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摘要：本文结合某工程实例，探讨顶管施工中泥水平衡施工技术的作用原理，对其设备的安装及其他工程施工重点进行详细的阐述。
关键词：机械顶管；泥水平衡；控制
Abstract: combining with an engineering example, discusses the pipe jacking construction of construction technology of slurry balance mechanism, the equipment installation and other engineering construction with the focus on the detailed in this paper.
Keywords: mechanical pipe jacking; Slurry balance; control
中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：
机械顶管施工方法经常用于城市市政污水管道铺设的建设中，使用该方法占地面积少，施工控制严格，可保证交通畅通；在穿越铁路、公路、河流、建筑物等障碍物时可减少沿线的拆迁工作量，降低工程造价。因此，对顶管施工技术及其引起的环境效应进行深入分析、探求解决对策具有重要的实际意义。
1工程概况
本工程为顺德区容桂第一污水处理厂二期厂外收集系统工程的截污及主干管，主要包括翠竹路、桂新西路、容桂大道中截污工程等。顶管分别为d800、d1000、d1200、d1350的Ⅲ级F型钢筋混凝土管。本工程具有工期紧、地下管线众多、地处交通要道、地质复杂、防水难度大等特点。
1.1岩土工程地质情况
根据本工程岩土勘察报告，场地岩土按地质成因分为第四系填土、第四系冲积土、第四系残积土和震旦系花岗片麻岩四层。填土由碎石素填土、砂性素填土、粘素填土、耕植上等组成，厚度一般为2.0～5.0m；冲积土厚度变化大，由淤泥质土、粉砂、淤泥、粉质粘土、中砂等组成；残积土及基岩顶板埋深变化较大。
1.2水文工程地质情况
场地地下水类型为孔隙潜水，主要赋存于填土及冲积砂土层孔隙中，接受大气降水和地表水补给，以蒸发及渗流的方式排泄，地下水和地表水有水力联系。钻探过程中测得钻孔初见水位埋深0.90～2.8m，钻探完成后测得稳定水位埋深0.90～2.8m，水位标高1.20～1.80m。从所取水样水质分析判断，场地地下水对混凝土结构、钢筋混凝土结构中的钢筋无腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性。
2机械顶管施工技术的基本原理
顶管施工就是借助于主顶油缸以及中继间的顶进力，把工具管或顶管掘进机从工作坑内穿过土层一直顶进到接收坑内吊起。与此同时，把紧随在工具管或掘进机后的管道埋设在两个工作坑之间。在顶管施工中主要有三种工作面平衡理论：气压、土压和泥水平衡理论。本工程主要采用泥水平衡顶管工法。泥水平衡顶管的工作原理为：通常把用水力切削泥土，采用机械切削泥土而采用水力输送弃土，同时有的利用泥水压力来平衡地下水压力和土压力的这一类顶管形式都称为泥水平衡顶管施工。在泥水平衡顶管施工中，要使挖掘面上保持稳定，就必须在泥水仓中充满一定压力的泥水，泥水在挖掘面上可以形成一层不透水的泥膜，以阻止泥水向挖掘面里渗透。同时，该泥水本身又有一定的压力，因此它就可以用来平衡地下水压力和土压力。
3顶管施工工艺流程
顶管段施工流程图如图1所示：
图1：顶管段施工流程图
4 机械顶管工程施工控制
4.1顶管施工准备
对于埋深大于5.00m的管道及周边环境复杂的地段可采用顶管施工，工艺为泥水加压平衡顶管法施工。
