，采用双层注浆。在机头和1、2、3管设充填注浆孔，向土层注浓浆（浓浆由膨润土、粉煤灰、水泥等组成），以填充土壤中的孔隙。充填浆随顶进时间的增加在管外形成一定厚度的硬壳层，它的渗透系数很小，而且它的内壁光滑，形成泥浆套。第4根管以后注膨润土泥浆,膨润土泥浆在硬壳层内，不向外渗透，起支撑润滑作用，降低顶进摩阻力。双层注浆还可降低地面沉降，增强对管线和房屋建筑物的保护。
机头及其后面7节管每节都设有注浆孔，其后逐步过渡到每2节管加设一节带有注浆孔的管节，及时补浆，使全线管壁都包裹在泥浆套中。注浆管节为三孔出浆管，为解决顶管后的泥浆置换，每节管均设置三个注浆孔，顶管过程中不使用的孔封闭备用,待顶管结束后进行泥浆置换时使用。
顶管减摩泥浆用触变泥浆，该浆液性能稳定，且有良好的触变性，又有一定的稠度。施工过程中，泥浆应保证不失水、不沉淀、不固结。施工过程中还可配制特殊的泥浆以满足顶进施工中特殊适应土层的特性，起到预期的减摩效果。
顶管结束后以水泥桨置换膨润土浆液进行灌浆处理，加强填充浆液的刚度，使水泥浆液和管道周边土体融为一体，最大限度降低顶管对原地表造成的影响，使沉降降到最低。如果顶进过程中个别地段出现塌方，应认真记录塌方位置和范围，以便顶管完毕后，从地面自上而下钻孔压浆填充；注浆压力控制0.10.2Mpa.
六、管道出土
管内运输：人工将土装入小推车推出，门机上电动葫芦吊车工作井。场外运输：出土达到一定数量装入自卸汽车运至指定弃土场。
七、结语
土压平衡顶管技术，不仅适用于各种土质，且用于中粗砂，强风化、中风化砂岩。顶管机没有面板，而只有几根呈辐条状的刀排等组成。可以对不利于顶进的土体进行处理。通过注浆孔可以向管道外壁面上注水、粘土浆或水泥浆等，减少顶进阻力、改良的土体具有良好的塑形和止水性，降低塌方造成的沉陷发生。通过纠偏系统可以保证顶进精度。顶管机还具有操作方便、工作安全可靠、重量轻驱动功率小的特点。该工法施工效益高、质量好，对环境影响小，有较好的社会和经济效益。
关键词：土压平衡顶管顶力后背墙导轨 千斤顶双层注浆减阻
中图分类号：C35文獻标识码： A
一、工程概况
河南省南水北调受水区郑州供水配套工程施工6标段工程，输水线路长7.73km，输水管道内径为1.8m，管材为预应力钢筒混凝土管。顶管4段共计1003m，因受到市区道路、建筑、绿化及周边重要城市公共设施等因素的影响，从经济、安全考虑宜采用土压平衡式顶管的施工方法进行施工。
土压平衡顶管是它没有面板，开口率在98%，机头上焊有6个刀片，在顶进过程中，液压泵站千斤顶将动力通过顶铁、JPCCP管壁传到机头，机头挤进土体破坏土的稳定，土块塌落，入机头仓内由人工装入小车运出，每次顶进200mm，吃土0.6m3。设备安装到位后，吊下机头放入轨道连接顶铁，调节机头顶进高度和角度，启动液压泵站顶进。机头完全进入土层以后，吊下第一节顶管，它被推到机头的尾套处，与机头连接管顶进以后，顶进终止、液压慢慢收回，另一节管道又吊入井内轨道插口和第一节管道承口连接后，重新顶进，这个过程不断重复，直到所有管道被顶入土层完毕，完成一条永久性的地下管道。
二、施工工艺流程：
顶管准备→机头设备就位→机头顶进穿墙→顶管顶进→管道导入接收井→完工测量→吊出机头顶铁→设备转移。
三、准备工作
用圆柱形砖混结构井，内径为7m，深度以实际计，壁厚370mm，每3m设一道圈梁；在顶管顶进施工前，现场设备摆放空间至少需长30米，宽30米的平整封闭场平区域。顶管准备要有足够的余量(10～30根)。井上，井下建立测量控制网，并经严格复核记录。工作井井内布置指后靠背、导轨、主顶油缸、油泵动力站、钢制扶梯、泥浆搅拌及压注系统。顶管基座为钢结构预制构件，位置按管道设计轴线进行放样，安装按测量放样的基线，吊入井下就位安装固定。基座上的导轨按顶管设计轴线及实测洞门中心居中放置，设置支撑加固，保证基座稳定不变形。采用经验公式，按最大顶距120m计算：
F=F0+NF式中：F—总推力； NF—端阻力； F0—侧壁摩阻力；
NF =πDgγsHs式中Dg—管外径；Hs—埋深； γ—土的重量，取1.8t/m3
F0=πD1Lfk式中：fk—管外表面综合磨擦阻力，采用触变泥浆，取值10Kpa
D1—管外径L—顶距
F=8139+1196 =9335 KN
工作井内设备顶进能力依据后背墙抗力综合选用950T，用4个250T的千斤顶。
四、工作井顶管设备安装