施工前应详细了解工程地质状况，根据地质情况制定相对应施工段的施工方案，确定施工参数，尤其是地质变层处，应提前制定施工方案，调整施工参数，确保变层处能顺利顶进。顶管施工经过砂层，在施工前应核算千斤顶的顶力及相应设备的施工能力，对于顶管机械的施工可能性应充分了解。出于场地部分地段基岩坪藏浅，有可能影响管道的施工，因此设计及施工时均应考虑必要措施予以处理。施工过程应切实做好必要的监测工作和应急处理的准备，防止房屋及路面开裂造成不必要的损失。
4.2顶进施工
本顶管工程的顶进系统采用整体式顶进构架，由主顶油缸及附件、导轨、主顶油泵及控制阀组成，其作用是把顶管机从工作井内穿过土层顶进接收井内，与此同时，将紧随顶管机头后的管道埋设在工作井与接收井之间。采用一级主顶油缸，为了弥补一级主顶油缸行程较短的缺点，一般都是采用加顶铁来增加顶进行程，但顶进施工中加顶铁比较费时。本工程针对该情况特将顶进系统进行改进，可将顶进行程增加到2.5m~3.0m，从而避免加顶铁的麻烦，使顶进施工更加顺利进行。
4.3顶管高程及轴线偏差控制
4.3.1测量方法
在工作井后座位设置测量机座，测量基座由地面引入地下，避免工作井的变形引起的误差，将激光经纬仪放置在其上调平后，使激光经纬仪发射的激光沿着顶进方向水平射出，打在安装在顶管机的测量靶位上，通过望远镜读出顶管机头的偏差。每隔0.5m记录偏位一次，将测量数据进行分析后，通过PLC全自动操控台控制顶管机的纠偏节进行砼的纠偏。
4.3.2纠偏方法
顶进中发现管位偏差5mm左右，即应进行校正。纠偏校正应缓缓进行，使管节逐渐复位，不得猛纠硬调。校正方法采用顶管机头自身纠偏法：控制顶管机头的状态，这种方法纠偏方法良好，每次纠偏的幅度以5mm为一个单元，再顶进1m时，如果根据顶管机头的测斜仪及激光经纬仪测量偏位趋势没有减少时，增大纠偏力度，如果根据顶管机头的测斜仪及激光经纬仪测量偏位趋势稳定或减少时，保持该纠偏力度，继续顶进，当偏位趋势相反时，则需要将纠偏力度逐渐减少。
4.4地面及建筑物沉降控制措施
4.4.1进行地面沉降控制监测
地表监控采用地表和深层观测相结合的方法。沿顶进轴线的管线保护和重要区段应增加每天监测次数以致进行24小时跟踪监测。正常情况下地面的观测点每天进行1~2次沉降跟踪观测，经数据处理分析后作为及时调整掘进机参数的依据，减小地面沉降量。顶进过程中地面沉降控制为：地面隆起的最大极限为+10mm；地面沉降的极限为-10mm。
4.4.2处理措施
施工前应对工程地质条件和环境情况进行周密细致的调查，制定切实可行的施工方案，并对距离管道近的建筑物和其它设施采取相应的加固保护措施。
根据工具头前方设置的测力装置，掌握顶进压力，保持顶进压力与前端土体压力的平衡。压注泥浆不使管壁与土体之间形成空隙：顶管设计时，为了减少摩擦阻力，降低主千斤顶的顶力，工具头的外径比顶入的钢筋混凝土管的外径大10mm~20mm。因此，顶管时在顶入管与土体之间就存在一定的空隙，导致土体可能的沉落。为此，必须及时压注泥浆于空隙中，并且边顶进边压浆，更需要在中间补浆，使在项管中形成完整的泥浆。可利用混凝土管上预设的注浆孔对土层进行填充物压注，以提高土层的密实度，减少土层的地面沉降量。
顶管顶进时，要严格遵守操作规程，及时进行测量，避免大角度纠偏。严格控制管道接口的密封质量，防止渗漏。避免因渗漏引起的土层流失，并最终导致地面沉降。
出土顶进时注意保持等体积置换：即在管内挖掘土方的体积Q土完全等于顶入管子的体积Q管（Q土=Q管），所以每次顶进都经过一定的计算，尽可能相等。当Q土＞Q管，地面易于沉降；Q土＜Q管，地面易于隆起。
4.5防水处理
由于本工程为水下顶管并且地质恶劣，顶管需要重点考虑以下防水環节，“出洞穿墙防水”、“进洞穿墙防水”、“顶管机绞接段防水”、“砼管接缝防水”，以上任何环节防水处理不好都将导致严重的后果。相应的应对措施有：第一，出洞进洞穿墙防水方面主要采取出洞进洞穿墙位置进行搅拌桩地基加固处理，洞口安装质量好的止水密封橡胶圈密封，使其满足出洞进洞的要求；第二，顶管机绞接段防水方面，由于该部位的滑动次数少，设置两道止水密封胶，滑动面同样采取精加工，加上定时添加润滑油脂的措施确保其使用寿命；第三，砼管接缝防水方面，需要对每次安装校对管道胶圈时严密检验，通过层层质量技术交底，并建立班组、项目部、监理三层严格检验制度，避免接缝漏水现象。
4.6接收井进洞施工
顶管进洞的施工环节相当关键，在出口的位置需要作好防水措施，施工搅拌桩进行挡土止水，再在顶管出洞位置施工2个内径1.0m的冲孔桩的降水井，深度为顶管深度以下4m，在顶管穿墙时降水，避免顶管穿墙时大量的流砂导致周边的沉降及管段的沉降，顶管顶到接收井前，按设计穿墙位置在出洞位置油漆标志，凿薄接收井出洞位置的混凝土，当顶管顶到墙体位置时，凿穿实际顶管机头出洞位置的混凝土，迅速顶出管机头。进洞过程中，准备好充足稻草，穿墙位置流砂时可采用稻草塞缝，防止过量的砂土流失，当顶管机头顶进到位时，接缝位置采用预埋管引水快凝水泥封缝，之后采用双液（水泥浆、水玻璃）压浆止水。
5结束语
管道安装完毕后，回填前需要按照《给水排水管道工程施工及验收规范》进行闭水试验，以保证质量。机械顶管法施工过程中必须根据土质条件、设计要求，认真选型、专项设计、合理配套，才能取得良好的效益，在施工中，一定要设计方案完善可靠，参数均要验证，严格按技术规程运作，精心施工操作，确保工程质量与安全。
参考文献：
[1]李震. 泥浆平衡式顶管施工的质量控制[J]. 西南给排水, 2005,(02) .
[2]张立永,姜岳岩,李雪成. 大直径混凝土顶管施工方法探讨[J]. 科技创新导报, 2010,(19) .
[3]李广文. 泥水式顶管施工中的质量与安全控制措施[J]. 中国市政工程, 2010,(04) .
[4]《给水排水管道工程施工及验收规范》GB50268—2008.
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：机械顶管；泥水平衡；控制
Abstract: combining with an engineering example, discusses the pipe jacking construction of construction technology of slurry balance mechanism, the equipment installation and other engineering construction with the focus on the detailed in this paper.
Keywords: mechanical pipe jacking; Slurry balance; control
中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：
机械顶管施工方法经常用于城市市政污水管道铺设的建设中，使用该方法占地面积少，施工控制严格，可保证交通畅通；在穿越铁路、公路、河流、建筑物等障碍物时可减少沿线的拆迁工作量，降低工程造价。因此，对顶管施工技术及其引起的环境效应进行深入分析、探求解决对策具有重要的实际意义。
1工程概况
本工程为顺德区容桂第一污水处理厂二期厂外收集系统工程的截污及主干管，主要包括翠竹路、桂新西路、容桂大道中截污工程等。顶管分别为d800、d1000、d1200、d1350的Ⅲ级F型钢筋混凝土管。本工程具有工期紧、地下管线众多、地处交通要道、地质复杂、防水难度大等特点。
1.1岩土工程地质情况
根据本工程岩土勘察报告，场地岩土按地质成因分为第四系填土、第四系冲积土、第四系残积土和震旦系花岗片麻岩四层。填土由碎石素填土、砂性素填土、粘素填土、耕植上等组成，厚度一般为2.0～5.0m；冲积土厚度变化大，由淤泥质土、粉砂、淤泥、粉质粘土、中砂等组成；残积土及基岩顶板埋深变化较大。