后背墙：在顶进过程自始至终地承担主顶工作站顶管前进时的后坐力。最低强度应保证在设计顶进力的作用下不被破坏，要求其本身的压缩回弹量为最小，以利于充分发挥主顶工作站的顶进效率。
顶管时要求后背墙具有充分的刚度，以避免往复回弹，消耗能量。本工程用周转使用的装配式移动后背墙。用C30钢筋混凝土墙，正面焊一块4cm厚钢板。后背墙和井壁间的空隙中灌满自密砼，形成一道由厚钢板、移动混凝土墙、自密砼组成的牢固的、刚度很大的复合后背墙，承受千斤顶传来的顶进反力。
导轨安装：用型钢和钢轨制作，钢轨焊于型钢上，型钢用螺栓紧固于钢横梁上，以便装拆。钢横梁置于工作井底板上，并与底板上的预埋铁板焊接，使整个导轨系统成为在使用中不会产生位移的、牢固的整体。导轨安装精度决定管道是否可顶好，须达到：a两导轨应顺直、平行、等高，其纵坡应与管道设计坡度一致b导轨轴线偏差≤3mm；顶面高差0～＋3mm；两轨间距±2mm。
千斤顶安装：主顶站选用4台250T千斤顶,油缸行程1.8m，固定在型钢制作的千斤顶支架上，焊在井底的横梁上，千斤顶着力点应在与水平直径成45°的顶管圆周上，即与管道中心的垂线对称，其合力的作用点在管道圆心上。每个千斤顶的纵线坡度与管道设计坡度一致。
泥浆搅拌及压注系统：是膨润土搅拌成泥浆并充分膨化后输送到管壁与土壤之间，在管壁外周空隙压注膨润土泥浆，形成一定厚度的泥浆套，利用触变泥浆的润滑作用，以减少顶进阻力及地面沉降。
对顶管机头尾端的压浆，要紧随管道顶进同步压浆。为使管道外周围形成的泥浆始终起到支承地层和减阻作用，在后续管道的适当点位，还必须进行跟踪补浆，以补充在顶进中的泥浆损失量。
五、管道顶进
顶管机下井:井下设备安装完后，将经保养、检查、调试好的顶管机吊下工作井，置于涂满润滑黄油的导轨上。启动油泵，伸缩千斤顶，检查千斤顶与后背墙的配合，顶管机与出口器及分压环的间隙等,准确无误后即可开始出洞顶进。
顶管出洞:是顶管机和第一节管子从工作井中破出洞口封门进入土中，开始正常顶管前的过程，是顶管的关键工序。顶管机头在井内管床就位，调试完毕，作好出洞的一切准备后，将机头顶入土中，同时在机头与洞口的缝隙中注满膨润土泥浆，以润滑管道，支护土体。
顶管进洞:是一段管道顶完，顶管机头破接收井壁进入接收井，并作好顶管机后一节管与进洞口的联接过程。
顶管机头进洞前也应对洞口外土体进行防渗注浆，并留有足够的固化时间。顶管机进入加固土体并到达洞口外侧时，拆除井壁，将顶管机顶入接收井。
双层注浆减阻:本工程地质为细砂、黄土状低液限粉土及黄土状低液限粘土，采用双层注浆。在机头和1、2、3管设充填注浆孔，向土层注浓浆（浓浆由膨润土、粉煤灰、水泥等组成），以填充土壤中的孔隙。充填浆随顶进时间的增加在管外形成一定厚度的硬壳层，它的渗透系数很小，而且它的内壁光滑，形成泥浆套。第4根管以后注膨润土泥浆,膨润土泥浆在硬壳层内，不向外渗透，起支撑润滑作用，降低顶进摩阻力。双层注浆还可降低地面沉降，增强对管线和房屋建筑物的保护。
机头及其后面7节管每节都设有注浆孔，其后逐步过渡到每2节管加设一节带有注浆孔的管节，及时补浆，使全线管壁都包裹在泥浆套中。注浆管节为三孔出浆管，为解决顶管后的泥浆置换，每节管均设置三个注浆孔，顶管过程中不使用的孔封闭备用,待顶管结束后进行泥浆置换时使用。
顶管减摩泥浆用触变泥浆，该浆液性能稳定，且有良好的触变性，又有一定的稠度。施工过程中，泥浆应保证不失水、不沉淀、不固结。施工过程中还可配制特殊的泥浆以满足顶进施工中特殊适应土层的特性，起到预期的减摩效果。
顶管结束后以水泥桨置换膨润土浆液进行灌浆处理，加强填充浆液的刚度，使水泥浆液和管道周边土体融为一体，最大限度降低顶管对原地表造成的影响，使沉降降到最低。如果顶进过程中个别地段出现塌方，应认真记录塌方位置和范围，以便顶管完毕后，从地面自上而下钻孔压浆填充；注浆压力控制0.10.2Mpa.
六、管道出土
管内运输：人工将土装入小推车推出，门机上电动葫芦吊车工作井。场外运输：出土达到一定数量装入自卸汽车运至指定弃土场。
七、结语
土压平衡顶管技术，不仅适用于各种土质，且用于中粗砂，强风化、中风化砂岩。顶管机没有面板，而只有几根呈辐条状的刀排等组成。可以对不利于顶进的土体进行处理。通过注浆孔可以向管道外壁面上注水、粘土浆或水泥浆等，减少顶进阻力、改良的土体具有良好的塑形和止水性，降低塌方造成的沉陷发生。通过纠偏系统可以保证顶进精度。顶管机还具有操作方便、工作安全可靠、重量轻驱动功率小的特点。该工法施工效益高、质量好，对环境影响小，有较好的社会和经济效益。