1.2水文工程地质情况
场地地下水类型为孔隙潜水，主要赋存于填土及冲积砂土层孔隙中，接受大气降水和地表水补给，以蒸发及渗流的方式排泄，地下水和地表水有水力联系。钻探过程中测得钻孔初见水位埋深0.90～2.8m，钻探完成后测得稳定水位埋深0.90～2.8m，水位标高1.20～1.80m。从所取水样水质分析判断，场地地下水对混凝土结构、钢筋混凝土结构中的钢筋无腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性。
2机械顶管施工技术的基本原理
顶管施工就是借助于主顶油缸以及中继间的顶进力，把工具管或顶管掘进机从工作坑内穿过土层一直顶进到接收坑内吊起。与此同时，把紧随在工具管或掘进机后的管道埋设在两个工作坑之间。在顶管施工中主要有三种工作面平衡理论：气压、土压和泥水平衡理论。本工程主要采用泥水平衡顶管工法。泥水平衡顶管的工作原理为：通常把用水力切削泥土，采用机械切削泥土而采用水力输送弃土，同时有的利用泥水压力来平衡地下水压力和土压力的这一类顶管形式都称为泥水平衡顶管施工。在泥水平衡顶管施工中，要使挖掘面上保持稳定，就必须在泥水仓中充满一定压力的泥水，泥水在挖掘面上可以形成一层不透水的泥膜，以阻止泥水向挖掘面里渗透。同时，该泥水本身又有一定的压力，因此它就可以用来平衡地下水压力和土压力。
3顶管施工工艺流程
顶管段施工流程图如图1所示：
图1：顶管段施工流程图
4 机械顶管工程施工控制
4.1顶管施工准备
对于埋深大于5.00m的管道及周边环境复杂的地段可采用顶管施工，工艺为泥水加压平衡顶管法施工。
施工前应详细了解工程地质状况，根据地质情况制定相对应施工段的施工方案，确定施工参数，尤其是地质变层处，应提前制定施工方案，调整施工参数，确保变层处能顺利顶进。顶管施工经过砂层，在施工前应核算千斤顶的顶力及相应设备的施工能力，对于顶管机械的施工可能性应充分了解。出于场地部分地段基岩坪藏浅，有可能影响管道的施工，因此设计及施工时均应考虑必要措施予以处理。施工过程应切实做好必要的监测工作和应急处理的准备，防止房屋及路面开裂造成不必要的损失。
4.2顶进施工
本顶管工程的顶进系统采用整体式顶进构架，由主顶油缸及附件、导轨、主顶油泵及控制阀组成，其作用是把顶管机从工作井内穿过土层顶进接收井内，与此同时，将紧随顶管机头后的管道埋设在工作井与接收井之间。采用一级主顶油缸，为了弥补一级主顶油缸行程较短的缺点，一般都是采用加顶铁来增加顶进行程，但顶进施工中加顶铁比较费时。本工程针对该情况特将顶进系统进行改进，可将顶进行程增加到2.5m~3.0m，从而避免加顶铁的麻烦，使顶进施工更加顺利进行。
4.3顶管高程及轴线偏差控制
4.3.1测量方法
在工作井后座位设置测量机座，测量基座由地面引入地下，避免工作井的变形引起的误差，将激光经纬仪放置在其上调平后，使激光经纬仪发射的激光沿着顶进方向水平射出，打在安装在顶管机的测量靶位上，通过望远镜读出顶管机头的偏差。每隔0.5m记录偏位一次，将测量数据进行分析后，通过PLC全自动操控台控制顶管机的纠偏节进行砼的纠偏。
4.3.2纠偏方法
顶进中发现管位偏差5mm左右，即应进行校正。纠偏校正应缓缓进行，使管节逐渐复位，不得猛纠硬调。校正方法采用顶管机头自身纠偏法：控制顶管机头的状态，这种方法纠偏方法良好，每次纠偏的幅度以5mm为一个单元，再顶进1m时，如果根据顶管机头的测斜仪及激光经纬仪测量偏位趋势没有减少时，增大纠偏力度，如果根据顶管机头的测斜仪及激光经纬仪测量偏位趋势稳定或减少时，保持该纠偏力度，继续顶进，当偏位趋势相反时，则需要将纠偏力度逐渐减少。
4.4地面及建筑物沉降控制措施
4.4.1进行地面沉降控制监测
地表监控采用地表和深层观测相结合的方法。沿顶进轴线的管线保护和重要区段应增加每天监测次数以致进行24小时跟踪监测。正常情况下地面的观测点每天进行1~2次沉降跟踪观测，经数据处理分析后作为及时调整掘进机参数的依据，减小地面沉降量。顶进过程中地面沉降控制为：地面隆起的最大极限为+10mm；地面沉降的极限为-10mm。
4.4.2处理措施
施工前应对工程地质条件和环境情况进行周密细致的调查，制定切实可行的施工方案，并对距离管道近的建筑物和其它设施采取相应的加固保护措施。
根据工具头前方设置的测力装置，掌握顶进压力，保持顶进压力与前端土体压力的平衡。压注泥浆不使管壁与土体之间形成空隙：顶管设计时，为了减少摩擦阻力，降低主千斤顶的顶力，工具头的外径比顶入的钢筋混凝土管的外径大10mm~20mm。因此，顶管时在顶入管与土体之间就存在一定的空隙，导致土体可能的沉落。为此，必须及时压注泥浆于空隙中，并且边顶进边压浆，更需要在中间补浆，使在项管中形成完整的泥浆。可利用混凝土管上预设的注浆孔对土层进行填充物压注，以提高土层的密实度，减少土层的地面沉降量。
顶管顶进时，要严格遵守操作规程，及时进行测量，避免大角度纠偏。严格控制管道接口的密封质量，防止渗漏。避免因渗漏引起的土层流失，并最终导致地面沉降。
出土顶进时注意保持等体积置换：即在管内挖掘土方的体积Q土完全等于顶入管子的体积Q管（Q土=Q管），所以每次顶进都经过一定的计算，尽可能相等。当Q土＞Q管，地面易于沉降；Q土＜Q管，地面易于隆起。
4.5防水处理
由于本工程为水下顶管并且地质恶劣，顶管需要重点考虑以下防水環节，“出洞穿墙防水”、“进洞穿墙防水”、“顶管机绞接段防水”、“砼管接缝防水”，以上任何环节防水处理不好都将导致严重的后果。相应的应对措施有：第一，出洞进洞穿墙防水方面主要采取出洞进洞穿墙位置进行搅拌桩地基加固处理，洞口安装质量好的止水密封橡胶圈密封，使其满足出洞进洞的要求；第二，顶管机绞接段防水方面，由于该部位的滑动次数少，设置两道止水密封胶，滑动面同样采取精加工，加上定时添加润滑油脂的措施确保其使用寿命；第三，砼管接缝防水方面，需要对每次安装校对管道胶圈时严密检验，通过层层质量技术交底，并建立班组、项目部、监理三层严格检验制度，避免接缝漏水现象。
4.6接收井进洞施工
顶管进洞的施工环节相当关键，在出口的位置需要作好防水措施，施工搅拌桩进行挡土止水，再在顶管出洞位置施工2个内径1.0m的冲孔桩的降水井，深度为顶管深度以下4m，在顶管穿墙时降水，避免顶管穿墙时大量的流砂导致周边的沉降及管段的沉降，顶管顶到接收井前，按设计穿墙位置在出洞位置油漆标志，凿薄接收井出洞位置的混凝土，当顶管顶到墙体位置时，凿穿实际顶管机头出洞位置的混凝土，迅速顶出管机头。进洞过程中，准备好充足稻草，穿墙位置流砂时可采用稻草塞缝，防止过量的砂土流失，当顶管机头顶进到位时，接缝位置采用预埋管引水快凝水泥封缝，之后采用双液（水泥浆、水玻璃）压浆止水。
5结束语
管道安装完毕后，回填前需要按照《给水排水管道工程施工及验收规范》进行闭水试验，以保证质量。机械顶管法施工过程中必须根据土质条件、设计要求，认真选型、专项设计、合理配套，才能取得良好的效益，在施工中，一定要设计方案完善可靠，参数均要验证，严格按技术规程运作，精心施工操作，确保工程质量与安全。
参考文献：
[1]李震. 泥浆平衡式顶管施工的质量控制[J]. 西南给排水, 2005,(02) .
[2]张立永,姜岳岩,李雪成. 大直径混凝土顶管施工方法探讨[J]. 科技创新导报, 2010,(19) .
[3]李广文. 泥水式顶管施工中的质量与安全控制措施[J]. 中国市政工程, 2010,(04) .
[4]《给水排水管道工程施工及验收规范》GB50268—2008.
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。